The effect of laser surfacing modes on the geometrical characteristics of the single laser tracks

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Laser surfacing is one of the leading trends in the field of additive technologies, which consists in layer-by-layer build of material using a laser as an energy source. To obtain a high-quality product, it is necessary to select the optimal building parameters correctly. The problem is that such optimization is necessary for all equipment, since minor differences in its characteristics can make significant changes in the parameters of layer-by-layer build. In order to determine the optimal build mode, it is enough to analyze the effect of various equipment parameters on the characteristics of single tracks. Therefore, the purpose of this work is to determine the most important parameters of laser radiation that affect the surfacing process and the optimal mode for building a single track of chromium-nickel steel. The work investigated single tracks obtained by laser surfacing of powder from austenitic chromium-nickel steel AISI 316L. The optimization factors included such characteristics as laser power, beam speed, flow rate of supplied powder and laser spot size. The wavelength of laser radiation was 1.07 μm. Research methods. To determine the quality and geometric dimensions of single tracks, the macrostructure of cross sections of specimens was studied using metallography and scanning electron microscopy methods. Results and discussion. It is established that the optimal mode for growing single tracks of steel AISI 316L is characterized by a laser radiation power of 1,250 W and a scanning speed of 25 mm/s. In this case, the optimal powder consumption rate is 12 g/min, and the laser spot size is 4.1 mm. The work shows that the powder consumption and laser spot size have the greatest influence on the coefficient of effective use of powder material. By changing it, the surfacing performance can be increased by 10–15 %.

About the authors

S. V. Dolgova

Email: svetlanadolgova99@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3918-273X
Novosibirsk semiconductor device plant Vostok, 60 Dachnaya st., Novosibirsk, 630082, Russian Federation, svetlanadolgova99@gmail.com

A. G. Malikov

Email: smalik707@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1268-8546
D.Sc. (Engineering), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, smalik707@yandex.ru

A. A. Golyshev

Email: alexgol@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4243-0602
Ph.D. (Physics and Mathematics), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, alexgol@itam.nsc.ru

A. A. Nikulina

Email: _aelita27@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9249-2273
D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, _aelita27@mail.ru

References

  1. Gadagi B., Lekurwale R. A review on advances in 3D metal printing // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 45. – P. 277–283. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.10.436.
  2. Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and applications / D. Svetlizky, M. Das, B. Zheng, A.L. Vyatskikh, S. Bose, A. Bandyopadhyay, J.M. Schoenung, E.J. Lavernia, N. Eliaz // Materials Today. – 2021. – Vol. 49. – P. 271–295. – doi: 10.1016/j.mattod.2021.03.020.
  3. Hardened austenite steel with columnar sub-grain structure formed by laser melting / K. Saeidi, X. Gao, Y. Zhong, Z.J. Shen // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 625. – P. 221–229. – doi: 10.1016/j.msea.2014.12.018.
  4. L stainless steel mechanical and tribological behavior – A comparison between selective laser melting, hot pressing and conventional casting / F. Bartolomeu, M. Buciumeanu, E. Pinto, N. Alves, O. Carvalho, F.S. Silva, G. Miranda // Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 16. – P. 81–89. – doi: 10.1016/j.addma.2017.05.007.
  5. Analysis of the process parameter influence in laser cladding of 316L stainless steel / P. Alvarez, M.Á. Montealegre, J.F. Pulido-Jiménez, J.I. Arrizubieta // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2018. – Vol. 2 (3). – P. 55. – doi: 10.3390/jmmp2030055.
  6. Pinkerton A.J. Lasers in additive manufacturing // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 78. – P. 25–32. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.09.025.
  7. Goodarzi D.M., Pekkarinen J., Salminen A. Analysis of laser cladding process parameter influence on the clad bead geometry // Welding in the World. – 2017. – Vol. 61 (5). – P. 883–891. – doi: 10.1007/s40194-017-0495-0.
  8. Dutta B. Directed Energy Deposition (DED) Technology // Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys. – 2022. – Vol. 3. – P. 66–84. – doi: 10.1016/B978-0-12-819726-4.00035-1.
  9. Parametric study of development of Inconel-steel functionally graded materials by laser direct metal deposition / K. Shah, Izhar ul Haq, A. Khan, S.A. Shah, M. Khan, A.J. Pinkerton // Materials & Design. – 2014. – Vol. 54. – P. 531–538. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.08.079.
  10. Functionally graded material of 304L stainless steel and Inconel 625 fabricated by directed energy deposition: Characterization and thermodynamic modeling / B.E. Carroll, R.A. Otis, J.P. Borgonia, J. Suh, R.P. Dillon, A.A. Shapiro, D.C. Hofmann, Z.-K. Liu, A.M. Beese // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 108. – P. 46–54. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.02.019.
  11. Laser rapid manufacturing of stainless steel 316L/Inconel718 functionally graded materials: microstructure evolution and mechanical properties / D. Wu, X. Liang, Q. Li, L. Jiang // International Journal of Optics. – 2010. – Vol. 2010. – P. 802385. – doi: 10.1155/2010/802385.
  12. Development and characterization of 316L/Inconel 625 functionally graded material fabricated by laser direct metal deposition / B. Chen, Y. Su, Z. Xie, C. Tan, J. Feng // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 123. – P. 105916. – doi: 10.1016/j.optlastec.2019.105916.
  13. Interfacial characterization and mechanical properties of 316L stainless steel/inconel 718 manufactured by selective laser melting / X. Mei, X. Wang, Y. Peng, H. Gu, G. Zhong, Y. Sh // Material Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 758. – P. 185–191. – doi: 10.1016/j.msea.2019.05.011.
  14. Analysis and prediction of single laser tracks geometrical characteristics in coaxial laser cladding process / H. El Cheikh, B. Courant, S. Branchu, J.-Y. Hascoët, R. Guillén // Optics and Laser in Engineering. – 2012. – Vol. 50 (3). – P. 413–422. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2011.10.014.
  15. Effect of process parameters on the cladding track geometry fabricated by laser cladding / Y. Zhao, Ch. Guan, L. Chen, J. Sun, T. Yu // Optik. – 2020. – Vol. 223. – P. 165447. – doi: 10.1016/j.ijleo.2020.165447.
  16. An investigation on the effect of deposition pattern on the microstructure, mechanical properties and residual stress of 316L produced by Directed Energy Deposition / A. Saboori, G. Piscopo, M. Lai, A. Salmi, S. Biamino // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 780. – P. 139179. – doi: 10.1016/j.msea.2020.139179.
  17. Self-heating behavior during cyclic loadings of 316L stainless steel specimens manufactured or repaired by Directed Energy Deposition / Y. Balit, L.-R. Joly, F. Szmytka, S. Durbecq, E. Charkaluk, A. Constantinescu // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 786. – P. 139476. – doi: 10.1016/j.msea.2020.139476.
  18. Tensile and ductile fracture properties of as-printed 316L stainless steel thin walls obtained by directed energy deposition / P. Margerit, D. Weisz-Patrault, K. Ravi-Chandar, A. Constantinescu // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 37. – P. 101664. – doi: 10.1016/j.addma.2020.101664.
  19. Fracture analysis in directed energy deposition (DED) manufactured 316L stainless steel using a phase-field approach / E. Azinpour, R. Darabi, J.C. de Sa, A. Santos, J. Hodek, J. Dzugan // Finite Elements in Analysis and Design. – 2020. – Vol. 177. – P. 103417. – doi: 10.1016/j.finel.2020.103417.
  20. Effect of build height on the properties of large format stainless steel 316L fabricated via directed energy deposition / D.R. Feenstra, V. Cruz, X. Gao, A. Molotnikov, N. Birbilis // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 34. – P. 101205. – doi: 10.1016/j.addma.2020.101205.
  21. Microstructural banding of directed energy deposition-additively manufactured 316L stainless steel / Y. Hwa, Ch.S. Kumai, Th.M. Devine, N. Yang, J.K. Yee, R. Hardwick, K. Burgmann // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – Vol. 69. – P. 96–105. – doi: 10.1016/j.jmst.2020.08.022.
  22. Characterisation of porosity, density, and microstructure of directed energy deposited stainless steel AISI 316L / Z.E. Tan, J.H. Lye Pang, J. Kaminski, H. Pepin // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 25. – P. 286–296. – doi: 10.1016/j.addma.2018.11.014.
  23. Mukherjee M. Effect of build geometry and orientation on microstructure and properties of additively manufactured 316L stainless steel by laser metal deposition // Materialia. – 2019. – Vol. 7. – P. 100359. – doi: 10.1016/j.mtla.2019.100359.
  24. Dutta B., Babu S., Jared B.H. Science, technology and applications of metals in additive manufacturing. – Elsevier, 2019. – 343 p. – ISBN 978-0-12-816634-5. – doi: 10.1016/C2017-0-04707-9.
  25. Справочник по специальным работам: сварочные работы в строительстве. В 2 ч. Ч. 1 / под ред. В.Д. Тарана. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Стройиздат, 1971. – 415 с.
  26. Влияние технологических параметров на производительность при изготовлении металлических деталей методом прямого лазерного выращивания / Ю.Н. Завалов, А.В. Дубров, П.С. Родин, А.Н. Антонов, Е.С. Макарова, С.В. Стенькин, В.Д. Дубров // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: материалы V Международной конференции, 22 марта 2019 г. – М.: ВИАМ, 2019. – С. 121–130.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».