Effect of the most important parameters on properties of Inconel 718 manufactured by laser powder bed fusion
Kohtanen, Kalle (2019)
Kandidaatintyö
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019062722156
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019062722156
Tiivistelmä
Aim of this bachelor’s thesis is to find out the effect of the most important parameters on properties of Inconel 718 manufactured by laser powder bed fusion. This thesis is a literature review which was executed by collecting data from several scientific articles and studies.
Based on the literature, the most important parameters of laser powder bed fusion are laser power, scanning speed, layer thickness, hatch and volumetric energy density (VED), which can be calculated by previously mentioned parameters.
It was noticed in this thesis that four different phenomena occur when interaction between the laser beam and material was discussed. Those phenomena are: keyhole formation, conduction mode, lack of fusion and balling up. These phenomena depend on the used volumetric energy density and they explain the properties of a final part.
When a large value of laser power and low value of scanning speed (large value of VED) are used, a keyhole is formed in the laser powder bed fusion leading to poor quality of surface, to porous micro structure and to poor mechanical properties of Inconel 718. When a low value of laser power and large value of scanning speed (low value of VED) are used, the zone is lack of fusion. In this zone, the quality of surface, micro structure and mechanical properties suffer from the lack of fusion because the poorly molten layers do not bond to each other. When both values, laser power and scanning speed, are large, the zone is balling up and large beads starts to occur. Then the scan track is discontinuous, and it results to poor quality of surface, porous micro structure and low values of mechanical properties of Inconel 718. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää tärkeimpien parametrien vaikutus Inconel 718:n ominaisuuksiin laserpohjaisessa jauhepetisulatuksessa. Työ tehtiin kirjallisuuskatsauksena, jossa kerättiin ja koottiin tietoa useista tieteellisistä artikkeleista ja lähteistä.
Työssä valittiin kirjallisuuden perusteella Inconel 718:n laserpohjaisen jauhepetisulatuksen tärkeimmiksi parametreiksi laserteho, skannausnopeus, kerrospaksuus ja skannausviivojen väli sekä näistä laskettava energiatiheys (VED, volumetric energy density).
Työssä havaittiin, että Inconel 718:n laserpohjaisessa jauhepetisulatuksessa voidaan todeta olevan neljä erilaista ilmiötä, kun lasersäteen ja materiaalin välistä vuorovaikutusta tarkastellaan. Nämä ovat: avaimenreiän muodostuminen, riittävä sulaminen, epätäydellinen sulaminen ja palloutuminen. Nämä ilmiöt riippuvat paljon käytetystä energiatiheydestä.
Kun käytetään Inconel 718:aa tulostettaessa suurta lasertehoa ja alhaista skannausnopeutta (suuri energiatiheys), muodostuu jauhepetisulatukseen avaimenreikä ja tämän seurauksena valmiin Inconel 718:n pinnanlaatu on huono, mikrorakenne huokoinen ja mekaaniset ominaisuudet ovat alhaiset. Lasertehon ollessa matala ja käytetty skannausnopeus suuri (pieni energiatiheys), jauhepetisulatus on epätäydellisen sulamisen alueella. Inconel 718:n pinnanlaatu, mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet ovat huonoja johtuen epätäydellisestä sulamisesta, koska kerrokset eivät sulaudu toisiinsa. Kun käytetty laserteho ja skannausnopeus ovat suuria, muodostuu jauhepetisulatuksessa ”palloja” eli ollaan palloutumisen alueella. Inconel 718:n sulamisjälki on epäjatkuva, joka vaikuttaa huonontavasti sen pinnanlaatuun, mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.
Based on the literature, the most important parameters of laser powder bed fusion are laser power, scanning speed, layer thickness, hatch and volumetric energy density (VED), which can be calculated by previously mentioned parameters.
It was noticed in this thesis that four different phenomena occur when interaction between the laser beam and material was discussed. Those phenomena are: keyhole formation, conduction mode, lack of fusion and balling up. These phenomena depend on the used volumetric energy density and they explain the properties of a final part.
When a large value of laser power and low value of scanning speed (large value of VED) are used, a keyhole is formed in the laser powder bed fusion leading to poor quality of surface, to porous micro structure and to poor mechanical properties of Inconel 718. When a low value of laser power and large value of scanning speed (low value of VED) are used, the zone is lack of fusion. In this zone, the quality of surface, micro structure and mechanical properties suffer from the lack of fusion because the poorly molten layers do not bond to each other. When both values, laser power and scanning speed, are large, the zone is balling up and large beads starts to occur. Then the scan track is discontinuous, and it results to poor quality of surface, porous micro structure and low values of mechanical properties of Inconel 718.
Työssä valittiin kirjallisuuden perusteella Inconel 718:n laserpohjaisen jauhepetisulatuksen tärkeimmiksi parametreiksi laserteho, skannausnopeus, kerrospaksuus ja skannausviivojen väli sekä näistä laskettava energiatiheys (VED, volumetric energy density).
Työssä havaittiin, että Inconel 718:n laserpohjaisessa jauhepetisulatuksessa voidaan todeta olevan neljä erilaista ilmiötä, kun lasersäteen ja materiaalin välistä vuorovaikutusta tarkastellaan. Nämä ovat: avaimenreiän muodostuminen, riittävä sulaminen, epätäydellinen sulaminen ja palloutuminen. Nämä ilmiöt riippuvat paljon käytetystä energiatiheydestä.
Kun käytetään Inconel 718:aa tulostettaessa suurta lasertehoa ja alhaista skannausnopeutta (suuri energiatiheys), muodostuu jauhepetisulatukseen avaimenreikä ja tämän seurauksena valmiin Inconel 718:n pinnanlaatu on huono, mikrorakenne huokoinen ja mekaaniset ominaisuudet ovat alhaiset. Lasertehon ollessa matala ja käytetty skannausnopeus suuri (pieni energiatiheys), jauhepetisulatus on epätäydellisen sulamisen alueella. Inconel 718:n pinnanlaatu, mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet ovat huonoja johtuen epätäydellisestä sulamisesta, koska kerrokset eivät sulaudu toisiinsa. Kun käytetty laserteho ja skannausnopeus ovat suuria, muodostuu jauhepetisulatuksessa ”palloja” eli ollaan palloutumisen alueella. Inconel 718:n sulamisjälki on epäjatkuva, joka vaikuttaa huonontavasti sen pinnanlaatuun, mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.