L'efficienza della finitura a tamburo come post finale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4602 (2023) Citare questo articolo

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È stato sviluppato un post-trattamento ibrido che combina la finitura a burattatura come fase finale dopo la pallinatura e il trattamento termico per alleviare gli effetti negativi dei difetti interni e superficiali sulle prestazioni a fatica dei campioni AlSi10Mg di fusione del letto di polvere laser. Gli effetti di ciascun post-trattamento sono stati studiati individualmente e sinergicamente su microstruttura, morfologia superficiale e ruvidità, durezza, tensioni residue, porosità e comportamento a fatica da flessione rotante dei campioni AlSi10Mg con intaglio a V. I risultati rivelano che la finitura a burattatura può ridurre notevolmente la rugosità superficiale del 28 e 32% rispetto allo stato grezzo e trattato termicamente, inducendo allo stesso tempo un ulteriore indurimento dello strato superficiale e tensioni residue di compressione. Il post-trattamento ibrido di trattamento termico + pallinatura + burattatura ha aumentato significativamente la vita a fatica dei campioni di oltre 500 volte superiore rispetto alla serie as-built.

La fusione laser a letto di polvere del metallo (PBF-LB/M), una popolare tecnologia di produzione additiva (AM), ha attirato notevole attenzione per la produzione di parti con geometrie complesse1,2,3. Tuttavia, è noto che i materiali PBF-LB presentano molteplici difetti interni e superficiali dovuti ai complessi fenomeni termofisici durante il processo di fusione e solidificazione strato per strato4,5,6. I materiali as-built sono caratterizzati da microstrutture disomogenee7, diversi tipi di porosità formate da gas intrappolati, mancanza di fusione ed effetti keyhole8,9,10, tensioni residue di trazione11,12 e irregolarità superficiali13. Le principali fonti di imperfezioni superficiali sono legate alla formazione di polvere non fusa e parzialmente fusa, spruzzi e difetti di pallinatura14,15,16. Queste imperfezioni influiscono potenzialmente sulle prestazioni dei materiali PBF-LB, ad esempio usura, graffi, resistenza alla corrosione e comportamento alla fatica17,18,19. Tipicamente, i difetti superficiali agiscono come zone di concentrazione locale delle tensioni, che causano la nucleazione precoce delle cricche e, quindi, la frattura per fatica2,20,21,22. Pertanto, sono stati suggeriti vari metodi di post-elaborazione per superare questi problemi e affrontare le sfide associate alle proprietà meccaniche dei materiali PBF-LB23.

Quando si tratta di metodi di post-elaborazione, il trattamento termico (HT) viene comunemente utilizzato per modulare alcuni dei difetti interni dei materiali PBF-LB. L'HT può essere progettato per omogeneizzare la microstruttura per rimuovere l'anisotropia e rilasciare le tensioni residue. Inoltre, è stato riportato che la duttilità e l'allungamento dei materiali PBF-LB possono essere migliorati con HT adeguati24,25, garantendo un migliore comportamento a fatica26,27.

Considerando i post-trattamenti per modulare le imperfezioni superficiali senza rimozione di materiale, trattamenti superficiali basati sulla pallinatura come pallinatura (SP)28,29,30, pallinatura a ultrasuoni (UP)31, pallinatura per cavitazione (CP)32,33, pallinatura vibrante severa ( SVP)34 e la pallinatura laser shock (LSP)35,36,37 possono rimuovere notevolmente le irregolarità superficiali e omogeneizzare la morfologia superficiale dei materiali as-built. Inoltre, molti dei post-trattamenti sopra menzionati possono indurre un notevole affinamento della grana dello strato superficiale ed elevate tensioni residue di compressione, che contribuiscono a un ulteriore miglioramento del comportamento a fatica38,39,40,41,42. Ad esempio, applicando gravi deformazioni plastiche superficiali mediante processo SP con intensità Almen di 10 A [0,001 pollici] e copertura del 100% utilizzando materiali in acciaio, la rugosità superficiale dei campioni PBF-LB AlSi10Mg è diminuita da 9 a 4,5 µm in termini di Ra30. L'effetto combinato della ridotta morfologia superficiale, dell'indurimento superficiale e delle massime tensioni residue di compressione fino a −155 MPa rispetto allo stato as-built con sollecitazioni di trazione di 70 MPa ha portato a un notevole aumento della resistenza alla fatica da 36 MPa in condizioni as-built a 176 MPa dopo il trattamento SP. In un altro studio, l'applicazione di UP con una frequenza di 17 kHz, una potenza di 1000 W e un'ampiezza di 80 µm su PBF-LB AlSi10Mg ha comportato una notevole riduzione della porosità e un indurimento superficiale e ha anche indotto un'elevata sollecitazione residua di compressione superficiale rispetto alla trazione iniziale stress portando ad un notevole miglioramento della resistenza alla corrosione31. L'applicazione di LSP con energia del raggio laser di 4,5 J, densità di energia laser di 9 GW/cm2 e sovrapposizione degli impulsi del 50% su campioni PBF-LB AlSi10Mg con intaglio a V ha rivelato una notevole chiusura dei pori fino alla profondità di 380 µm rispetto all'analisi condizione costruita. La ruvidità superficiale iniziale in termini di Ra nell'area della radice dell'intaglio è stata ridotta da 4,34 µm a 3,98 µm dopo l'applicazione di LSP. Inoltre, da una sollecitazione iniziale compresa tra −11 e −178 MPa sono stati indotti un indurimento superficiale del 25% e una sollecitazione residua superficiale di compressione, il tutto migliorando la durata a fatica fino a circa 200 volte superiore rispetto allo stato as-built37.