Исследование послойного лазерного плавления порошка никелевых сплавов

Внедрение: 2018 г.

В работе [1] представлены результаты оптической диагностики физических процессов, происходящих на поверхности расплава порошка никелевого сплава в технологии селективного лазерного плавления (СЛП). Проведена независимая регистрация доли отраженного лазерного излучения и теплового излучения. Это позволило различить изменения рельефа поверхности и подповерхностные процессы тепломассопереноса при лазерном нагреве. Показано, что особенности динамики сигналов, полученных методом оптической диагностики, позволяют идентифицировать моменты интенсификации конвективного движения расплава. Результаты исследования могут быть использованы при разработке методов и средств мониторинга и оперативного контроля процесса СЛП никелевых сплавов.

На рисунке 1 приведена схема экспериментальной установки СЛП с оптической системой диагностики (ОСД). В эксперименте по технологии СЛП использовался иттербиевый волоконный лазер ЛК-400В (1) с длиной волны 1,07 мкм и выходной мощностью до 400 Вт. Лазерный луч в процессе прямолинейного движения нагревал локальный участок порошкового слоя, при этом проводился мониторинг процесса с использованием ОСД.

В ОСД для формирования и передачи изображения к фотосенсорам были использованы пирометрическая линза (6) и заграждающий фильтр (7) на длине волны лазера, чтобы ослабить проникновение лазерного излучения, отраженного от частиц порошка. Перевернутое действительное изображение нагретой области формируется линзой (6) на поверхности оптического сенсора (8), в который вмонтированы торцы оптоволокон (g1, g2, ..., g6) (9).

В ОСД имеется шесть каналов; свет в каждом канале освещает отдельный сенсор, который состоит из двух типов фотодиодов, установленных на одной оптической оси и имеющих чувствительность в разных спектральных диапазонах. Окна чувствительности с учетом использованных оптических фильтров лежат в диапазонах (1,7 …2,2) мкм фотодиода первого типа и (0,95... 1,4) мкм фотодиода второго типа. Ток каждого из 12 фотодиодов усиливается отдельным предусилителем (10) и передается в систему сбора данных – два универсальных модуля АЦП LTR11 в составе крейта LTR-EU-8.
 

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – лазер; 2 – оптическая головка; 3 – лазерное излучение; 4 – порошковый слой; 5 – подложка; 6 – пирометрическая линза; 7 – оптический фильтр; 8 – сенсор; 9 – оптоволоконный кабель; 10 – блок предусилителей.

На рисунке 2 приведен пример осциллограммы выходных сигналов одного сенсора.

Рисунок 2. Осциллограмма выходных сигналов сенсора: линия – ток фотодиода 1-го типа, пунктир – ток фотодиода 2-го типа. Параметры: ширина дорожки d=0,35 мм; значение удельного объемного энерговклада J=140 Дж/мм³; скорость сканирования v=15 мм/с.

На рисунке 3 приведены результаты цифровой обработки осциллограмм выходных сигналов сенсора в различных испытаниях. 

Рисунок 3. Временное изменение яркостной температуры Т* (темная линия) и тока фотодиода второго типа I* в процессе формирования дорожки плавления: а) d=0,23 мм; J=160 Дж/мм³; v=30 мм/с; б) d=0,35 мм; J=105 Дж/мм³; v=30 мм/с.

Рисунок 4. Зависимость усредненной за время наблюдения температуры от удельного объемного энерговклада: 1 d₁=0,23 мм; d₂=0,35 мм.

Была проведена независимая регистрация динамики яркостной температуры и доли лазерного излучения, отраженного от поверхности расплава. Получены зависимости усредненной за время наблюдения температуры поверхности расплава от удельного объемного энерговклада для двух значений ширины формируемой дорожки. Результаты исследования могут быть использованы при разработке методов и средств мониторинга и оперативного контроля процесса СЛП.

Работа выполнена в рамках научного проекта № 18-29-03249 Российского фонда фундаментальных исследований в части постановки задачи и полученных результатов, а также при поддержке Федерального агентства научных организаций (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части разработанных методов оптической диагностики.

Источник:
Завалов Ю.Н., Дубров А.В., Линник Е.П., Дубров В.Д. Использование оптических методов для диагностики процессов консолидации порошка никелевых сплавов в технологии послойного лазерного плавления // Перспективные жаропрочные никелевые деформируемые сплавы и технологии их переработки: материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Изд-во: ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, М. – 2018. – С. 112-122.

Разработчик: Завалов Ю.Н., Дубров А.В., Линник Е.П., Дубров В.Д (ИПЛИТ РАН – филиал ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, г. Шатура, РФ)