On the effect of small laser spot size on the mechanical behaviour of 316L stainless steel fabricated by L-PBF additive manufacturing

Abstract

Cet effort de recherche a étudié expérimentalement l'influence de la petite taille des taches laser (LSS – 50 μm et 100 μm) sur le comportement mécanique d'échantillons d'acier inoxydable (SS) de 316 L fabriqués de manière additive produits par fusion au laser sur un lit de poudre sur une seule imprimante 3D métallique. L'effet des principaux paramètres du processus, notamment la vitesse de balayage (1400, 1700 et 2000 mm/min), l'épaisseur de la couche (30, 55 et 80 μm), le sens de fabrication (0o, 15o et 30o, 90 o ou plat) et la puissance d'impression (100, 200 et 350 W), a été analysé. Des tests de traction ainsi que la microscopie électronique à balayage ont été effectués pour déterminer le comportement mécanique et le modèle de fractographie des pièces produites avec différents paramètres. Lors du changement de direction de fabrication, les résultats ont conduit à un comportement mécanique presque isotrope en combinaison avec l'équipement de fabrication. En utilisant une petite taille de laser sport, la profondeur du bain de fusion a été augmentée, ce qui a conduit à une amélioration des performances mécaniques du 316 L SS fabriqué. Les échantillons imprimés présentaient des valeurs de résistance à la traction ultime de 165-550 MPa (LSS de 50 μm) et 147-519 MPa (LSS de 100 μm), des limites d'élasticité de 137-402 MPa (LSS de 50 μm) et 120-385 MPa (LSS de 100 μm), avec un allongement à la rupture de 5-64 %.Este esfuerzo de investigación investigó experimentalmente la influencia del pequeño tamaño del punto láser (LSS – 50 μm y 100 μm) en el comportamiento mecánico de muestras de acero inoxidable (SS) de 316 L fabricadas aditivamente producidas por fusión de lecho de polvo láser en una sola impresora 3D de metal. Se analizó el efecto de los parámetros principales del proceso, incluida la velocidad de escaneo (1400, 1700 y 2000 mm/min), el espesor de la capa (30, 55 y 80 μm), la dirección de construcción (0o, 15o y 30o, 90o o plana) y la potencia de impresión (100, 200 y 350 W). Se realizaron pruebas de tracción junto con microscopía electrónica de barrido para determinar el comportamiento mecánico y el patrón de fractografía de las piezas producidas con diferentes parámetros. Al cambiar la dirección de construcción, los resultados condujeron a un comportamiento mecánico casi isotrópico en combinación con el equipo de fabricación. Al emplear un tamaño deportivo láser pequeño, se aumentó la profundidad de la piscina de fusión, lo que a su vez condujo a una mejora en el rendimiento mecánico del 316 L SS fabricado. Las muestras impresas mostraron valores de resistencia a la tracción máxima de 165-550 MPa (LSS de 50μm) y 147-519 MPa (LSS de 100μm), límites de elasticidad de 137-402 MPa (LSS de 50μm) y 120-385 MPa (LSS de 100μm), con un alargamiento a la rotura del 5–64%.This research effort experimentally investigated the influence of small laser spot size (LSS – 50 μm and 100 μm) on the mechanical behaviour of additively manufactured 316 L Stainless Steel (SS) samples produced by laser-powder bed fusion on a single metal 3D printer. The effect of main process parameters including scanning speed (1400, 1700 and 2000 mm/min), layer thickness (30, 55, and 80 μm), build direction (0o, 15o and 30o, 90 o or flat) and printing power (100, 200, and 350 W) was analysed. Tensile tests together with scanning electron microscopy were carried out to determine the mechanical behaviour and fractography pattern of the parts produced with different parameters. When changing the build direction, the results led to a nearly isotropic mechanical behaviour in combination with the manufacturing equipment. By employing small laser sport size, the melt pool depth was increased, which in turn led to an enhancement in the mechanical performance of the fabricated 316 L SS. Printed specimens displayed ultimate tensile strength values of 165–550 MPa (LSS of 50μm) and 147–519 MPa (LSS of 100μm), yield strengths of 137–402 MPa (LSS of 50μm) and 120–385 MPa (LSS of 100μm), with an elongation at break of 5–64%.حقق هذا الجهد البحثي تجريبيًا في تأثير حجم بقعة الليزر الصغيرة (LSS – 50 ميكرومتر و 100 ميكرومتر) على السلوك الميكانيكي لعينات الفولاذ المقاوم للصدأ (SS) 316 لتر المصنوعة بشكل إضافي والمنتجة بواسطة اندماج سرير مسحوق الليزر على طابعة معدنية ثلاثية الأبعاد واحدة. تم تحليل تأثير معلمات العملية الرئيسية بما في ذلك سرعة المسح (1400 و 1700 و 2000 مم/دقيقة)، وسماكة الطبقة (30 و 55 و 80 ميكرومتر)، واتجاه البناء (0o و 15o و 30o و 90 o أو مسطح) وقوة الطباعة (100 و 200 و 350 واط). تم إجراء اختبارات الشد جنبًا إلى جنب مع الفحص المجهري الإلكتروني لتحديد السلوك الميكانيكي ونمط التكسير للأجزاء المنتجة بمعلمات مختلفة. عند تغيير اتجاه البناء، أدت النتائج إلى سلوك ميكانيكي شبه موحد الخواص بالاشتراك مع معدات التصنيع. من خلال استخدام حجم رياضي صغير بالليزر، تم زيادة عمق حمام السباحة الذائب، مما أدى بدوره إلى تحسين الأداء الميكانيكي لـ 316 لتر مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ. أظهرت العينات المطبوعة قيم مقاومة الشد القصوى من 165-550 ميجا باسكال (لس من 50 μm) و 147–519 ميجا باسكال (لس من 100 μm)، وقوة الخضوع من 137–402 ميجا باسكال (لس من 50 μm) و 120-385 ميجا باسكال (لس من 100 μm)، مع استطالة عند كسر 5-64 ٪.