01
Pappersintroduktion
Directed Energy Deposition (DED)-även känd som laserbeklädnad-är en additiv tillverkningsteknik som använder en hög-laser i kombination med ett koaxiellt pulvermatningssystem för att tillverka metallkomponenter lager för lager. Till skillnad från traditionella gjutnings- och bearbetningsprocesser kan de mekaniska egenskaperna hos de avsatta skikten i DED variera avsevärt på grund av de kontinuerliga fluktuationerna av bearbetningsparametrar-som skikthöjd, skanningshastighet och laserkraft-under tillverkningsprocessen. Trots de många framsteg som uppnåtts inom DED-teknik är forskning om *in-situ* bedömning av mekaniska egenskaper-som Youngs modul och Poissons ratio-under bearbetning fortfarande knapp; detta gör *in{10}}situ* övervakning och kvalitetssäkring särskilt kritisk.
02
**Studieöversikt**
Den här studien utvecklar en -kontakt-in--teknik för att bedöma de mekaniska egenskaperna hos material som bearbetas med metoden Directed Energy Deposition (DED). Denna innovativa teknik integrerar femtosekundlaserultraljud med laserpolering för att möjliggöra en fullständigt icke-kontakt och icke-förstörande utvärdering av Youngs modul och Poissons förhållande. Genom att använda femtosekundlasergenererade-ultraljudsvågor i frekvensområdet GHz till THz, uppnår systemet sub-mikron rumslig upplösning, vilket underlättar hög-kvalitet, lager-utvärdering av-lager. För att ta itu med utmaningen att detektera ultraljudssignaler mitt i ytjämnheten som är inneboende i avsatta lager, använde forskarteamet in-laserpolering på plats-snarare än traditionell mekanisk polering-vilket avsevärt förbättrade detekterbarheten av ultraljudsvågorna. Tester utförda under olika DED-bearbetningsförhållanden visade att de mekaniska egenskaperna som utvärderades med denna teknik uppvisar en hög grad av överensstämmelse med resultaten som erhållits från oberoende dragprover som utförts efter att tillverkningsprocessen var avslutad.
03
**Illustrerad analys**
Figur 1 visar en schematisk översikt över det övergripande arbetsflödet för den mekaniska egenskapsbedömningstekniken på plats inom DED-processen. Den illustrerar tydligt kärnproceduren-som börjar från substratet-som sekventiellt fullbordar uppskattningen av det deponerade lagrets Youngs modul och Poissons förhållande genom fyra distinkta steg: Steg 1 använder DED-lasern för att utföra DED-processen, smälter och avsätter ett tjockt metallskikt av ED1 och bildar ett grovt skikt av metall 0 μm; Steg 2 åter-syftar en poleringslaser (som kan vara samma enhet som DED-lasern) för att utföra laserpolering; genom omsmältning skapar denna process ett jämnt omsmält lager på ytan av det avsatta materialet, vilket minskar den aritmetiska medelråheten till cirka 0,3 μm; Steg 3 använder en femtosekundlaser för att excitera och mäta ultraljudsvågor inom frekvensområdet GHz–THz inom det stelnade området efter polering; Steg 4 uppskattar Youngs modul och Poissons förhållande baserat på de uppmätta ultraljudssignalerna, i samband med stress{12}}töjningsförhållanden. Diagrammet innehåller också motsvarande anteckningar som framhäver nyckellaserutrustningen och ytmorfologiska förändringar som är förknippade med varje steg, och ger därigenom en visuell demonstration av teknikens helt icke-kontakt- och icke{15}}förstörande egenskaper över hela arbetsflödet "avsättning–polering–detektering–uppskattning".
Figur 2 visar en omfattande jämförande analys som undersöker effekten av laserpolering på ytråheten hos DED-metallskikt. Bestående av tre underfigurer-(a), (b) och (c)-genomförs analysen över tre dimensioner: kvantitativa parametrar, makroskopisk morfologi och mikroskopisk topografi, med ett centralt fokus på den optimala uppsättningen av poleringsparametrar som identifierats för prov I-11. Underfigur (a) visar en kvantitativ tabell över ytjämnhetsvärden som motsvarar 16 distinkta poleringsparameterkombinationer, spänner över poleringseffekter på 200–350 W och poleringshastigheter på 13–21 mm/s. Den här tabellen kommenterar de faktiska Ra-värdena som uppmätts efter polering av 16 enkel-spår på prov I, vilket tydligt identifierar 300 W + 18 mm/s-kombinationen som den optimala parameteruppsättningen (I-11, Ra=0.31 μm); dessutom lyfter den fram problem som är associerade med andra parameterintervall-specifikt, högre ojämnhetsvärden till följd av kombinationer av låg-effekt, hög-hastighet och tendensen för kombinationer av hög-effekt och låg-hastighet att inducera ytvågighet på grund av pulveravdunstning. Underfigur (b) presenterar en makroskopisk närbildsjämförelse av prov I-11 före och efter polering med de optimala parametrarna, vilket visuellt visar en signifikant förbättring av ytans planhet och enhetlighet efter poleringsprocessen. Underfigur (c) ger en jämförande bild av optiska mikroskopbilder (i en konsekvent skala av 40 μm) som visar prov I-11 efter optimal polering (vänster) kontra dess opolerade tillstånd (höger); den opolerade ytan kännetecknas av ett överflöd av osmälta pulverpartiklar, betydande ojämnheter och ett mörkare utseende till följd av ljusspridning, medan den polerade ytan är praktiskt taget fri från oförmält pulver, verkar platt och slät och uppvisar jämn ljusreflektion. I slutändan reducerade denna optimala parameteruppsättning ytjämnheten från ett initialt värde på 4,2 μm till 0,31 μm - en förbättringsgrad på 93 %. Genom denna trepartsjämförelse som omfattar kvantitativa data, makroskopisk morfologi och mikroskopisk topografi, validerar figuren effektivt effektiviteten av laserpolering för att minska ytråheten hos DED-metallskikt samtidigt som de optimala processparametrarna för laserpolering fastställs.
