Лазерный мир

Р.Д. Сейдгазов, Ф.Х. Мирзаде // Электронно-лучевая сварка и смежные технологии, НИУ «МЭИ», 12-15.11.2019 Опубликовано в: В сборнике: Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. Материалы Третьей международной конференции. Под редакцией В. К.Драгунова. 2020. С. 371-386.

Аннотация. Режим глубокого проплавления при селективном лазерном плавлении металлического порошкового слоя определяется особым и интенсивным гидродинамическим процессом в тонком расплавленном слое при быстром нагреве металла сфокусированным лучом. Такой режим широко применяется также при лазерной и электроннолучевой сварке. Это указывает на подобие гидродинамических процессов в этих технологиях, которые значительно отличаются параметрами применяемого излучения (мощность, плотность мощности, диаметр пятна фокусировки).

Исследованы пороговые условия термокапиллярного глубокого проплавления (без участия испарения) для различных металлов (Al, Cu, Fe, Ti) в широком диапазоне изменений параметров луча, включая использующиеся для селективного лазерного плавления порошкового слоя. Представлено сравнение расчетных и экспериментальных значений параметров излучения, соответствующих переходу в режим глубокого проплавления для селективного лазерного плавления порошкового слоя и лазерной сварки. Корреляция этих значений подтверждает термокапиллярный механизм формирования глубокой каверны и подобие гидродинамических процессов при сварке металлов лазерным лучом и лазерном селективном плавлении металлического порошкового слоя. Сформулировано условие порогового перехода в режим глубокого проплавления прилипанием вязкого слоя к твердой границе. Выполнение этого условия подтвержается сближением оценочных значений толщины вязкого слоя и глубины расплавленного слоя при переходе в режим глубокого проплавления.

1. Введение

Технология аддитивного производства селективного лазерного послойного плавления металлического порошка (SLM – Selective laser melting) применяется для 3D-печати металлом изделий сложной конфигурации с CAD-моделированием технологического процесса. SLM технология позволяет создавать точные металлические детали узлов и агрегатов с помощью мощных лазеров. Во многих случаях она успешно заменяет традиционные методы производства.

В SLM технологии сканирующий лазерный луч выполняет последовательное плавление слоев металлического порошка толщиной 20-100 мкм в рабочей камере, заполненной инертным газом.

Плавление слоев может происходить в режиме глубокого проплавления, когда глубина проплавления L превышает ширину расплавленной зоны D (L >D). Такой режим широко применяется при лазерной или электроннолучевой сварке металлов большой толщины. Отличие заключается в значительной разнице характерных масштабов и значений параметров процессов, протекающих при SLM и сварке. Если в SLM технологии применяется фокусировка лазерного луча в пятно размером ~ 50 мкм, то характерным диаметром пятна фокусировки лазерного луча при сварке можно считать ~ 200 ÷ 500 мкм и даже больше Такие же отличия имеет и глубина проплавления. При лазерной и электронно-лучевой сварке глубина сварочного шва изменяется в пределах L ~ 1 ÷ 100 мм, а глубина проплавления при SLM технологии сопоставима с толщиной слоя порошка ~ 0,1 мм.

Качество продукции, создаваемой по технологии SLM, во многом связано с гидродинамическими явлениями при лазерном плавлении, которые особенно интенсивно происходят в режиме глубокого проникновения. Это определяет большой интерес к таким явлениям в SLM [1-6].

Переход от теплопроводностного режима с малой характерной глубиной плавления (L < D) в режим глубокого проплавления (L > D) сопровождается резким увеличение глубины кратера L и проникновением луча вглубь материала после достижения пороговых значений плотности мощности.

Часто предполагается, что причиной порогового увеличения глубины проникновения является резкое повышение давления паров под воздействием высокомощного сфокусированного излучения, которое дополняется захватом излучения каверной с увеличением эффективного поглощения каверной за счет многократных переотражений луча внутри каверны [7,8,9]. Это предположение широко используется на протяжении около полувека (начиная с первых теоретических рассмотрений [10- 12,28]) в моделировании процесса глубокого проплавления применительно к лучевым технологиям плавления металла, хотя до сих пор не имеет необходимых подтверждений экспериментальными данными. Поэтому испарительный механизм эффекта глубокого проплавления под действием высокого давления паров отражает скорее сложившуюся традицию, чем научно обоснованным фактом. Для широкого круга специалистов испарительно-гидродинамический механизм течения расплава, вызывающий образование полости, воспринимается неопровержимым, достоверно установленным и даже очевидным фактом. Но такой механизм формирования каверны позволяет

создавать численные модели глубокого проплавления при воздействии лазерного или электронного луча, которые с приемлемой точностью воспроизводят только тепловые процессы и форму зоны проплавления, что достаточно для некоторых применений.

Эффект глубокого проплавления уже в течение половины столетия принято объяснять вытеснением расплава из зоны облучения реактивным давлением паров (испарительно-гидродинамическая гипотеза). Поэтому широкому кругу специалистов испарительно-гидродинамический механизм возникновения течения расплава представляется неоспоримым, надежно установленным и даже очевидным фактом. На основе такого механизма формирования каверны создаются численные модели глубокого проплавления при воздействии лазерного или электронного луча, которые удовлетворительно воспроизводят тепловые процессы и форму зоны проплавления.

Однако, при расчетах гидродинамических процессов специалисты отмечают трудности, связанные с адекватным пониманием действующих гидродинамических механизмов [13,14]. Такие трудности возникают при детальном воспроизведении в расчетах явления глубокого проникновения, в прогнозировании дефектов гидродинамического образования природы (поры, корневые дефекты, затруднения, поднутрения, перфорации, разбрызгивания и т. д.).

Точность прогнозов на основе испарительно-гидродинамической гипотезы имеет недопустимо низкую точность, не позволяющую решать практические задачи. Прогнозные значения скорости испарения, полученные с помощью уравнения Ленгмюра, оказываются на порядок (!) больше результатов измерений [15]. Существуют другие критические несоответствия этой гипотезы с эмпирическими данными [16,17], которые указывают на пренебрежимо слабое испарение. Отметим также, что представления испарительно-гидродинамической гипотезы не позволили получить точные значения пороговых параметров излучения для перехода в режим глубокого проплавления.

Причину этих проблем иногда связывают с несовершенством существующих знаний о процессе испарения [15]. Также предпринимаются попытки найти решение с помощью учета большого числа физических явлений.

С другой стороны, есть серьезные сомнения в правомерности применения испарительно-гидродинамической гипотезы при лучевых методах плавления металлов, поскольку она не имеет прямых доказательств экспериментальными методами [18,19,29], в том числе доказательств причинно-следственной связи между возрастанием испарения и ростом глубины проплавления.

Поэтому важно обратить внимание на экспериментальные и теоретические данные, указывающие на образование глубоких полостей
под действием термокапиллярных сил [17,18,20,21,30]. В этом случае переход в режим глубокого проплавления связывается с перестройка гидродинамической структуры термокапиллярного потока при достижении пороговых значений излучения.

В данной работе представлен детальный анализ пороговых условий глубокого проникновения на основе термокапиллярного механизма. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных пороговых параметров излучения для перехода глубокого проникновения. Рассмотрены результаты для ряда металлов (Al, Cu, Fe, Ti) в широком диапазоне изменения пороговых параметров, который охватывает технологии SLM и лазерной и электронно-лучевой сварки.

2. Cкорость термокапиллярного потока и толщина вязкого слоя в условиях глубокого проплавления

Переход от теплопроводностного режима плавления (L < D) к режиму глубокого проплавления (L > D) связан с различной эволюцией расплавленного слоя при допороговых и надпороговых условиях лазерного плавления.

Температура поверхности металла возрастает после включения луча и через время tПЛ достигает точки плавления ТПЛ. Тонкий расплавленный слой, появившийся в зоне облучения, быстро увеличивается в размерах.

Вследствие зависимости поверхностного натяжения от температуры σ(T) на поверхности тонкого расплавленного слоя образуется градиент поверхностного натяжения ∂σ/∂T и термокапиллярное усилие ∂σ/∂T×∂T/∂r, которое направлено касательно к поверхности в сторону уменьшения поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение максимально при температуре плавления ТПЛ и стремится к нулю при критических условиях. Поэтому в общем случае ∂σ/∂T имеет отрицательный знак (∂σ/∂T < 0) , а термокапиллярное усилие направлено от центра к периферии пятна. Некоторое исключение из этого правила возможно только в небольшом (в пределах 100-200 градусов) температурном диапазоне выше ТПЛ, где влияние примесей и загрязняющих веществ может сказаться. В этом малом диапазоне ∂σ/∂T может иметь положительный знак (∂σ/∂T > 0), а направление термокапиллярной силы может быть направлено от периферии пятна к его центру. Однако, эффект глубокого проплавления характеризуется температурами расплава, близкими к температуре кипения ТКИП , при которых загрязнения и примеси не оказывают влияния на гидродинамику расплава .

4. Заключение

Мы рассмотрели гидродинамические аспекты режима глубокого проплавления на основе термокапиллярного механизма удаления расплава из зоны облучения. Проанализировали гидродинамические характеристики течения расплава при характерных параметрах излучения (d = 50 мкм), используемого для аддитивного производства методом селективного лазерного плавления порошкового слоя. С помощью термокапиллярной модели глубокого проплавления оценены скорости гидродинамического потока расплавленного железа (VX ~ 10 ÷ 20 м/с), ожидаемые при селективном лазерном плавлении порошкового слоя (при d = 50 мкм). Обоснованность прогноза подтверждается хорошей корреляцией расчетных и эмпирических значений скорости потока VX для глубокого проплавления железа лазерным лучом при d = 900 мкм.

Представлен анализ условия порогового перехода в режим глубокого проплавления для термокапиллярного гидродинамического механизма удаления расплава. Выполнен расчет пороговых условий перехода в режим глубокого проплавления для различных металлов (Al, Cu, Fe, Ti) и в широком диапазоне параметров излучения, который охватывает условия селективного лазерного плавления порошкового слоя и сварки. Полученные звисимости сравниваются с экспериментальными данными, включая результаты проведенного анализа опубликованных экспериментов по селективному лазерному плавлению порошкового слоя Ti-6Al-4V. Отмечается, что зависимость пороговых условий от диаметра пятна фокусировки соответствует термокапиллярному механизму глубокого проплавления.

Корреляция расчетных и эмпирических данных дает основание для вывода о подобии термокапиллярных гидродинамических процессов в режиме глубокого проплавления, происходящих при селективном лазерном плавлении порошкового слоя и при сварке.

Сформулировано условие термокапиллярного порогового перехода в режим глубокого проплавления как необходимость прилипания вязкого слоя к твердой границе плавления, которое свойственно быстрому нагреву. Выполнение этого условия в режиме глубокого проплавления подтверждается проверкой соизмеримости толщины вязкого слоя и глубины расплавленного слоя вблизи пороговых условий.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части «изучение термокапиллярного глубокого проплавления при лазерной сварке» и РФФИ (проект No.16-29-11743 ofi_m) в части «исследование пороговых условий режима глубокого проплавления при СЛП на основе термокапиллярного механизма».

Полное содержание на https://elibrary.ru/item.asp?selid=42869507&id=42433023