Laser pulsé

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22247 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive métallique (FA) permet une personnalisation rapide de pièces complexes. Cependant, cela conduit à la formation de structures de grains colonnaires qui confèrent aux pièces AM des propriétés anisotropes. Dans cette étude, nous proposons une technique de FA assistée par laser pulsé (PLAAM) pour le raffinement in situ des grains de pièces en Ti-6Al-4V. Un laser pulsé nanoseconde a été focalisé sur un bain de fusion pour générer un environnement favorable à la promotion de grains fins équiaxés. La technique PLAAM a fourni une taille moyenne de grain a priori-β de 549,6 μm, comparée à celle de 1 297 μm fournie par la technique AM conventionnelle. De plus, la valeur maximale des multiples de distribution uniforme de la phase β a diminué de 16 à 7,7 lors de l'utilisation de la technique PLAAM, ce qui indique une texture cristallographique affaiblie. Ces changements confirment que la technique PLAAM proposée favorise des grains a priori plus fins et plus équiaxés. De plus, comme la technique proposée est une technique sans contact, elle peut être appliquée aux processus existants sans ajuster les trajectoires d'outils.

La fabrication additive métallique (FA) est un procédé couche par couche largement utilisé pour le prototypage et la fabrication rapides de structures métalliques tridimensionnelles complexes1. Cependant, les propriétés anisotropes désavantageuses de traction et de fatigue des structures à gros grains colonnaires des pièces de fabrication additive empêchent l’utilisation généralisée de la fabrication additive dans l’industrie manufacturière2,3. Dans les processus de fabrication additive typiques, des gradients thermiques se forment fortement à l'intérieur de petits bassins de fusion, conduisant à une forte croissance épitaxiale de grains en colonne le long de la direction de construction2,3.

Parmi les différents matériaux métalliques de fabrication additive, le Ti-6Al-4V est le matériau le plus étudié en raison de son excellente applicabilité dans les industries biomédicale et aérospatiale1. Cependant, étant donné que les pièces typiques de Ti-6Al-4V AM ont des grains colonnaires grossiers de prior-β, elles présentent des propriétés de traction anisotropes1. Par conséquent, la promotion de grains fins équiaxés dans les pièces AM est devenue un sujet de recherche important pour améliorer leurs propriétés en traction3.

Diverses techniques ont été proposées pour introduire des grains équiaxes dans les pièces AM. L’introduction de particules supplémentaires pour faciliter la nucléation active s’est avérée efficace pour favoriser la transition de colonne à équiaxe, bien que des changements dans la composition du matériau soient inévitables4,5,6. Des techniques de post-traitement, telles que le laminage entre passes7, le martelage mécanique8, le traitement par impact ultrasonique9 et le martelage par choc laser10,11, ont également été proposées. Cependant, comme ces techniques sont appliquées après la solidification des couches, elles nécessitent plus de temps de traitement et peuvent limiter la complexité des pièces FA. La fabrication additive assistée par ultrasons résout ce problème en fournissant une énergie ultrasonore élevée au bain de fusion12. Cependant, un transducteur à ultrasons doit être fixé au bas de la plaque de base pour fournir efficacement suffisamment d'énergie pour agiter le bain de fusion. Pour appliquer cette technique de type contact, des problèmes de mise en œuvre doivent être résolus, car il est difficile d'assurer des effets stables sur le bain de fusion en mouvement avec sa trajectoire tridimensionnelle. Récemment, la fourniture d’une énergie ultrasonore localisée à l’intérieur du bain de fusion via une irradiation laser à intensité modulée a été étudiée pour le raffinement des grains in situ13. À titre de preuve de concept, la technique a été vérifiée sur une plaque en acier inoxydable, démontrant que le laser à intensité modulée peut simultanément effectuer une fusion de surface et une génération d'ultrasons. Parallèlement, une fabrication additive synchrone assistée par chauffage par induction a été récemment proposée pour le contrôle microstructural in situ. Cependant, la tâche consistant à appliquer de manière stable la technique à des pièces de forme arbitraire demeure14.

Dans cette étude, nous proposons une technique de FA assistée par laser pulsé (PLAAM) pour affiner les grains a priori-β des pièces en Ti-6Al-4V lors du dépôt d'énergie dirigé par laser (DED). Un laser pulsé nanoseconde a été incorporé dans un système DED pour fournir une énergie pulsée élevée au bain de fusion pendant la fabrication additive. Le PLAAM étant une technique in situ et sans contact qui affecte le bain de fusion, il peut être appliqué à la fabrication additive d'objets complexes de tailles et de formes arbitraires. Inspirée de la technique des ultrasons de contact12 et des effets bien établis du laser pulsé sur les liquides15, la technique proposée exploite les ondes de choc induites par le laser, la cavitation et l'écoulement accéléré de Marangoni à l'intérieur du bain de fusion pour créer un environnement favorable à la formation d'une fine couche de matière. structure de grain a priori-β équiaxée.