Láser pulsado

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 22247 (2022) Citar este artículo

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La fabricación aditiva de metales (AM) permite una rápida personalización de piezas complejas. Sin embargo, esto conduce a la formación de estructuras de grano columnares que confieren a las piezas de AM propiedades anisotrópicas. En este estudio, proponemos una técnica de AM asistida por láser pulsado (PLAAM) para el refinamiento de grano in situ de piezas de Ti-6Al-4V. Se enfocó un láser pulsado de nanosegundos sobre un baño de fusión para generar un ambiente favorable para la promoción de granos finos equiaxiales. La técnica PLAAM proporcionó un tamaño de grano previo-β promedio de 549,6 μm, en comparación con el de 1297 μm proporcionado por la técnica AM convencional. Además, el valor máximo de múltiplos de distribución uniforme de la fase β disminuyó de 16 a 7,7 cuando se utilizó la técnica PLAAM, lo que indica una textura cristalográfica debilitada. Estos cambios confirman que la técnica PLAAM propuesta promueve granos β previos más finos y equiaxiales. Además, debido a que la técnica propuesta es una técnica sin contacto, se puede aplicar a procesos existentes sin ajustar las trayectorias de las herramientas.

La fabricación aditiva de metales (AM) es un proceso capa por capa ampliamente utilizado para la creación rápida de prototipos y la fabricación de estructuras metálicas tridimensionales complejas1. Sin embargo, las desventajosas propiedades anisotrópicas de tracción y fatiga de las estructuras de grano grueso de las piezas de AM inhiben el uso generalizado de AM en la industria manufacturera2,3. En los procesos típicos de AM, se forman gradientes térmicos pronunciados dentro de pequeños charcos de fusión, lo que lleva a un fuerte crecimiento epitaxial de granos columnares a lo largo de la dirección de construcción2,3.

Entre varios materiales metálicos AM, Ti-6Al-4V es el material más investigado debido a su excelente aplicabilidad en las industrias biomédica y aeroespacial1. Sin embargo, debido a que las piezas típicas de Ti-6Al-4V AM tienen granos previo-β columnares gruesos, exhiben propiedades de tracción anisotrópicas1. Por lo tanto, la promoción de granos finos equiaxiales en piezas de AM se ha convertido en un tema de investigación importante para mejorar sus propiedades de tracción3.

Se han propuesto varias técnicas para introducir granos equiaxiales en las piezas AM. Se ha demostrado que la introducción de partículas adicionales para ayudar a la nucleación activa es eficaz para promover la transición columnar a equiaxial, aunque los cambios en la composición del material son inevitables4,5,6. También se han propuesto técnicas de posprocesamiento, como el laminado entre pasadas7, el granallado con martillo mecánico8, el tratamiento con impacto ultrasónico9 y el granallado por choque láser10,11. Sin embargo, debido a que estas técnicas se aplican después de la solidificación de las capas, requieren más tiempo de procesamiento y podrían limitar la complejidad de las piezas de AM. La AM asistida por ultrasonido resuelve este problema entregando alta energía de ultrasonido al baño de fusión12. Sin embargo, se debe conectar un transductor de ultrasonido al fondo de la placa base para entregar de manera eficiente suficiente energía para agitar el baño de fusión. Para aplicar esta técnica de tipo contacto, se deben resolver problemas de implementación, porque es difícil garantizar efectos estables en el baño de fusión en movimiento con su trayectoria tridimensional. Recientemente, se investigó la entrega de energía ultrasónica localizada dentro del baño de fusión mediante irradiación láser de intensidad modulada para el refinamiento del grano in situ13. Como prueba de concepto, la técnica se verificó en una placa de acero inoxidable, lo que demuestra que el láser de intensidad modulada puede realizar simultáneamente la fusión de superficies y la generación de ultrasonidos. Mientras tanto, recientemente se ha propuesto una AM asistida por calentamiento por inducción síncrona para el control microestructural in situ. Sin embargo, aún queda por resolver la tarea de aplicar de forma estable la técnica a piezas de formas arbitrarias14.

En este estudio, proponemos una técnica de AM asistida por láser pulsado (PLAAM) para refinar los granos β previos de piezas de Ti-6Al-4V durante la deposición de energía dirigida por láser (DED). Se incorporó un láser pulsado de nanosegundos a un sistema DED para entregar energía pulsada alta al baño de fusión durante la mañana. Debido a que PLAAM es una técnica in situ y sin contacto que afecta la piscina de fusión, se puede aplicar a la AM de objetos complejos con tamaños y formas arbitrarias. Inspirada en la técnica de ultrasonido de contacto12 y los efectos bien establecidos del láser pulsado sobre líquidos15, la técnica propuesta aprovecha las ondas de choque inducidas por láser, la cavitación y el flujo acelerado de Marangoni dentro del baño de fusión para crear un entorno favorable para la formación de una fina estructura de grano β anterior equiaxial.

Demostramos experimentalmente que las piezas fabricadas por PLAAM tienen estructuras de grano anterior-β más finas y casi equiaxiales. Además, presentamos una explicación física de cómo la aplicación de un láser pulsado puede alterar la estructura previa de grano β de las capas depositadas.

La técnica PLAAM se ilustra en la Fig. 1. Para identificar el baño de fusión y entregar directamente la energía del láser pulsado durante la AM, el láser pulsado se enfocó en el baño de fusión utilizando un módulo focal guiado por fibra conectado a la boquilla DED. El módulo focal se fijó al marco de posicionamiento DED de modo que los focos del láser pulsado y el láser DED coincidieran durante la AM. Aunque en este estudio se adoptó una configuración fuera del eje, el láser pulsado se puede diseñar coaxialmente con el láser DED utilizando un espejo dicroico para una integración completa16.

AM asistida por láser pulsado (PLAAM). (a) Configuración fuera del eje de un sistema PLAAM. (b) El láser pulsado induce ondas de choque, cavitación y flujo de Marangoni acelerado dentro del baño de fusión, proporcionando un entorno favorable para el refinamiento del grano.

Los efectos del láser pulsado se ilustran en la Fig. 1b. La longitud de onda y la duración del pulso del láser pulsado fueron 532 nm y 10 ns, respectivamente. El tamaño focal y la densidad de potencia del pulso se seleccionaron como 2,8 × 10−3 cm2 y 0,41 GW/cm2, respectivamente, de modo que se pudieran generar ondas de choque y cavitación dentro del baño de fusión. Con la densidad de potencia dada superior al umbral de ruptura dieléctrica del titanio, 0,36 GW/cm217, se produjo un proceso de avalancha de ionización, también conocido como ruptura dieléctrica, en el charco de fusión con un sonido de ablación audible y brillantes chispas de plasma visibles. Se sabe que estos fenómenos van seguidos de la formación de plasma, la propagación de ondas de choque y la generación de cavitación15. Además, los valores de los parámetros del láser pulsado seleccionados fueron suficientes para acelerar el flujo de Marangoni dentro del baño de fusión16. Se esperaba que el cambio en la composición del material fuera insignificante porque la profundidad de la ablación con láser es del orden de la longitud de onda del láser pulsado (532 nm)15. Más adelante, en la sección "Discusión", se proporciona una explicación detallada de estos efectos del láser pulsado sobre el refinamiento de los granos β previos.

Los parámetros del proceso DED se seleccionaron para mantener una altura de capa objetivo de 250 μm durante la AM multicapa. Con los parámetros DED elegidos, la densidad de energía se calculó como 100 J/mm2, lo que puede asegurar la fracción de volumen total de poros por debajo del 0,1%18. Debido a que la potencia de entrada promedio aumentada por la excitación adicional del láser pulsado fue solo del 1,15%, una potencia de entrada adicional tan pequeña tuvo poco efecto en la selección de la potencia del láser DED. Con una velocidad de escaneo de 300 mm/min y una tasa de repetición del láser pulsado de 100 Hz, la distancia entre las dos excitaciones pulsadas consecutivas durante PLAAM fue de 50 μm. Debido a que las muestras típicas de Ti-6Al-4V AM presentan granos columnares previos-β de varios milímetros en la dirección de construcción y varios cientos de micrómetros en la dirección de escaneo2,12, los intervalos de excitación verticales (250 μm) y laterales (50 μm) dados fueron un orden de magnitud menor que el tamaño de grano β anterior. Por tanto, el láser pulsado podría alterar eficazmente la estructura del grano β anterior. Se requieren más estudios sobre la optimización de los parámetros del láser pulsado para maximizar el refinamiento del grano.

Como se muestra en las imágenes de microscopía óptica (OM) de la Fig. 2a, b, la muestra PLAAM exhibió granos previos β más finos y más equiaxiales distribuidos en toda la altura de construcción de 30 mm, en comparación con la muestra AM convencional con columnas previas grandes. granos β. Los límites del grano β anterior se trazaron manualmente para su posterior análisis utilizando el software ImageJ19. El número de granos β previos por unidad de área de la muestra PLAAM (6,91 mm-2) fue 3,78 veces mayor que el de la muestra AM convencional (1,83 mm-2), lo que significa que la muestra PLAAM tenía granos β previos más finos. Además, las longitudes y relaciones de aspecto de los granos β anteriores se presentan en histogramas para mostrar estadísticamente los cambios en la estructura del grano (ver Fig. 2c, d). Utilizando la técnica PLAAM, la longitud media de los granos β previos disminuyó de 1297 a 549,6 μm, y la relación de aspecto media disminuyó de 3,5 a 2,5. Además, la variación en el tamaño y la forma del grano β anterior fue menor con PLAAM que con AM convencional. Estos resultados indican que la muestra PLAAM exhibe granos β previos equiaxiales más finos que la muestra AM convencional.

Cambio en la estructura del grano β anterior. Imágenes OM a lo largo de la dirección de construcción de muestras convencionales AM (a) y PLAAM (b). z y x son las direcciones de construcción y transversal, respectivamente. Histogramas de la longitud (c) y la relación de aspecto (d) de los granos β anteriores observados en (a) y (b). Los histogramas superpuestos se muestran en un color más oscuro.

Para una inspección más cercana de los granos β anteriores, se realizó un análisis de difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) en las muestras, como se muestra en la Fig. 3. Los mapas de figuras de polos inversos para la fase β (Fig. 3a, c) muestran que los La muestra PLAAM tenía una estructura de grano β anterior casi equiaxial, en comparación con la muestra AM convencional con una estructura de grano β anterior columnar a lo largo de la dirección de construcción. Los mapas de figuras de polos inversos se reconstruyeron utilizando una caja de herramientas MATLAB MTEX20 de código abierto. También se calcularon figuras de polos contorneados para la fase β de las dos muestras (Fig. 3b, d) para visualizar cuantitativamente el cambio de textura con múltiplos de valores de distribución uniforme (MUD). La muestra PLAAM tuvo un MUD máximo de 7,7, que fue menos de la mitad que la muestra AM convencional (16). En comparación con una textura cristalográfica fuerte en la dirección <001> que se muestra en la muestra AM, se observa una textura débil en la muestra PLAAM. Estos resultados confirman que la muestra PLAAM tenía una estructura más isotrópica de granos β previos más finos en comparación con la muestra AM convencional.

Análisis EBSD de las muestras convencionales AM (a, b) y PLAAM (c, d). Mapas de figuras de polos inversos para la fase β a lo largo de la dirección de construcción (a, c). Figuras polares contorneadas para la fase β (b, d). z y (x,y) son la dirección de construcción y el plano transversal, respectivamente.

Los parámetros del láser pulsado se eligieron para (1) acelerar el flujo de Marangoni en el baño de fusión mediante calentamiento instantáneo y localizado en la superficie16; (2) generar ondas de choque; y (3) crear cavitaciones en el baño de fusión después de una ruptura dieléctrica15. Aquí discutimos cómo estos efectos mejoran la nucleación equiaxial en el baño de fusión. La nucleación equiaxial puede promoverse aumentando el sobreenfriamiento constitucional21. Para aumentar el sobreenfriamiento constitucional, se debe aumentar la temperatura de fusión o disminuir el gradiente térmico.

La temperatura de fusión puede aumentar mediante ondas de choque de alta presión que inciden en el baño de fusión. Con base en la ecuación de Clausius-Clapyron, la relación entre la elevación de la temperatura de fusión y el cambio de presión se puede expresar de la siguiente manera:

donde \({\textit{T}}_{{\text{m}}}\) es la temperatura de fusión (K), \({\textit{P}}\) es la presión (Pa), \( {\textit{V}}\) es el cambio de volumen al fundirse (m3), y \({\textit{H}}\) es el calor latente de fusión (J/kg). Basado en la ecuación. (1) y las propiedades del material de Ti-6Al-4V resumidas en la Tabla 1, una presión de choque de 100 MPa producida por cavitación22, por ejemplo, conduce a un aumento de la temperatura de fusión de 8,66 K. Además, con una densidad de potencia de 0,41 GW/cm2, las ondas de choque inducidas por el láser pulsado que inciden sobre el baño de fusión crean presiones de hasta 336,2 MPa según la ecuación de Lindl23,24:

donde P es la presión de choque generada (GPa), I es la densidad de potencia del láser (1015 W/cm2) y λ es la longitud de onda del láser (μm). Esta alta presión conduce a un aumento de la temperatura de fusión de 29,31 K. Este aumento en la temperatura de fusión se traduce directamente en un aumento del sobreenfriamiento constitucional25. Con un mayor sobreenfriamiento constitucional, es probable que los núcleos iniciales se activen cerca de las cavitaciones y los frentes de ondas de choque. Estos eventos pueden suprimir el crecimiento epitaxial de granos columnares por competencia. Trabajos anteriores han demostrado experimentalmente un mecanismo similar utilizando cavitaciones inducidas por ultrasonido para promover la nucleación equiaxial en soldadura25 y en AM12,21. El rendimiento de PLAAM se puede comparar con un estudio reciente26 sobre la aleación de circonio estabilizado con itria (YSZ) para AM de grano refinado de Ti-6Al-4V. Los autores demostraron que agregar 5% de YSZ a Ti-6Al-4V aumentó el sobreenfriamiento constitucional en 112 K y disminuyó la longitud promedio de los granos β previos de > 2 mm a 118 μm.

En PLAAM, los efectos del láser pulsado aumentaron aún más el sobreenfriamiento constitucional al disminuir el gradiente térmico dentro del baño de fusión. Debido a las direcciones opuestas del flujo de Marangoni y las ondas de choque inducidas por láser pulsadas, como se ilustra en la Fig. 1b, se crea un flujo turbulento vigoroso dentro del charco de fusión16. Además, las ondas de choque inducidas por la cavitación generan turbulencias esporádicas e instantáneas dentro del baño de fusión. En este entorno, los núcleos activados por un mayor sobreenfriamiento constitucional se distribuyen en el charco de fusión. Por lo tanto, el crecimiento epitaxial de grandes granos columnares de prior-β está aún más sujeto a competencia.

En resumen, hemos demostrado el refinamiento de grano in situ de piezas de Ti-6Al-4V utilizando una técnica híbrida de AM denominada PLAAM. La técnica propuesta explota un láser pulsado de alta densidad de potencia para crear un entorno favorable para el crecimiento de granos β previos equiaxiales. Debido a que la técnica es del tipo sin contacto, se puede aplicar a cualquier equipo AM existente sin ajustar la trayectoria arbitraria de la herramienta. Las evaluaciones microestructurales muestran que la muestra PLAAM tiene granos β previos más pequeños y más equiaxiales en comparación con la muestra AM convencional que tiene granos β previos columnares grandes. Además, el valor máximo de MUD de la fase β disminuyó de 16 a 7,7 cuando se utilizó la técnica PLAAM, lo que indica una textura debilitada y granos de β previos refinados. También se presenta una explicación detallada de los efectos del láser pulsado en el baño de fusión para una mayor adaptación del enfoque propuesto. Debido a que la estructura de grano β anterior equiaxial es conocida por sus propiedades isotrópicas y de alta tracción, se espera que la técnica propuesta se estudie exhaustivamente para producir piezas metálicas de AM de alta calidad.

Se incorporó un láser pulsado Nd:YAG con conmutación Q (Centurion+, Quantel) en un sistema DED láser de polvo metálico (MX-400, InssTek) equipado con un láser DED de fibra Yb de onda continua, como se ilustra en la Fig. 1a. Las distancias de trabajo del láser pulsado y del láser DED fueron de 43 mm y 9 mm, respectivamente. La potencia y el diámetro focal del láser DED, la velocidad de alimentación de polvo y el caudal de gas argón coaxial se establecieron en 100 W, 800 μm, 1 g/min y 6,0 L/min, respectivamente.

Se fabricaron paredes con dimensiones de 30 × 30 × 1,3 mm (alto × ancho × espesor) hechas de 120 capas mediante las técnicas convencionales AM y PLAAM. Para depositar las capas se utilizó polvo 23 Ti-6Al-4V (AP&C) de calidad comercial con un diámetro que oscilaba entre 45 y 150 μm. Las muestras se separaron del sustrato para la inspección de la estructura del grano posterior a la fabricación. Las muestras se pulieron y grabaron utilizando un grabador de Kroll (4 ml de HF, 6 ml de HNO3 y 90 ml de H2O). La estructura y forma de los granos β previos se examinaron mediante OM (Stemi 508, ZEISS). EBSD examinó la textura de la microestructura utilizando un detector (QUANTAX EBSD, Bruker) operado con un voltaje de aceleración de 20 kV y un tamaño de paso de 4,2 μm.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) [Número de subvención 2019R1A3B3067987]. HY contó con el apoyo de SQ Engineering durante su estancia en KAIST.

Hansol Yoon

Dirección actual: Tomocube, Daejeon, 34109, República de Corea

Gwanghyo Choi

Dirección actual: Centro de soluciones de análisis, SK Innovation, 34124, Daejeon, República de Corea

Centro Global de Investigación y Desarrollo, SQ Engineering, Seúl, 05818, República de Corea

Hansol Yoon

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), Daejeon, 34141, República de Corea

Hansol Yoon, Peipei Liu y Hoon Sohn

Centro de pruebas no destructivas de impresión 3D, KAIST, Daejeon, 34141, República de Corea

Peipei Liu y Hoon Sohn

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, KAIST, Daejeon, 34141, República de Corea

Parque Yejun, Gwanghyo Choi y Pyuck-Pa Choi

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HY, PL y HS concibieron los experimentos. HY y PL realizaron los experimentos. HY estableció el mecanismo de refinamiento del grano. YP y GC realizaron el análisis EBSD. HY, PL, YP y GC realizaron todos los análisis restantes. Higos preparados con HY. 1 y 2. HY e YP prepararon la Fig. 3. PPC supervisó todos los análisis. HS supervisó todo el proyecto. HY escribió el manuscrito con las contribuciones de todos los coautores.

Correspondencia a Hoon Sohn.

HY contó con el apoyo de SQ Engineering durante su estancia en KAIST. Los demás autores no declaran tener intereses en conflicto.

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Reimpresiones y permisos

Yoon, H., Liu, P., Park, Y. et al. Fabricación aditiva asistida por láser pulsado de Ti-6Al-4V para el refinamiento de grano in situ. Informe científico 12, 22247 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

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Recibido: 28 de junio de 2022

Aceptado: 20 de diciembre de 2022

Publicado: 23 de diciembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

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