Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

Technische Samenvatting: Diode Area Melting van Ti6Al4V – Effecten van Multi-Laser Verwerking op Microstructuur en Restspanning

Probleemstelling
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is een dominante techniek voor additieve fabricage van metalen componenten, maar wordt beperkt door snelle thermische cycli die steile temperatuurgradiënten en hoge restspanningen genereren. Deze condities leiden vaak tot vervorming, scheurvorming en dimensionale instabiliteit in componenten zoals Ti6Al4V. Hoewel LPBF fijne microstructuren produceert die gunstig zijn voor de sterkte, beperkt de bijbehorende thermische geschiedenis de controle over het stollingstraject. Diode Area Melting (DAM) is naar voren gekomen als een innovatief alternatief, waarbij gebruik wordt gemaakt van arrays van laagvermogen diode-lasers (808 nm) in plaats van een enkele hoogvermogen glasvezellaser die door een galvo-systeem wordt gereflecteerd. Hoewel eerdere studies de haalbaarheid van DAM voor diverse metalen hebben aangetoond en het potentieel hebben bewezen om afkoelsnelheden te verlagen, blijft het begrip van hoe multi-laser interacties specifiek de thermische penetratie, stolling en de ontwikkeling van restspanning beïnvloeden bij Ti6Al4V beperkt.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een op maat gemaakt DAM-systeem ontwikkeld aan de Universiteit van Sheffield, bestaande uit een gantry-gebaseerde optische kop die tot 100 laagvermogen diode-lasers kan integreren. Voor dit onderzoek werden enkelvoudige laag Ti6Al4V-monsters gefabriceerd met behulp van 3, 4 en 5 uitgelijnde diode-lasers (808 nm golflengte, 5 W per laser). Het experimentele ontwerp varieerde systematisch het aantal geactiveerde lasers en de scansnelheden (100, 150, 200 en 250 mm/min), waarbij een constante hachthaafafstand van 200 µm en een poederbeddikte van 1 mm werden gehandhaafd.

De karakteriseringsmethoden omvatten:

• Oppervlakteanalyse: 3D-profilometrie om oppervlakte ruwheid ($R_a$) te meten.
• Microstructurele Analyse: Optische microscopie (OM) en Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) voor smeltpoelgeometrie; Elektronen Terugverstrooiing Diffractie (EBSD) voor korrelstructuur, fase-identificatie en $\alpha$-lath afstand; en Röntgen-diffractie (XRD) voor faseconstitutie.
• Restspanning Analyse: XRD met de $\sin^2\psi$-methode om nabij-oppervlakte restspanningen te meten in zowel de scanningsrichting ($\sigma_{xx}$) als de loodrechte richting ($\sigma_{yy}$).
• Simulatie: Computational Fluid Dynamics (CFD) met FLOW-3D™ software om afkoelsnelheden onder de specifieke procescondities te schatten.

Belangrijkste Resultaten

1. Oppervlaktemorfologie: Het DAM-proces produceerde aanzienlijk gladdere oppervlakken vergeleken met typische as-built LPBF Ti6Al4V (die vaak een $R_a$ van 10–15 µm vertoont). De configuratie met 5 lasers leverde de gladste oppervlakken op ($R_a$ = 1,2–1,3 µm), wat wordt toegeschreven aan een hogere overlapratio (ongeveer 45,9%) tussen aangrenzende smeltsporen, wat gedeeltelijke her-smelting bevorderde en balling onderdrukte. In tegenstelling hiertoe resulteerde de 3-laser configuratie in ruwere oppervlakken ($R_a$ = 5,4–6,6 µm) door lagere overlap en thermische discontinuïteiten.
2. Smeltpoel en Thermische Penetratie: Het verhogen van het aantal lasers verhoogde zowel de diepte van de smeltpoel als de diepte van de warmtebeïnvloede zone (HAZ). De 5-laser configuratie bij 100 mm/min bereikte een smeltpoeldiepte van ~108 µm en een HAZ-diepte van ~475 µm. Hogere scansnelheden verminderden de thermische penetratie, wat leidde tot ondiepere poelen en verhoogde instabiliteit.
3. Microstructuur en Fase: Het DAM-proces resulteerde in een grovere $\alpha$-lath structuur (0,8–1,3 µm) vergeleken met LPBF (typisch <0,5 µm). Deze vergroving is gekoppeld aan de aanzienlijk lagere afkoelsnelheden die in DAM worden waargenomen. Cruciaal is dat er detecteerbare $\beta$-fase retentie werd waargenomen in de 4- en 5-laser monsters, met name bij lagere scansnelheden. Dit staat in contrast met LPBF, waarbij snelle afkoeling de retentie van de $\beta$-fase doorgaans onderdrukt ten gunste van martensitische $\alpha'$. De aanwezigheid van de $\beta$-fase werd toegeschreven aan de tragere afkoelsnelheden die diffusie-gecontroleerde transformaties mogelijk maken.
4. Afkoelsnelheden: Gesimuleerde afkoelsnelheden varieerden van 2.211 K/s tot 8.400 K/s, wat aanzienlijk lager is dan de $10^4$–$10^7$ K/s die typisch zijn voor LPBF. Afkoelsnelheden namen af met een toenemend aantal lasers (door warmteaccumulatie) en namen toe met de scansnelheid.
5. Restspanning: De resterende trekspanningen in DAM-monsters waren aanzienlijk lager dan de gerapporteerde waarden voor LPBF. De maximale trekspanning die werd gemeten was 138,2 MPa (in de 3-laser, 250 mm/min conditie), vergeleken met LPBF-waarden die 688 MPa kunnen overschrijden. Spanningen namen af naarmate het aantal lasers toenam (5-laser monsters vertoonden de laagste spanning) en namen toe met de scansnelheid. De spanning-anisotropie volgde de LPBF-trends, waarbij $\sigma_{xx}$ (scanningsrichting) consistent hoger was dan $\sigma_{yy}$.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat het DAM-proces verbeterde controle biedt over het stollingstraject en de spanningsevolutie in Ti6Al4V-componenten. Door gebruik te maken van meerdere laagvermogen diode-lasers, bereikt DAM aanzienlijk lagere afkoelsnelheden, wat de vorming van grovere $\alpha$-laths faciliteert en de retentie van $\beta$-fasen bevordert, wat afwijkt van de martensitische structuren die typisch zijn voor LPBF.

De studie stelt dat deze lagere afkoelsnelheden de primaire mechanismen zijn voor de substantiële vermindering van de resterende trekspanning. De tragere thermische cycli maken spanningsrelaxatie toe via plastische deformatie bij verhoogde temperaturen, waardoor de hoge restspanningen die vaak in LPBF-onderdelen leiden tot vervorming en scheurvorming, worden gemitigeerd. Bovendien suggereert de verbeterde oppervlakteafwerking en de verminderde spanningsniveaus dat DAM het potentieel heeft om de levensduur van componenten te verlengen door de initiatie van vermoeidheidsscheuren te onderdrukken.

De auteurs hanteren een bescheiden reikwijdte, waarbij zij opmerken dat de huidige bevindingen beperkt zijn tot enkelvoudige laag-monsters waar spanningaccumulatie door inter-laag thermische cycli wordt geminimaliseerd. Zij concluderen dat hoewel het proces veelbelovend is voor betrouwbare fabricage, toekomstig werk zich moet uitstrekken tot multi-laag monsters om de cumulatieve thermische effecten in bulkproductie volledig te begrijpen.