펄스 레이저

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22247(2022) 이 기사 인용

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금속 적층 가공(AM)을 통해 복잡한 부품을 신속하게 맞춤화할 수 있습니다. 그러나 이는 AM 부품에 이방성 특성을 부여하는 기둥형 입자 구조의 형성으로 이어집니다. 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 부품의 현장 결정립 미세화를 위한 펄스 레이저 보조 AM(PLAAM) 기술을 제안합니다. 나노초 펄스 레이저는 미세한 등축 입자의 촉진에 유리한 환경을 생성하기 위해 용융 풀에 집중되었습니다. PLAAM 기술은 기존 AM 기술이 제공하는 1297μm와 비교하여 549.6μm의 평균 이전 β 입자 크기를 제공했습니다. 더욱이, PLAAM 기술을 사용할 때 β상의 균일 분포 배수의 최대값은 약화된 결정학적 조직을 나타내는 16에서 7.7로 감소했습니다. 이러한 변화는 제안된 PLAAM 기술이 더 미세하고 등축화된 이전 β 입자를 촉진한다는 것을 확인시켜 줍니다. 또한, 제안하는 기법은 비접촉 기법이기 때문에 공구 경로 조정 없이 기존 공정에 적용할 수 있다.

금속 적층 제조(AM)는 복잡한 3차원 금속 구조1의 신속한 프로토타이핑 및 제조를 위해 널리 사용되는 층별 공정입니다. 그러나 AM 부품의 거친 기둥형 입자 구조의 불리한 이방성 인장 및 피로 특성으로 인해 제조 산업에서 AM의 광범위한 사용이 방해됩니다2,3. 일반적인 AM 공정에서는 작은 용융 풀 내부에 열 구배가 가파르게 형성되어 빌드 방향을 따라 기둥형 입자의 강한 에피택셜 성장이 발생합니다2,3.

다양한 금속 AM 소재 중에서 Ti-6Al-4V는 생체의학 및 항공우주 산업1에서의 적용성이 뛰어나 가장 많이 연구되는 소재입니다. 그러나 일반적인 Ti-6Al-4V AM 부품은 거친 원주형 사전 β 입자를 갖기 때문에 이방성 인장 특성1을 나타냅니다. 따라서 AM 부품의 미세한 등축 결정립의 촉진은 인장 특성을 향상시키기 위한 중요한 연구 주제가 되었습니다3.

AM 부품에 등축 결정립을 도입하기 위한 다양한 기술이 제안되었습니다. 활성 핵 생성을 돕기 위해 추가 입자를 도입하는 것은 원주에서 등축으로의 전이를 촉진하는 데 효과적인 것으로 입증되었지만 재료 구성의 변화는 불가피합니다4,5,6. 패스 간 압연7, 기계 해머 피닝8, 초음파 충격 처리9 및 레이저 충격 피닝10,11과 같은 후처리 기술도 제안되었습니다. 그러나 이러한 기술은 레이어를 굳힌 후에 적용하기 때문에 처리 시간이 더 많이 필요하고 AM 부품의 복잡성을 제한할 수 있습니다. 초음파를 이용한 AM은 용융 풀12에 높은 초음파 에너지를 전달하여 이 문제를 해결합니다. 그러나 용융 풀을 교반하기에 충분한 에너지를 효율적으로 전달하려면 베이스 플레이트 바닥에 초음파 변환기를 부착해야 합니다. 이러한 접촉식 기술을 적용하려면 3차원 궤적으로 이동하는 용융 풀에 안정적인 효과를 보장하기 어렵기 때문에 구현 문제를 해결해야 합니다. 최근 강도 변조 레이저 조사를 통해 용융 풀 내부에 국부적인 초음파 에너지를 전달하는 것이 현장 결정립 미세화를 위해 조사되었습니다. 개념 증명으로 이 기술은 스테인리스 스틸 플레이트에서 검증되어 강도 변조 레이저가 표면 용융과 초음파 생성을 동시에 수행할 수 있음을 보여줍니다. 한편, 최근 현장 미세 구조 제어를 위해 동기식 유도 가열 보조 AM이 제안되었습니다. 그러나 임의 형상 부품에 대한 기술을 안정적으로 적용하는 과제는 남아 있습니다14.

본 연구에서는 레이저 지향 에너지 증착(DED) 중에 Ti-6Al-4V 부품의 사전 베타 입자를 미세화하기 위한 펄스 레이저 보조 AM(PLAAM) 기술을 제안합니다. AM 동안 용융 풀에 높은 펄스 에너지를 전달하기 위해 나노초 펄스 레이저가 DED 시스템에 통합되었습니다. PLAAM은 용융 풀에 영향을 미치는 현장 및 비접촉 기술이기 때문에 임의의 크기와 모양을 가진 복잡한 물체의 AM에 적용할 수 있습니다. 접촉식 초음파 기술12과 액체에 대한 잘 정립된 펄스 레이저 효과15에서 영감을 받은 제안된 기술은 레이저 유도 충격파, 캐비테이션 및 용융 풀 내부의 가속된 마랑고니 흐름을 활용하여 미세 입자 형성에 유리한 환경을 조성합니다. 등축 사전-β 입자 구조.