01
Papir introduktion
Directed Energy Deposition (DED)-også kendt som laserbeklædning-er en additiv fremstillingsteknik, der bruger en høj-effektlaser kombineret med et koaksialt pulvertilførselssystem til at fremstille metalkomponenter lag for lag. I modsætning til traditionelle støbe- og bearbejdningsprocesser kan de mekaniske egenskaber af de aflejrede lag i DED variere betydeligt på grund af de kontinuerlige fluktuationer af behandlingsparametre-såsom laghøjde, scanningshastighed og lasereffekt-under fremstillingsprocessen. På trods af de talrige fremskridt, der er opnået inden for DED-teknologi, er forskning i *in-situ* vurdering af mekaniske egenskaber-såsom Youngs modul og Poissons forhold-under behandling fortsat sparsom; dette gør *in{10}}situ* overvågning og kvalitetssikring særligt kritisk.
02
**Studieoversigt**
Denne undersøgelse udvikler en ikke--kontakt-in--teknik til vurdering af de mekaniske egenskaber af materialer, der behandles via metoden Directed Energy Deposition (DED). Denne innovative teknik integrerer femtosekund laser ultralyd med laserpolering for at muliggøre en fuldstændig ikke-kontakt og ikke-destruktiv evaluering af Youngs modul og Poissons forhold. Ved at bruge femtosekund lasergenererede-ultralydsbølger i frekvensområdet GHz til THz opnår systemet sub-mikron rumlig opløsning og letter derved høj-kvalitet, lag-for-lagsevaluering. For at løse udfordringen med at detektere ultralydssignaler midt i den overfladeruhed, der er forbundet med aflejrede lag, brugte forskerholdet in-situ laserpolering-i stedet for traditionel mekanisk polering-, hvilket markant forbedrede detekterbarheden af ultralydsbølgerne. Test udført under forskellige DED-behandlingsbetingelser viste, at de mekaniske egenskaber vurderet ved denne teknik udviser en høj grad af overensstemmelse med resultaterne opnået fra uafhængige træktest udført efter fremstillingsprocessen var afsluttet.
03
**Illustreret analyse**
Figur 1 viser en skematisk oversigt over den overordnede arbejdsgang for den in-situ mekaniske egenskabsvurderingsteknik i DED-processen. Det illustrerer tydeligt kerneproceduren -startende fra substratet-, som sekventielt fuldender estimeringen af det aflejrede lags Youngs modul og Poissons forhold gennem fire forskellige trin: Trin 1 bruger DED-laseren til at udføre DED-processen, smelter og aflejrer et metallag på ca. μm; Trin 2 gen-formåler en poleringslaser (som kan være den samme enhed som DED-laseren) til at udføre laserpolering; gennem omsmeltning skaber denne proces et glat omsmeltet lag på overfladen af det aflejrede materiale, hvilket reducerer den aritmetiske middelruhed til ca. 0,3 μm; Trin 3 anvender en femtosekundlaser til at excitere og måle ultralydsbølger inden for GHz-THz-frekvensområdet inden for det størknede område efter polering; Trin 4 estimerer Youngs modul og Poissons forhold baseret på de målte ultralydssignaler i forbindelse med stress{12}}belastningsforhold. Diagrammet indeholder også tilsvarende annotationer, der fremhæver det vigtigste laserudstyr og overflademorfologiske ændringer, der er forbundet med hvert trin, og giver derved en visuel demonstration af teknikkens fuldstændigt ikke-{14}}kontakt- og ikke-{15}destruktive egenskaber på tværs af hele dens "afsætning-polering-detektion-estimering"-workflow.
Figur 2 præsenterer en omfattende sammenlignende analyse, der undersøger virkningen af laserpolering på overfladeruheden af DED-metallag. Bestående af tre underfigurer-(a), (b) og (c)- udføres analysen på tværs af tre dimensioner: kvantitative parametre, makroskopisk morfologi og mikroskopisk topografi med et centralt fokus på det optimale sæt af poleringsparametre identificeret for prøve I-11. Underfigur (a) viser en kvantitativ tabel over overfladeruhedsværdier, der svarer til 16 forskellige poleringsparameterkombinationer, der spænder over poleringseffekter på 200-350 W og poleringshastigheder på 13-21 mm/s. Denne tabel angiver de faktiske Ra-værdier målt efter polering af 16 enkeltlagsspor på prøve I, hvilket tydeligt identificerer 300 W + 18 mm/s kombinationen som det optimale parametersæt (I-11, Ra=0.31 μm); desuden fremhæver den problemer forbundet med andre parameterområder-specifikt, højere ruhedsværdier som følge af kombinationer af lav-effekt, høj-hastighed og tendensen til kombinationer med høj-effekt og lav-hastighed til at inducere overfladebølger på grund af pulverfordampning. Underfigur (b) viser en nærbillede makroskopisk sammenligning af prøve I-11 før og efter polering med de optimale parametre, der visuelt viser en signifikant forbedring i overfladens fladhed og ensartethed efter poleringsprocessen. Underfigur (c) giver en sammenlignende visning af optiske mikroskopbilleder (i en konsekvent skala på 40 μm), der viser prøve I-11 efter optimal polering (venstre) versus dens upolerede tilstand (højre); den upolerede overflade er karakteriseret ved en overflod af usammensmeltede pulverpartikler, betydelige ujævnheder og et mørkere udseende som følge af lysspredning, hvorimod den polerede overflade er praktisk talt fri for usmeltet pulver, fremstår flad og glat og udviser ensartet lysreflektion. I sidste ende reducerede dette optimale parametersæt overfladeruheden fra en startværdi på 4,2 μm til 0,31 μm - en forbedringsrate på 93 %. Gennem denne trepartssammenligning, der omfatter kvantitative data, makroskopisk morfologi og mikroskopisk topografi, validerer figuren effektivt effektiviteten af laserpolering til at reducere overfladeruheden af DED-metallag, mens den samtidig etablerer de optimale procesparametre for laserpolering.
