연구 배경 적층 제조(AM) 기술의 급속한 발전, 특히 레이저 분말층 융합(LPBF) 기술의 광범위한 적용으로 인해 Inconel 718 합금은 고온, 고압 및 부식성 환경에서 우수한 성능을 발휘하므로 항공우주, 에너지 및 기타 고급 제조 분야에서 중요한 재료가 되었습니다. 그러나 레이저 분말층 융합 공정 중에 합금의 열적 거동, 용융 풀의 안정성 및 입자 성장은 최종 재료 특성에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 가공에는 전통적인 가우시안 레이저가 일반적으로 사용되지만 고르지 않은 에너지 분포로 인해 용융 풀이 불안정해지고 불규칙한 입자 성장이 발생하기 쉽습니다. 균일한 에너지 분포 특성을 지닌 플랫{5}}톱 레이저는 용융 풀 안정성과 방향성 입자 성장을 더 효과적으로 제어할 수 있습니다. 레이저 분말층 융합에 평면{7}}탑 레이저를 적용하는 연구는 Inconel 718 합금의 성능을 최적화하고 고품질 제조를 위한 이론적 기초와 기술 지원을 제공할 것으로 기대됩니다.-
연구 방법 이 연구에서는 인코넬 718 합금의 레이저 분말층 융합 중 용융 풀 거동과 입자 성장에 대한 플랫톱 레이저의 영향을 조사하기 위해 시뮬레이션과 실험을 조합하여 사용했습니다. 레이저 출력 및 스캔 속도와 같은 매개변수가 용융 풀 온도 분포, 용융 풀 형태 및 열 구배에 미치는 영향을 연구하기 위해 단일-트랙 스캐닝 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 Inconel 718의 분말층 융합을 위한 고{5}}파워 플랫{6}}레이저를 사용하여 용융 풀 형태, 입자 크기 및 재료 특성을 관찰하고 분석하는 추가 실험적 검증이 수행되었습니다. 실험 중에는 입자 성장, 재료 경도 및 인장 특성을 종합적으로 평가하기 위해 미세 구조 관찰, X-선 회절 및 기계적 특성 테스트와 같은 기술이 사용되었습니다. 연구의 의의 이 연구는 상당한 이론적, 공학적 가치를 가지고 있습니다. 플랫톱 레이저의 도입은 합금 가공 중 기존 가우시안 레이저에서 발생하는 용융 풀 불안정성 및 불규칙한 입자 성장과 같은 문제를 효과적으로 개선하여 Inconel 718의 적층 가공을 위한 새로운 기술 접근 방식을 제공합니다. 결과는 특히 고온 합금 재료 가공에서 레이저 분말층 융합 공정의 추가 최적화를 위한 중요한 참고 자료를 제공하며 폭넓은 엔지니어링 응용 가능성을 제공합니다. 또한 이 연구는 다른 고성능 재료의 적층 제조 공정 설계에 대한 지침을 제공하여 항공우주 및 기타 분야에서 적층 제조 기술의 응용을 촉진합니다. 플랫{18}}레이저와 기존 가우시안 레이저 간의 혁신 비교: 레이저 분말층 융합에서 플랫{19}}톱 레이저와 기존 가우시안 레이저의 적용을 비교함으로써 용융 풀 안정성 및 입자 성장 제어에서 플랫{20}}톱 레이저의 장점이 밝혀졌습니다. 단일 트랙 시뮬레이션과 실험의 결합: 시뮬레이션과 실험 검증의 통합은 용융 풀에서 플랫{23}}톱 레이저의 역할을 이해하기 위한 체계적인 분석 프레임워크를 제공합니다. Inconel 718 합금의 공정 최적화: 특히 재료 성능의 잠재적 개선 측면에서 Inconel 718의 적층 제조 공정에 대한 최적화 전략을 제공하여 고온-온도 합금의 고품질 생산을 촉진합니다. 파우더 베드 융합에서 플랫{30}}플랫톱 레이저 응용 탐색: 이 연구에서는 레이저 파우더 베드 융합에서 플랫{31}}레이저 응용을 처음으로 체계적으로 탐구하여 관련 기술에 대한 향후 연구에 새로운 방향을 제시했습니다.
결과 및 토론 1. 용융 풀 거동에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향 시뮬레이션과 실험 모두에서 다양한 레이저 출력 및 스캔 속도가 용융 풀의 온도 분포, 형태 및 열 구배에 미치는 영향을 조사했습니다. 결과는 높은 레이저 출력에서 용융 풀의 온도 분포가 더 균일하다는 것을 나타냅니다. 플랫{3}}톱 레이저는 용융 풀의 온도 변동을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 기존 가우시안 레이저와 비교하여 플랫{5}}톱 레이저는 보다 안정적인 열장 분포를 제공합니다. 스캐닝 속도의 변화는 용융 풀의 형태와 냉각 속도에 큰 영향을 미칩니다. 적당한 스캔 속도에서 용융 풀의 표면은 매끄러우며 냉각 과정은 상대적으로 균일하여 보다 안정적인 입자 구조를 형성하는 데 도움이 됩니다.. 2. 플랫-톱 레이저에 의한 용융 풀 안정성 향상 실험 결과에 따르면 플랫-톱 레이저를 사용할 때 용융 풀은 레이저 스캐닝 중에 과도한 열 구배로 인한 불안정성을 피하면서 레이저 스캐닝 중에 보다 안정적인 동작을 나타냅니다. 가우시안 레이저와 비교하여 플랫{12}}톱 레이저의 균일한 전력 분포는 용융 풀 형태의 변동을 효과적으로 줄이고 우수한 융합을 촉진하여 용융 풀 가장자리의 불규칙한 성장을 줄입니다. 이러한 안정성은 후속 결정립 성장과 미세 구조의 균일성에 중요하며 재료의 기계적 특성과 신뢰성을 효과적으로 향상시킵니다.. 3. 결정립 성장의 방향성 플랫탑 레이저로 Inconel 718 합금을 가공할 때 실험에서는 결정립 성장의 더 나은 방향성이 관찰되었습니다. 플랫-톱 레이저의 균일한 열장에서 입자의 장축은 레이저 스캐닝 방향을 따라 성장하여 방향성 입자 구조를 형성하는 경향이 있습니다. 이러한 방향성 성장은 재료의 기계적 특성, 특히 인장 강도와 피로 저항을 크게 향상시킵니다. 대조적으로, 가우시안 레이저를 사용하면 용융 풀 불안정성으로 인해 입자 성장에 강한 무작위성이 나타나 입자 분포가 고르지 않아 재료의 전반적인 기계적 특성에 추가로 영향을 미칩니다.. 4. 재료 특성의 최적화 미세 구조 분석 및 기계적 테스트를 통해 플랫{23}}톱 레이저로 처리된 Inconel 718 합금이 경도, 인장 강도 및 피로 성능에서 탁월한 특성을 나타내는 것으로 나타났습니다. 플랫{24}}톱 레이저는 경도가 더 높아 재료 밀도와 구조적 무결성이 더 우수함을 나타냅니다. 인장 테스트 결과에 따르면 플랫{26}}톱 레이저- 처리된 합금은 더 높은 항복 강도와 인장 강도를 가지며 파괴 모드에서는 더 균일한 응력 분포를 보여 균열 전파를 방지합니다. 피로 테스트에서 플랫{29}}탑 레이저- 처리된 샘플은 더 긴 피로 수명을 가지며 더 나은 피로 저항을 나타내므로 고성능 응용 분야에 적합합니다.. 5. 열 거동 및 냉각 공정의 영향 냉각 중에 플랫{33}}톱 레이저로 처리된 샘플은 상대적으로 균일한 열 구배와 안정적인 냉각 속도를 나타내므로 기존 가우시안 레이저에서 발생할 수 있는 열 응력과 잔류 응력을 방지할 수 있습니다. 실험 결과에 따르면 보다 균일한 냉각 공정은 재료 내부 응력의 균일한 분포를 촉진하여 과도한 열 응력으로 인한 변형 및 균열을 방지하는 것으로 나타났습니다.
6. 시뮬레이션과 실험 결과의 결합 시뮬레이션과 실험 결과 사이의 높은 일관성은 플랫{1}}톱 레이저가 용융 풀 안정성, 입자 성장 방향 및 재료 특성을 개선하는 데 상당한 이점이 있음을 나타냅니다. 시뮬레이션 결과는 이론적 기초를 제공하고 플랫{3}}톱 레이저에 의한 용융 풀 열 거동 및 입자 성장의 효과적인 제어를 검증합니다. 실험 데이터는 경도, 인장 강도 및 피로 테스트를 통해 플랫{5}}톱 레이저에 의한 재료 특성의 개선을 검증하여 이 이론을 더욱 확증합니다. 토론 및 결론 가우시안 레이저와 비교하여 플랫{7}}톱 레이저는 용융 풀 안정성과 입자 성장 방향에서 상당한 이점을 제공합니다. 균일한 전력 분배는 용융 풀 안정성을 효과적으로 향상시키고 불규칙한 용융 풀 모양 변화를 줄이며 재료의 방향성 입자 성장을 촉진합니다. 재료 특성 최적화: 플랫{10}톱 레이저는 용융 풀 거동을 개선할 뿐만 아니라 Inconel 718 합금의 기계적 특성을 크게 향상시켜 경도, 인장 강도 및 피로 저항 면에서 주목할 만한 이점을 보여줍니다. 이 연구는 레이저 분말층 융합에 플랫{13}톱 레이저를 적용하면 용융 풀 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 고성능 재료 제조를 위한 새로운 기술 경로를 제공하고 특히 항공우주, 에너지 및 기타 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 연구는 고성능 합금 재료의 적층 제조에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다.- 앞으로는 공정 매개변수가 더욱 최적화될 수 있고 고온 합금 재료에 사용하기 위해 더 많은 레이저 소스가 탐색될 수 있으며 산업 생산에서 적층 제조 기술의 광범위한 적용이 촉진될 것입니다.
