パルスレーザー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22247 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

金属積層造形 (AM) により、複雑な部品の迅速なカスタマイズが可能になります。 しかし、これは柱状粒子構造の形成につながり、AM 部品に異方性特性を与えます。 この研究では、Ti-6Al-4V 部品のその場結晶粒微細化のためのパルスレーザー支援 AM (PLAAM) 技術を提案します。 ナノ秒パルスレーザーを溶融プールに焦点を合わせて、微細な等軸粒子の生成を促す好ましい環境を生成しました。 ＰＬＡＡＭ技術は、従来のＡＭ技術により得られる１２９７μｍの平均プレベータ粒子サイズと比較して、５４９．６μｍの平均プレベータ粒子サイズを提供した。 さらに、PLAAM 技術を使用した場合、β 相の均一分布の倍数の最大値は 16 から 7.7 に減少しました。これは、結晶組織が弱くなったことを示しています。 これらの変化は、提案された PLAAM 技術がより微細でより等軸の旧β粒子を促進することを裏付けています。 さらに、提案技術は非接触技術であるため、ツールパスを調整することなく既存のプロセスに適用できます。

金属積層造形 (AM) は、複雑な 3 次元金属構造のラピッド プロトタイピングおよび製造に広く使用されている層ごとのプロセスです1。 しかし、AM 部品の粗い柱状粒子構造には、不利な異方性の引張特性と疲労特性があるため、製造業における AM の普及が妨げられています 2,3。 典型的な AM プロセスでは、小さな溶融プール内に温度勾配が急峻に形成され、構築方向に沿って柱状粒子が強力にエピタキシャル成長します 2,3。

さまざまな金属 AM 材料の中で、Ti-6Al-4V は生物医学および航空宇宙産業での優れた適用性により、最も研究されている材料です1。 ただし、典型的な Ti-6Al-4V AM 部品は粗大な柱状の旧β結晶粒を持っているため、異方性の引張特性を示します1。 したがって、AM 部品における微細な等軸結晶粒の促進は、引張特性を改善するための重要な研究テーマとなっています3。

ＡＭ部品に等軸粒子を導入するための様々な技術が提案されている。 材料組成の変化は避けられませんが、活発な核生成を促進するために追加の粒子を導入することは、柱状から等軸への転移を促進するのに効果的であることが証明されています4、5、6。 パス間圧延 7、マシンハンマーピーニング 8、超音波衝撃処理 9、レーザーショックピーニング 10、11 などの後処理技術も提案されています。 ただし、これらの技術は層が固化した後に適用されるため、より多くの処理時間が必要となり、AM パーツの複雑さが制限される可能性があります。 超音波支援 AM は、溶融プールに高超音波エネルギーを供給することでこの問題を解決します12。 ただし、溶融プールを撹拌するのに十分なエネルギーを効率的に供給するには、超音波トランスデューサーをベース プレートの底部に取り付ける必要があります。 この接触式技術を適用するには、三次元的な軌道​​で移動する溶融池に安定した効果を与えることが難しいため、実装上の問題を解決する必要があります。 最近、強度変調レーザー照射を介して溶融プール内に局所的な超音波エネルギーを供給することにより、その場での結晶粒微細化が研究されました 13。 概念実証として、この技術がステンレス鋼プレート上で検証され、強度変調レーザーが表面溶融と超音波発生を同時に実行できることが示されました。 一方、最近、その場微細構造制御のために同期誘導加熱支援AMが提案されています。 しかし、この技術を任意形状部品に安定的に適用するという課題はまだ残っている14。

この研究では、レーザー指向エネルギー蒸着 (DED) 中に Ti-6Al-4V 部品のプリベータ粒子を微細化するためのパルスレーザー支援 AM (PLAAM) 技術を提案します。 ナノ秒パルスレーザーが DED システムに組み込まれ、AM 中に溶融プールに高パルスエネルギーを供給しました。 PLAAM は溶融プールに影響を与えるその場非接触技術であるため、任意のサイズと形状の複雑な物体の AM に適用できます。 提案された技術は、接触型超音波技術 12 と液体に対する確立されたパルスレーザー効果 15 に触発されており、レーザー誘起衝撃波、キャビテーション、および溶融プール内の加速されたマランゴニ流を利用して、微細粒子の形成に好ましい環境を作り出します。等軸の旧β粒子構造。