Kiểm soát quá trình đông đặc trong in 3D kim loại DED-AM

Kiểm soát quá trình đông đặc trong sản xuất bồi đắp kim loại (DED-AM)

Giới thiệu chung Sản xuất bồi đắp năng lượng trực tiếp (Direct Energy Deposition - DED-AM) là một công nghệ phức tạp, kết hợp đồng thời các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy chất lỏng, đông đặc và biến đổi pha. Việc lựa chọn thông số quy trình không phù hợp có thể dẫn đến các lỗi như biến dạng nhiệt, nứt vỡ và độ nhám bề mặt cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa các đặc tính của laser, bột kim loại và cấu trúc vi mô của sản phẩm cuối cùng.

Phương pháp nghiên cứu đột phá Điểm khác biệt của nghiên cứu này là việc tích hợp sự tương tác giữa hạt bột và tia laser vào mô hình nguồn nhiệt di động. Các bước thực hiện bao gồm:

• Mô phỏng động học hạt: Sử dụng phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng quá trình bay của hạt bột từ vòi phun đến chất nền.
• Tương tác Laser-Hạt: Tia laser được biểu diễn dưới dạng sóng điện từ. Sự tương tác này được tính toán dựa trên các phương trình Maxwell để xác định mức năng lượng tiêu thụ và độ tăng nhiệt độ của hạt bột.
• Mô hình nhiệt cải tiến: Một hệ số giảm năng lượng được đưa vào mô hình nguồn nhiệt elip kép (double-ellipsoidal) để mô phỏng chính xác sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình DED-AM.
• Kết hợp mô hình trường pha (Phase-field): Dữ liệu nhiệt độ thu được được kết hợp với mô hình trường pha để mô phỏng sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình đông đặc

Kết quả nổi bật Nghiên cứu đã chỉ ra những ảnh hưởng trực tiếp của các thông số vận hành đến cấu trúc hạt của vật liệu (cụ thể là hợp kim Ti-6Al-4V):

• Công suất Laser: Khi công suất laser tăng, các hạt đẳng trục (equiaxed grains) gần bề mặt bên của mẫu trở nên mịn hơn do gradient nhiệt độ trong vùng này tăng lên.
• Tốc độ quét: Khi tốc độ quét giảm, lượng hạt đẳng trục tăng lên do gradient nhiệt độ tăng trong quá trình đông đặc.

• Hạt cột (Columnar grains): Các hạt hình cột hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tốc độ quét, điều này cũng đã được xác nhận qua các thực nghiệm thực tế.

Ý nghĩa ứng dụng Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa đặc tính bột/laser và quá trình nhiệt giúp tối ưu hóa các thông số quy trình DED-AM. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để kiểm soát cấu trúc vi mô, từ đó cải thiện chất lượng và tính chất cơ lý của các sản phẩm in 3D kim loại trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, y tế và hàng hải.

Nguồn: Computational Materials Science 182 (2020) 109788.