Forschungshintergrund Mit der rasanten Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie (AM), insbesondere der weit verbreiteten Anwendung der Laser-Pulver-Bett-Fusion-Technologie (LPBF), ist die Inconel 718-Legierung aufgrund ihrer hervorragenden Leistung bei hohen Temperaturen, hohem Druck und korrosiven Umgebungen zu einem wichtigen Material in der Luft- und Raumfahrt, Energie und anderen High-End-Fertigungsbereichen geworden. Während des Laser-Pulverbettschmelzverfahrens beeinflussen jedoch das thermische Verhalten der Legierung, die Stabilität des Schmelzbades und das Kornwachstum die endgültigen Materialeigenschaften erheblich. Für solche Bearbeitungen werden üblicherweise herkömmliche Gauß-Laser verwendet. Aufgrund ihrer ungleichmäßigen Energieverteilung neigen sie jedoch dazu, Schmelzbadinstabilität und unregelmäßiges Kornwachstum zu verursachen. Flache-Top-Laser mit ihren gleichmäßigen Energieverteilungseigenschaften können eine bessere Kontrolle über die Schmelzbadstabilität und das gerichtete Kornwachstum ermöglichen. Durch die Erforschung der Anwendung von Flat-Top-Lasern bei der Laser-Pulverbettschmelzung wird erwartet, dass sie die Leistung der Inconel 718-Legierung optimieren und theoretische Grundlagen und technische Unterstützung für eine qualitativ hochwertige Fertigung liefern.
Forschungsmethoden Diese Studie nutzte eine Kombination aus Simulation und Experimenten, um die Auswirkungen von Flat-Top-Lasern auf das Schmelzbadverhalten und das Kornwachstum während der Laser-Pulverbettschmelzung der Inconel 718-Legierung zu untersuchen. Es wurden Einzelspur-Scansimulationen durchgeführt, um den Einfluss von Parametern wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit auf die Temperaturverteilung des Schmelzbades, die Morphologie des Schmelzbades und die Temperaturgradienten zu untersuchen. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurde eine weitere experimentelle Validierung mit Hochleistungs-Flachlasern für die Pulverbettschmelzung von Inconel 718 durchgeführt, wobei die Morphologie des Schmelzbads, die Korngröße und die Materialeigenschaften beobachtet und analysiert wurden. Während der Experimente wurden Techniken wie Mikrostrukturbeobachtung, Röntgenbeugung und Prüfung mechanischer Eigenschaften eingesetzt, um das Kornwachstum, die Materialhärte und die Zugeigenschaften umfassend zu bewerten. Bedeutung der Studie Diese Studie ist von erheblichem theoretischen und technischen Wert. Die Einführung von Flat-Top-Lasern kann Probleme wie Schmelzbadinstabilität und unregelmäßiges Kornwachstum, die bei herkömmlichen Gaußschen Lasern während der Legierungsverarbeitung auftreten, effektiv verbessern und bietet einen neuen technologischen Ansatz für die additive Fertigung von Inconel 718. Die Ergebnisse bieten wichtige Referenzen für die weitere Optimierung von Laser-Pulverbett-Fusionsprozessen, insbesondere bei der Verarbeitung von Hochtemperatur-Legierungsmaterialien, mit breiten technischen Anwendungsaussichten. Darüber hinaus bietet diese Studie Leitlinien für die Gestaltung des additiven Fertigungsprozesses anderer Hochleistungsmaterialien und fördert die Anwendung der additiven Fertigungstechnologie in der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen. Innovationen Vergleich zwischen Flach- und herkömmlichen Gauß-Lasern: Durch den Vergleich der Anwendung von Flach-Oberseiten-Lasern mit herkömmlichen Gauß-Lasern bei der Laser-Pulverbettfusion wurden die Vorteile von Flach-Oberseiten-Lasern bei der Schmelzbadstabilität und der Kontrolle des Kornwachstums aufgezeigt. Kombination aus Einzelspursimulation und Experimenten: Die Integration von Simulation und experimenteller Verifizierung bietet einen systematischen analytischen Rahmen für das Verständnis der Rolle von Flat-Top-Lasern im Schmelzbad. Prozessoptimierung für die Inconel 718-Legierung: Bietet Optimierungsstrategien für den additiven Herstellungsprozess von Inconel 718, insbesondere im Hinblick auf potenzielle Verbesserungen der Materialleistung, wodurch eine qualitativ hochwertige Produktion von Hochtemperaturlegierungen gefördert wird. Erforschung von Flat{30}}Top-Laseranwendungen in der Pulverbettfusion: Diese Studie untersuchte erstmals systematisch die Anwendung von Flat-Top-Lasern in der Laser-Pulverbettfusion und lieferte neue Richtungen für die zukünftige Forschung in verwandten Technologien.
Ergebnisse und Diskussion 1. Auswirkungen der Laserleistung und Scangeschwindigkeit auf das Verhalten des Schmelzbades In Simulationen und Experimenten wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Laserleistungen und Scangeschwindigkeiten auf die Temperaturverteilung, Morphologie und den Wärmegradienten des Schmelzbads untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei hoher Laserleistung die Temperaturverteilung des Schmelzbades gleichmäßiger ist. Flachkopflaser können Temperaturschwankungen im Schmelzbad effektiv reduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Gaußschen Lasern bieten Flat-Top-Laser eine stabilere Wärmefeldverteilung. Schwankungen der Scangeschwindigkeit wirken sich erheblich auf die Morphologie und Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades aus. Bei moderaten Scangeschwindigkeiten ist die Oberfläche des Schmelzbads glatt und der Abkühlungsprozess relativ gleichmäßig, was zur Bildung einer stabileren Kornstruktur beiträgt. . 2. Verbesserung der Stabilität des Schmelzbads durch Flachlaser. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass sich das Schmelzbad bei der Verwendung von Flachlasern während des Laserscannens stabiler verhält, wodurch Instabilität durch übermäßige Temperaturgradienten vermieden wird. Im Vergleich zu Gaußschen Lasern reduziert die gleichmäßige Leistungsverteilung von Flat-Top-Lasern wirksam Schwankungen in der Morphologie des Schmelzbads und fördert eine gute Fusion, wodurch unregelmäßiges Wachstum an den Rändern des Schmelzbads reduziert wird. Diese Stabilität ist für das anschließende Kornwachstum und die Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur von Bedeutung und verbessert effektiv die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Materials.. 3. Richtungsabhängigkeit des Kornwachstums Bei der Verarbeitung der Inconel 718-Legierung mit Flachlasern-oben wurde in den Experimenten eine bessere Richtungsabhängigkeit des Kornwachstums beobachtet. Unter dem gleichmäßigen Wärmefeld eines Flat-Top-Lasers neigen die Längsachsen der Körner dazu, entlang der Laserabtastrichtung zu wachsen und eine gerichtete Kornstruktur zu bilden. Dieses gerichtete Wachstum verbessert die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich, insbesondere die Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Im Gegensatz dazu zeigt die Verwendung von Gaußschen Lasern aufgrund der Instabilität des Schmelzbades eine starke Zufälligkeit im Kornwachstum, was zu einer ungleichmäßigen Kornverteilung führt, die sich weiter auf die umfassenden mechanischen Eigenschaften des Materials auswirkt.. 4. Optimierung der Materialeigenschaften Durch Mikrostrukturanalyse und mechanische Tests wurde festgestellt, dass die mit Flat-Top-Lasern verarbeitete Inconel 718-Legierung hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Härte, Zugfestigkeit und Ermüdungsleistung aufweist: Härtetests zeigen, dass Proben, die mit Flat-Top verarbeitet wurden Laser haben eine höhere Härte, was auf eine bessere Materialdichte und strukturelle Integrität hinweist. Die Ergebnisse der Zugtests zeigen, dass laserbehandelte Legierungen mit flacher Oberseite eine höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit aufweisen und der Bruchmodus eine gleichmäßigere Spannungsverteilung aufweist, wodurch eine Rissausbreitung verhindert wird. In Ermüdungstests weisen die mit Flachlasern-behandelten Proben eine längere Ermüdungslebensdauer auf, was auf eine bessere Ermüdungsbeständigkeit hinweist und sie für Hochleistungsanwendungen geeignet macht.. 5. Einfluss des thermischen Verhaltens und des Kühlprozesses Beim Abkühlen weisen mit Flachlasern bearbeitete Proben einen relativ gleichmäßigen Wärmegradienten und eine stabile Abkühlrate auf, wodurch thermische Spannungen und Restspannungen vermieden werden, die bei herkömmlichen Gaußschen Lasern auftreten können. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass ein gleichmäßigerer Abkühlungsprozess die gleichmäßige Verteilung der inneren Spannungen im Material fördert und so Verformungen und Risse durch übermäßige thermische Spannung verhindert.
6. Kombination von Simulations- und Versuchsergebnissen Die hohe Übereinstimmung zwischen Simulations- und Versuchsergebnissen zeigt, dass der Flat-Top-Laser erhebliche Vorteile bei der Verbesserung der Schmelzbadstabilität, der Kornwachstumsorientierung und der Materialeigenschaften hat. Die Simulationsergebnisse liefern eine theoretische Grundlage und bestätigen die wirksame Kontrolle des thermischen Verhaltens des Schmelzbades und des Kornwachstums durch den Flat-Top-Laser. Experimentelle Daten bestätigen diese Theorie weiter und bestätigen die Verbesserung der Materialeigenschaften durch den Flat-Top-Laser durch Härte-, Zugfestigkeits- und Ermüdungstests. Diskussion und Schlussfolgerung Im Vergleich zum Gaußschen Laser bietet der Flat-top-Laser erhebliche Vorteile bei der Schmelzbadstabilität und der Ausrichtung des Kornwachstums. Seine gleichmäßige Kraftverteilung verbessert effektiv die Stabilität des Schmelzbades, reduziert unregelmäßige Formänderungen des Schmelzbades und fördert das gerichtete Kornwachstum im Material. Optimierung der Materialeigenschaften: Der Flat-Top-Laser verbessert nicht nur das Schmelzbadverhalten, sondern verbessert auch die mechanischen Eigenschaften der Inconel 718-Legierung erheblich und zeigt deutliche Vorteile bei Härte, Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Diese Studie zeigt, dass der Einsatz von Flat-Top-Lasern bei der Laser-Pulverbettfusion nicht nur die Schmelzbadstabilität verbessert, sondern auch einen neuen technischen Weg zur Herstellung von Hochleistungsmaterialien mit breiten Anwendungsaussichten, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, Energie und anderen Bereichen, bietet. Diese Forschung bietet neue Ideen für die additive Fertigung von Hochleistungslegierungsmaterialien. Zukünftig können Prozessparameter weiter optimiert und mehr Laserquellen für den Einsatz in Hochtemperatur-Legierungsmaterialien erforscht werden, was die weitverbreitete Anwendung der additiven Fertigungstechnologie in der industriellen Produktion fördert.
