Численное и экспериментальное исследования тепловых процессов при выращивании тонкостенных деталей методом коаксиального лазерного плавления металла из нержавеющей стали 316L

Коаксиальное лазерное плавление — метод изготовления металлических деталей, относящийся к процессам аддитивного производства. Детали получают путем расплавления частиц порошка, достигающих зоны нанесения, слой за слоем с помощью лазерного луча. При выращивании тонкостенных структур возникает необходимость управления параметрами коаксиального лазерного плавления для сохранения тепловой обстановки в зоне наплавки. Экспериментальные исследования взаимосвязи теплового распределения и выходной структуры требуют больших затрат времени и имеют низкую достоверность результата, что связано со сложностью регистрации температурных полей при изменении формы и размеров исследуемого образца в процессе выращивания. По этой причине в последнее время активно развивается моделирование процессов аддитивной технологии. Предложена модель расчета теплового цикла, максимальной температуры и объема ванны расплава в процессе коаксиального лазерного плавления тонкой стенки из порошка нержавеющей стали 316L. На основании результатов расчета установлена взаимосвязь размеров сварочной ванны и распределения теплоты с числом слоев наплавленного металла.

Литература

[1] Гладуш Г.Г., Смуров И.Ю. Физические основы лазерной обработки материалов. Москва, Физматлит, 2017. 592 с.

[2] Григорьянц А.Г., ред. Лазерные аддитивные технологии в машиностроении. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 278 с.

[3] Shojarazavi R. Additive construction with direct laser deposition. Tehran, Malek-Ashtar University of Technology, 2019. 272 p.

[4] Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. Laser Cladding Laser Cladding, vol. 11, London, CRC Press LLC, no. 2, 2005. 221 p.

[5] Volpp J., Prasad H.S., Riede M., et al. Powder particle attachment mechanisms onto liquid material. Procedia CIRP, 2018, vol. 74, pp. 140–143, doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.064

[6] Saboori A., Aversa A., Bosio F., et al. An investigation on the effect of powder recycling on the microstructure and mechanical properties of AISI 316L produced by Directed Energy Deposition. Mater. Sci. Eng. A, 2019, vol. 766, art. 138360, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138360

[7] Schoinochoritis B., Chantzis D., Salonitis K. Simulation of metallic powder bed additive manufacturing processes with the finite element method: a critical review. Proc. Inst. Mech. Eng. B., 2017, vol. 231, no. 1, pp. 96–117, doi: https://doi.org/10.1177/0954405414567522

[8] Adhitan R.K., Raghavan N. Transient thermo-mechanical modeling of stress evolution and re-melt volume fraction in electron beam additive manufacturing process. Procedia Manuf., 2017, vol. 11, pp. 571–583, doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.151

[9] Shi Q., Gu D., Xia M., et al. Effects of laser processing parameters on thermal behavior and melting/solidification mechanism during selective laser melting of TiC/Inconel 718 composites. Opt. Laser Technol., 2016, vol. 84, pp. 9–22, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.04.009

[10] Liu Y., Zhang J., Pang Z. Numerical and experimental investigation into the subsequent thermal cycling during selective laser melting of multi-layer 316L stainless steel. Opt. Laser Technol., 2018, vol. 98, pp. 23–32, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.07.034

[11] Pant P., Chatterjee D., Samanta S.K., et al. A bottom-up approach to experimentally investigate the deposition of austenitic stainless steel in laser direct metal deposition system. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2020, vol. 42, no. 2, art. 88. doi: https://doi.org/10.1007/s40430-019-2166-0

[12] Baykasoglu C., Akyildiz O., Candemir D., et al. Predicting microstructure evolution during directed energy deposition additive manufacturing of Ti-6Al-4V. J. Manuf. Sci. Eng., 2018, vol. 140, no. 5, art. 051003, doi: https://doi.org/10.1115/1.4038894

[13] Jayanath S., Achuthan A. A computationally efficient finite element framework to simulate additive manufacturing processes. J. Manuf. Sci. Eng., 2018, vol. 140, no. 4, art 041009, doi: https://doi.org/10.1115/1.4039092

[14] Ning J., Sievers D.E., Garmestani H., et al. Analytical modeling of in-process temperature in powder bed additive manufacturing considering laser power absorption, latent heat, scanning strategy, and powder packing. Materials, 2019, vol. 12, no. 5, art. 808, doi: https://doi.org/10.3390/MA12050808

[15] Kostin V.A., Grygorenko G.M. Simulation of the additive process of forming 3d products from hsla steel 09G2S Excerpt from the Proceedings of the 2017 COMSOL Conference in Rotterdam. 2017. 13 p.

[16] Zhan M.J., Sun G.F., Wang Z.D., et al. Numerical and experimental investigation on laser metal deposition as repair technology for 316L stainless steel. Opt. Laser Technol., 2019, vol. 118, pp. 84–92, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.05.011

[17] Foroozmehr A., Badrossamay M., Foroozmehr E., et al. Finite element simulation of selective laser melting process considering optical penetration depth of laser in powder bed. Mater. Des., 2016, vol. 89, pp. 255–263, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.10.002

[18] Ding L., Sun Z., Liang Z., et al. Investigation on Ti-6Al-4V microstructure evolution in selective laser melting. Metals, 2019, vol. 9, no. 12, art. 2170, doi: https://doi.org/10.3390/met9121270

[19] Zhang C., Chen F., Huang Z., et al. Additive manufacturing of functionally graded materials: a review. Mater. Sci. Eng. A, 2019, vol. 764, art. 138209, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138209