[論文レビュー] The influence of divergent laser beams on the laser powder bed fusion of a high reflectivity aluminium alloy

Sagar Patel, Haoxiu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高反射性AlSi10Mgのレーザー粉末床積層造形（LPBF）における伝導モード溶融の安定化に発散レーザービームを用いることを提案し、表面下の空孔がほぼゼロに近い状態で99.98％以上の密度を達成した。このアプローチは遷移モードおよびキーホールモードを回避することで溶融プールの不安定性を抑えるもので、伝導モードから遷移モードへの遷移の臨界的側面比閾値は約0.4である。

ABSTRACT

The laser powder bed fusion (LPBF) of aluminium alloys is associated with numerous challenges when compared to other commonly used alloys (e.g., steels and titanium alloys) due to their higher reflectivity and thermal conductivity. This leads to a higher defect density in the final parts, commonly related to melt pool instabilities in the transition and keyhole melting modes. In this work, a laser beam defocusing strategy using a divergent beam is proposed to achieve a stable conduction mode microstructure in AlSi10Mg, a eutectic Al composition that is most studied in LPBF. The effects of conduction, transition, and keyhole melting modes on the final part are studied in detail using processing diagrams, metallography, and X-ray computed tomography. The conduction mode LPBF of AlSi10Mg leads to parts with densities of over 99.98%, with close to no porous defects in the subsurface regions, which are known to directly affect the fatigue life of the final parts. The threshold between conduction and transition mode melt pools is also observed to be at a melt pool aspect ratio (ratio of melt pool depth to width) of about 0.4, which differs from the conventionally assumed 0.5. Additionally, a significant difference is observed in the standard deviation of the melt pool depths for the transition and keyhole mode melt pools, when compared to the conduction mode melt pools. This points to the large differences in laser absorptivity between melting modes, that are exaggerated by the onset of vaporization expected for transition and keyhole mode melting during LPBF of high reflectivity aluminium alloys.

研究の動機と目的

• 高反射性アルミニウム合金（AlSi10Mgなど）のレーザー粉末床積層造形（LPBF）における溶融プールの不安定性という課題に対処すること。
• AlSi10Mgの高い反射率および熱伝導率が、従来のLPBFにおいて欠陥を引き起こし、プロセス性を低下させることを克服すること。
• 発散レーザービームを用いて遷移モードおよびキーホールモードを回避することで、伝導モード溶融を安定化させること。
• 溶融プールの側面比（深さ/幅）を用いて、伝導モードと遷移モードの間の閾値を定量化すること。
• 表面下の空孔を最小限に抑えて、LPBFで製造されたAlSi10Mg部品の疲労寿命を向上させること。

提案手法

• ビーム径を拡大し、パワー密度を低下させることで、安定した伝導モード溶融を促進するため、発散レーザービームを用いる。
• レーザー出力とスキャン速度に基づいて、伝導モード、遷移モード、キーホールモードの間の遷移をマッピングするためのプロセス図を用いる。
• 最終部品の微細組織および空孔状態を評価するため、金属組織解析を実施する。
• 特に表面下領域の空孔を定量的・局所的に評価するため、X線コンputedトモグラフィ（XCT）を適用する。
• 伝導モードと遷移モードの間の臨界閾値を特定するため、溶融プールの側面比（深さ/幅）を測定する。
• 異なる溶融モードにおける溶融プール深さの標準偏差を分析し、プロセスの安定性および吸収率のばらつきを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlSi10MgのLPBFにおける伝導モードと遷移モードを区別するための臨界的溶融プール側面比は何か？
• RQ2 発散レーザービームの使用は、LPBFで製造されたAlSi10Mgにおける空孔形成および微細組織にどのように影響を与えるか？
• RQ3 高反射性アルミニウム合金における溶融プール深さのばらつきは、伝導モード、遷移モード、キーホールモードの間でどのように異なるか？
• RQ4 LPBF中のAlSi10Mgにおいて、キーホールモードへの遷移が、レーザー吸収率およびプロセスの不安定性をどの程度増大させるか？
• RQ5 発散ビームを用いた伝導モードLPBFは、AlSi10Mg部品において理論的密度にほぼ達するか？

主な発見

• 発散ビームを用いた伝導モードLPBFにより、AlSi10Mg部品の密度が99.98％を超えた。これは理論的密度にほぼ達し、空孔が極めて少ないことを示している。
• 伝導モードと遷移モードの間の境界は、溶融プールの側面比が約0.4のときであることが判明し、従来の0.5という仮定に疑問を呈するものである。
• 遷移モードおよびキーホールモードでは、伝導モードと比較して溶融プール深さの標準偏差が顕著に高かった。これは、より高い不安定性を示している。
• 遷移モードおよびキーホールモードにおける標準偏差の増加は、蒸発の開始に伴い、より高くかつばらつきのあるレーザー吸収率に起因するとされる。
• 疲労寿命の低下要因となる表面下の空孔は、伝導モード条件下でほぼ完全に除去された。
• 発散ビーム戦略により、安定した伝導モード溶融を維持することで、キーホールの形成および関連する欠陥が効果的に抑制された。