Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Selective laser melting of metallic glasses

Łukasz Cezary Żrodowski

Abstract

Currently many additive materials synthesis methods are being developed. During additive process material is combined in series of repetitive steps in order to form final object. Selective laser melting is one of the best known additive process for metals or alloys processing. In the process energy is delivered by a laser or electron gun to melt powder and connect layers. Numerical simulations allowed calculation of the cooling rate during the process as 103-106 K/s, which is greater than of the necessary for amorphisation of many alloys. This work focuses on the preparation of three-dimensional objects and layers of metallic glasses and devitrification mechanisms during laser processing. The work is divided into three parts different in terms of methodology. The first part is focused on finding a suitable alloy and producing an amorphous layer. This allowed verification of the alloy processability during the laser melting. Fast identification method of the samples with a high content of amorphous phase has been developed. The second part is focused on the optimization process of selective laser melting and production of three-dimensional samples. Innovative scanning strategies has been used. It dramatic increasesd amorphisation degree in respect to the commercial strategies. The third part is focused on an in-depth analysis of the best samples obtained in the second stage and the development of the crystallization model in the heat affected zone. During the experiments fully amorphous layers and three-dimensional objects containing more than 60% glassy phase were obtained by laser melting of Fe-based powder with low glass forming ability. This was achieved by beating crystallization during cooling and heating. Crystallization during cooling was caused by convection-driven mixing of crystallization nuclei in the laser melt pool. To reduce crystallization during cooling pulsed melting strategy was utilized. Crystallization during heating was caused by devitrification in heat affected zone. To reduce this effect short pulse remelting in key-hole mode was utilized. In addition, heat accumulation in the top layer during standard scan strategies impedes formation of the glassy phase. To reduce this effect random-pulse scanning strategy providing good cooling conditions at any point of the sample was invented.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Łukasz Cezary Żrodowski (FMSE) Łukasz Cezary Żrodowski,, Faculty of Materials Science and Engineering (FMSE)
Title in Polish
Selektywne przetapianie szkieł metalicznych
Supervisor
Rafał Wróblewski (FMSE/DCFM) Rafał Wróblewski,, Division of Construction and Functional Materials (FMSE/DCFM)Faculty of Materials Science and Engineering (FMSE)
Certifying unit
Faculty of Materials Science and Engineering (FMSE)
Affiliation unit
Division of Construction and Functional Materials (FMSE/DCFM)
Study subject / specialization
, Inżynieria Materiałowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
16-02-2016
Issue date (year)
2016
Internal identifier
IM-D.002045
Reviewers
Tadeusz Kulik (FMSE/DCFM) Tadeusz Kulik,, Division of Construction and Functional Materials (FMSE/DCFM)Faculty of Materials Science and Engineering (FMSE) Rafał Wróblewski (FMSE/DCFM) Rafał Wróblewski,, Division of Construction and Functional Materials (FMSE/DCFM)Faculty of Materials Science and Engineering (FMSE)
Keywords in Polish
Szkło metaliczne laser addytywny przyrostowy proszek proszków selektywny przetapianie stapianie topienie 3D
Keywords in English
Metallic glass powder laser additive incremental selective melting 3D
Abstract in Polish
Obecnie silnie rozwijane są addytywne metody syntezy materiałów, gdzie w serii powtarzalnych kroków łączy się materiał wyjściowy, w celu nadania mu kształtu gotowego wyrobu. Jedną z lepiej znanych addytywnych metod syntezy metali i ich stopów jest selektywne przetapianie proszków. Proszek zostaje roztopiony promieniem lasera, a następnie szybko krzepnie na płytce podstawowej. Potem nałożona i przetopiona zostaje kolejna warstwa proszku. Proces powtarza się łącząc kolejne warstwy, aż do uzyskania trójwymiarowego obiektu. Liczne symulacje pozwoliły na obliczenie szybkości chłodzenia materiału w zakresie 103-106 K/s, co jest wartością wystarczającą do zeszklenia wielu stopów. Praca skupia się na wykorzystaniu tego efektu w celu otrzymania trójwymiarowych obiektów oraz warstwy z szkieł metalicznych. Dodatkowo zidentyfikowano mechanizmy odpowiadające za krystalizacje podczas przetapiania i dewitryfikację w strefie wpływu ciepła. Praca jest podzielona na trzy części różne pod względem metodyki. Pierwsza część skupia się na znalezieniu odpowiedniego stopu i wytworzeniu amorficznej warstwy. Umożliwiło to weryfikację przydatności stopu podczas laserowego przetapiania i opracowanie metody masowej identyfikacji próbek o wysokiej zawartości fazy amorficznej. Druga część poświęcona jest optymalizacji procesu selektywnego laserowego przetapiania i otrzymaniu trójwymiarowych próbek. Opracowane zostały nowatorskie strategie skanowania, które umożliwiły wielokrotne zwiększenie stopnia zeszklenia w stosunku do komercyjnie stosowanych strategii. Trzecia część poświęcona jest dogłębnej analizie najlepszych próbek otrzymanych w drugi etapie i opracowaniu modelu krystalizacji w strefie wpływu ciepła. W trakcie doświadczeń uzyskano metodą laserowego przetapiania amorficzne warstwy i trójwymiarowe próbki zawierające ponad 60% fazy szklistej. Wykorzystano do tego stop na bazie żelaza o niskiej zdolności do zeszklenia. Wysoką zawartość fazy szklistej osiągnięto przez zapobieżenie krystalizacji w czasie chłodzenia jak i grzania. Jako główny mechanizm powodujący krystalizację podczas chłodzenia zidentyfikowano wzrost kryształów na zarodkach poderwanych konwekcyjnie z dna jeziorka laserowego. Sposobem na redukcję tego zjawiska jest zastosowanie impulsowego przetapiania. Jako mechanizm powodujący krystalizację podczas nagrzewania zidentyfikowano odszklenie w strefie wpływu ciepła. Sposobem na redukcję tego zjawiska jest zwiększenie szybkości grzania przez zastosowanie drugiego przetopu z gęstością mocy wystarczającą do wytworzenia kanału parowego przy minimalnym czasie naświetlania. Dodatkowo akumulacja ciepła w wierzchniej warstwie przy standardowych strategiach skanowania utrudnia zachowania fazy szklistej. Sposobem na ograniczenie tego zjawiska jest wynaleziona losowo-impulsowa strategia skanowania, która zapewnia dobre warunki chłodzenia w każdym miejscu próbki.
File
  • File: 1
    Lukasz_Zrodowski_inż_AG.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 8080

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT08dce095951a4faabf19707a13906b9c/
URN
urn:pw-repo:WUT08dce095951a4faabf19707a13906b9c

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page