ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ФОРМУВАННЯ ДЕФЕКТУ KEY HOLE В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИГОТОВЛЕННЯ ЗА LPBF-ТЕХНОЛОГІЄЮ
DOI:
https://doi.org/10.34185/1991-7848.2025.01.02Ключові слова:
адитивне виробництво, пористість, дефект «Key Hole», режим плавлення, ванна розплаву.Анотація
У процесі LPBF формування деталі відбувається через локальне плавлення порошку лазером, що створює ванну розплаву. Її стабільність визначає якість поверхні. Одним з критичних дефектів процесу LPBF є пористість, оскільки вона погіршує втомну міцність та надійність конструкцій. У роботі досліджено вплив параметрів лазерного плавлення порошкового матеріалу 316L на морфологію розплавленої ванни та утворення пористості, зокрема дефектів типу «Key Hole». Матеріалом для досліджень слугували дослідні зразки, що виготовленні з нержавіючої сталі аустенітного класу 316L з хімічним складом в % по масі: Cr=17,79; Ni=12,63; Mo=2,35; Mn=0,78; Si=0,64; С=0,016, з розміром частинок: 45±15 μm. Експериментальні дослідження виконувалися на установці з одномодовим волоконним ітербієвим лазером з профілем енергії Flet-top, який характеризується рівномірним розподілом енергії за перерізом променя лазеру. Параметри процесу включали змінну потужність лазера (80–270 Вт), швидкість сканування (200–1050 мм/с) і діаметр лазерного променя (75–175 мкм). Проаналізовано 808 треків, із яких у 46 випадках зафіксовано пористість цього типу. Встановлено, що вона не виникає при швидкості сканування понад 600 мм/с, а збільшення щільності енергії сприяє її утворенню. Встановлено, що зменшення кількості дефектів зі збільшенням потужності лазера пов’язано з покращенням плинності розплаву та його здатністю ефективніше поглинати енергію випромінювання. За таких умов газові включення встигають вийти на поверхню до моменту закриття «Key Hole», що знижує ймовірність утворення пористості. Експериментальні дослідження показали, що порогове значення наближається до 0,8, проте воно не є фіксованим і залежить від інших параметрів процесу сканування, таких як потужність лазера, швидкість переміщення променю та фізико-хімічні властивості матеріалу.
Посилання
Miner, J., Ngo, A., Gobert, C., Reddy, T., Lewandowski, J., Rollett, A., Beuth, J., & Narra, S. (2024). Impact of melt pool geometry variability on lack-of-fusion porosity and fatigue life in Powder Bed Fusion - Laser Beam Ti-6Al-4V. Additive Manufacturing, 95, 104506. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104506
Gordon, J., Narra, S., Cunningham, R., Liu, H., Chen, H., Suter, R., Beuth, J., Rollett, A. (2020). Defect structure process maps for laser powder bed fusion additive manufacturing. Additive Manufacturing, 36, 101552. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101552
Wang, J.-C., Zhu, R., Liu, Y.-J., & Zhang, L.-C. (2023). Understanding melt pool characteristics in laser powder bed fusion: An overview of single and multi-track melt pools for process optimization. Advanced Powder Materials, 2, 100137. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100137
Yang, A., Zhao, Z., & Zhang, X. (2025). A bidirectional prediction framework for melt pool size and process parameters in LPBF. Engineering Research Express, 7, 015549. DOI: https://doi.org/10.1088/2631-8695/adb0a2
Wang, T., Wang, Y., Chen, C., & Zhu, H. (2021). Relationships between the characteristics of porosity, melt pool and process parameters in laser powder bed fusion Al-Zn alloy. Journal of Manufacturing Processes, 68, 1236-1244. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.027
Naderi, M., Weaver, J., Deisenroth, D., Iyyer, N., & McCauley, R. (2023). On the fidelity of the scaling laws for melt pool depth analysis during laser powder bed fusion. Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 12, P. 11-26. DOI: https://doi.org/10.1007/s40192-022-00289-w
Metelkova, J., Kinds, Y., Kempen, K., de Formanoir, C., Witvrouw, A., & Hooreweder, B. (2018). On the influence of laser defocusing in Selective Laser Melting of 316L. Additive Manufacturing, 23, 161-169. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.08.006
Bergmüller, S., Gerhold, L., Fuchs, L., Kaserer, L., & Leichtfried, G. (2023). Systematic approach to process parameter optimization for laser powder bed fusion of low-alloy steel based on melting modes. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 126, 4385-4398. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-023-11377-2
Cunningham, R., Parab, N., Kantzos, C., Pauza, J., Fezzaa, K., Sun, T., & Rollett, A. (2019). Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging. Science, 363, 849-852. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aav4687
Agrawal, A., Rankouhi, B., & Thoma, D. (2022). Predictive process mapping for laser powder bed fusion: A review of existing analytical solutions. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 26, 101024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cossms.2022.101024
Johnson, G., Dolde, M., Zaugg, J., Quintana, M.J., & Collins, P. (2024). Monitoring, modeling, and statistical analysis in metal additive manufacturing: A review. Materials, 17, 5872. DOI: https://doi.org/10.3390/ma17235872
Galbusera, F., Caprio, L., Previtali, B., & Demir, A.G. (2023). The influence of novel beam shapes on melt pool shape and mechanical properties of LPBF produced Al-alloy. Journal of Manufacturing Processes, 85, 1024-1036. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.12.007
Kasperovich, G., Haubrich, J., Gussone, J., & Requena, G. (2016). Correlation between porosity and processing parameters in TiAl6V4 produced by selective laser melting. Materials & Design, 105, P. 160-170. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.05.070
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Сучасні Проблеми Металургії
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
