[논문 리뷰] The influence of divergent laser beams on the laser powder bed fusion of a high reflectivity aluminium alloy

Sagar Patel, Haoxiu Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 64인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고반사성 AlSi10Mg의 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)에서 도전 모드 융해를 안정화하기 위해 산란 레이저 빔을 사용하는 것을 제안한다. 이로 인해 표면 하부 기포가 거의 없는 밀도 99.98% 이상을 달성하였다. 이 방법은 전이 모드 및 키홀 모드를 피함으로써 융해 풀 불안정성을 억제하며, 도전 모드에서 전이 모드로의 전환에 대한 임계 비율 기준은 약 0.4이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고반사성 알루미늄 합금인 AlSi10Mg의 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)에서 융해 풀 불안정성 문제를 해결한다.
• 기존 LPBF에서 결함과 가공성 열악함을 유발하는 AlSi10Mg의 높은 반사율과 열전도도를 극복한다.
• 전이 모드 및 키홀 모드를 피하기 위해 산란 레이저 빔을 사용하여 도전 모드 융해를 안정화시킨다.
• 융해 풀의 비율(깊이/너비)을 기반으로 도전 모드와 전이 모드 사이의 임계 조건을 정량화한다.
• 피로 수명 향상을 위해 표면 하부 기포를 최소화한다.

제안 방법

• 레이저 빔의 직경을 증가시키고 에너지 밀도를 감소시켜 안정적인 도전 모드 융해를 유도하기 위해 산란 레이저 빔을 사용한다.
• 레이저 출력과 스캔 속도를 기반으로 도전 모드, 전이 모드, 키홀 모드 간의 전이를 맵핑하기 위해 공정도를 활용한다.
• 최종 부품의 미세구조 및 기포를 평가하기 위해 금속학적 분석을 수행한다.
• 특히 표면 하부 영역의 기포를 정량화하고 국소화하기 위해 X선 컴퓨터 단층 촬영(XCT)을 적용한다.
• 융해 풀의 비율(깊이/너비)을 측정하여 도전 모드와 전이 모드 간의 임계 기준을 식별한다.
• 다양한 융해 모드에서 융해 풀 깊이의 표준편차를 분석하여 공정 안정성과 흡수율 변동성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlSi10Mg의 LPBF에서 도전 모드와 전이 모드를 구분하는 데 필요한 융해 풀의 임계 비율은 무엇인가?
• RQ2 산란 레이저 빔의 사용은 AlSi10Mg의 기포 형성과 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고반사성 알루미늄 합금에서 도전 모드, 전이 모드, 키홀 모드 간의 융해 풀 깊이 변동성은 어떻게 다를까?
• RQ4 AlSi10Mg의 LPBF 중 키홀 모드로의 전이가 레이저 흡수율과 공정 불안정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 산란 빔을 사용한 도전 모드 LPBF는 AlSi10Mg 부품에서 이론 밀도에 근접한 밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 산란 빔을 사용한 도전 모드 LPBF는 AlSi10Mg 부품의 밀도가 99.98%를 초과하여 이론 밀도에 근접하고 기포가 극히 적음을 나타낸다.
• 도전 모드와 전이 모드 간의 전환 임계점은 융해 풀의 비율이 약 0.4일 때 발생하며, 기존의 0.5라는 가정을 도전한다.
• 전이 모드 및 키홀 모드에서는 도전 모드에 비해 융해 풀 깊이의 표준편차가 뚜렷이 높게 관측되어 불안정성이 더 크다는 것을 시사한다.
• 전이 모드 및 키홀 모드에서 증가한 표준편차는 증기화 시작으로 인한 더 높고 변동성이 큰 레이저 흡수율 때문임이 밝혀졌다.
• 피로 수명 저하의 주요 원인인 표면 하부 기포는 도전 모드 조건에서 거의 완전히 제거되었다.
• 산란 빔 전략은 안정적인 도전 모드 융해를 유지함으로써 키홀 형성과 관련된 결함을 효과적으로 억제한다.