Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Прапанаваны новы механізм, заснаваны на селектыўным лазерным плаўленні, для кіравання мікраструктурай вырабаў у працэсе вытворчасці. Механізм абапіраецца на генерацыю ультрагукавых хваль высокай інтэнсіўнасці ў расплаўленай ванне шляхам складанага лазернага выпраменьвання з мадуляцыяй інтэнсіўнасці. Эксперыментальныя даследаванні і лікавае мадэляванне паказваюць, што гэты механізм кіравання тэхнічна магчымы і можа быць эфектыўна інтэграваны ў канструкцыю сучасных машын для селектыўнага лазернага плаўлення.
Адытыўнае вытворчасць (АД) дэталяў складанай формы значна пашырылася ў апошнія дзесяцігоддзі. Аднак, нягледзячы на ​​разнастайнасць працэсаў адытыўнага вытворчасці, у тым ліку селектыўнае лазернае плаўленне (СЛМ)1,2,3, прамое лазернае нанясенне металу4,5,6, электронна-прамянёвае плаўленне7,8 і іншыя9,10, дэталі могуць мець дэфекты. Гэта ў асноўным звязана са спецыфічнымі характарыстыкамі працэсу зацвярдзення расплаўленай ванны, звязанымі з высокімі тэрмічнымі градыентамі, высокімі хуткасцямі астуджэння і складанасцю цыклаў нагрэву пры плаўленні і пераплаўленні матэрыялу11, якія прыводзяць да эпітаксіяльнага росту зерняў і значнай парыстасці.12,13 паказалі, што для дасягнення дробных роўнавосевых структур зерняў неабходна кантраляваць тэрмічныя градыенты, хуткасці астуджэння і склад сплаву або ўжываць дадатковыя фізічныя ўдары знешнімі палямі розных уласцівасцей, такімі як ультрагук.
Шматлікія публікацыі прысвечаны ўплыву вібрацыйнай апрацоўкі на працэс зацвярдзення ў традыцыйных працэсах ліцця14,15. Аднак прымяненне знешняга поля да расплаву ў аб'ёме не стварае патрэбнай мікраструктуры матэрыялу. Калі аб'ём вадкай фазы невялікі, сітуацыя рэзка змяняецца. У гэтым выпадку знешняе поле істотна ўплывае на працэс зацвярдзення. Разглядаліся інтэнсіўныя гукавыя палі16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, перамешванне дугі28 і ваганні29, электрамагнітныя эфекты падчас імпульсных плазменных дуг30,31 і іншыя метады32. Прымацаванне да падкладкі з дапамогай знешняй крыніцы ультрагуку высокай інтэнсіўнасці (пры частаце 20 кГц). Драбненне зерня, выкліканае ультрагукам, тлумачыцца павелічэннем канстытутыўнай зоны пераахалоджвання з-за зніжэння градыенту тэмпературы і ўзмацнення ультрагуку для стварэння новых крышталітаў праз кавітацыю.
У гэтай працы мы даследавалі магчымасць змены зерневай структуры аўстэнітных нержавеючых сталей шляхам апрацоўкі расплаўленай ванны ультрагукавымі хвалямі, якія генеруюцца самім плавільным лазерам. Мадуляцыя інтэнсіўнасці лазернага выпраменьвання, якое падае на святлопаглынальнае асяроддзе, прыводзіць да генерацыі ультрагукавых хваль, якія змяняюць мікраструктуру матэрыялу. Гэтую мадуляцыю інтэнсіўнасці лазернага выпраменьвання можна лёгка інтэграваць у існуючыя 3D-прынтары SLM. Эксперыменты ў гэтай працы праводзіліся на пласцінах з нержавеючай сталі, паверхні якіх падвяргаліся ўздзеянню лазернага выпраменьвання з мадуляцыяй інтэнсіўнасці. Такім чынам, тэхнічна, праводзіцца лазерная апрацоўка паверхні. Аднак, калі такая лазерная апрацоўка выконваецца на паверхні кожнага пласта, падчас папластовага нарошчвання дасягаецца ўздзеянне на ўвесь аб'ём або на асобныя часткі аб'ёму. Іншымі словамі, калі дэталь будуецца пласт за пластом, лазерная апрацоўка паверхні кожнага пласта эквівалентная «лазернай аб'ёмнай апрацоўцы».
У той час як пры ультрагукавой тэрапіі на аснове ультрагукавога рупару ультрагукавая энергія стаячай гукавой хвалі размеркавана па ўсім кампаненту, у той час як інтэнсіўнасць ультрагуку, выкліканага лазерам, моцна сканцэнтравана паблізу кропкі, дзе паглынаецца лазернае выпраменьванне. Выкарыстанне санотрода ў машыне для плаўлення парашкападобнага пласта SLM складанае, таму што верхняя паверхня парашкападобнага пласта, якая падвяргаецца ўздзеянню лазернага выпраменьвання, павінна заставацца нерухомай. Акрамя таго, на верхняй паверхні дэталі няма механічнага напружання. Такім чынам, акустычнае напружанне блізкае да нуля, а хуткасць часціц мае максімальную амплітуду па ўсёй верхняй паверхні дэталі. Гукавы ціск унутры ўсёй ванны расплаўленага пласта не можа перавышаць 0,1% ад максімальнага ціску, які ствараецца зварачнай галоўкай, таму што даўжыня хвалі ультрагукавых хваль з частатой 20 кГц у нержавеючай сталі складае \(\sim 0,3~\text {м}\), а глыбіня звычайна меншая за \(\sim 0,3~\text {мм}\). Такім чынам, уплыў ультрагуку на кавітацыю можа быць невялікім.
Варта адзначыць, што выкарыстанне лазернага выпраменьвання з мадуляцыяй інтэнсіўнасці пры прамым лазерным нанясенні металу з'яўляецца актыўнай вобласцю даследаванняў35,36,37,38.
Цеплавыя эфекты лазернага выпраменьвання, якое падае на асяроддзе, з'яўляюцца асновай практычна ўсіх лазерных метадаў апрацоўкі матэрыялаў 39, 40, такіх як рэзка 41, зварка, загартоўка, свідраванне 42, ачыстка паверхняў, легіраванне паверхняў, паліроўка паверхняў 43 і г.д. Тэхналогія апрацоўкі матэрыялаў і папярэднія вынікі абагульнены ў шматлікіх аглядах і манаграфіях 44, 45, 46.
Варта адзначыць, што любое нестацыянарнае ўздзеянне на асяроддзе, у тым ліку лазернае ўздзеянне на паглынальнае асяроддзе, прыводзіць да ўзбуджэння ў ім акустычных хваль з большай ці меншай эфектыўнасцю. Першапачаткова асноўная ўвага надавалася лазернаму ўзбуджэнню хваль у вадкасцях і розным механізмам цеплавога ўзбуджэння гуку (цеплавое пашырэнне, выпарэнне, змяненне аб'ёму падчас фазавага пераходу, сцісканне і г.д.) 47, 48, 49. Шматлікія манаграфіі 50, 51, 52 даюць тэарэтычны аналіз гэтага працэсу і яго магчымых практычных прымяненняў.
Гэтыя пытанні пасля абмяркоўваліся на розных канферэнцыях, і лазернае ўзбуджэнне ультрагуку мае прымяненне як у прамысловых галінах лазернай тэхналогіі53, так і ў медыцыне54. Такім чынам, можна лічыць, што асноўная канцэпцыя працэсу ўздзеяння імпульснага лазернага святла на паглынальнае асяроддзе ўстаноўлена. Лазерны ультрагукавы кантроль выкарыстоўваецца для выяўлення дэфектаў узораў, вырабленых метадам SLM55,56.
Уздзеянне лазерных ударных хваль на матэрыялы з'яўляецца асновай лазернага ўдарнага ўмацавання57,58,59, якое таксама выкарыстоўваецца для апрацоўкі паверхні адытыўна вырабленых дэталяў60. Аднак лазернае ўдарнае ўмацаванне найбольш эфектыўнае на нанасекундных лазерных імпульсах і механічна нагружаных паверхнях (напрыклад, са слоем вадкасці)59, таму што механічная нагрузка павялічвае пікавы ціск.
Былі праведзены эксперыменты для вывучэння магчымага ўплыву розных фізічных палёў на мікраструктуру зацвярдзелых матэрыялаў. Функцыянальная схема эксперыментальнай устаноўкі паказана на малюнку 1. Выкарыстоўваўся імпульсны цвёрдацельны лазер Nd:YAG, які працуе ў рэжыме свабоднага выпраменьвання (працягласць імпульсу \(τ _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Кожны лазерны імпульс праходзіць праз серыю нейтральных фільтраў і сістэму пласцін падзельніка прамяня. У залежнасці ад камбінацыі нейтральных фільтраў энергія імпульсу на мішэні змяняецца ад \(E_L \sim 20~\text {мДж}\) да \(E_L \sim 100~\text {мДж}\). Лазерны прамень, адбіты ад падзельніка прамяня, падаецца на фотадыёд для адначасовага збору дадзеных, і два каларыметры (фотадыёды з доўгім часам водгуку, які перавышае \(1~\text {мс}\)) выкарыстоўваюцца для вызначэння падаючага на мішэнь і адбітага ад яе выпраменьвання, а два вымяральнікі магутнасці (фотадыёды з кароткім часам водгуку разы (<10~\text {нс}\)) для вызначэння падаючай і адлюстраванай аптычнай магутнасці. Каларыметры і вымяральнікі магутнасці былі адкалібраваны для атрымання значэнняў у абсалютных адзінках з выкарыстаннем тэрмабатарэйнага дэтэктара Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 і дыэлектрычнага люстэрка, усталяванага ў месцы ўзору. Сфакусуйце прамень на мішэнь з дапамогай лінзы (антыблікавае пакрыццё 1,06 \upm \text {м}\), фокусная адлегласць 160~\text {мм}\) і перацяжкі прамяня на паверхні мішэні 60–100~\upm\text {м}\).
Функцыянальная схема эксперыментальнай устаноўкі: 1 — лазер; 2 — лазерны прамень; 3 — нейтральны фільтр шчыльнасці; 4 — сінхранізаваны фотадыёд; 5 — дзельнік прамяня; 6 — дыяфрагма; 7 — каларыметр падаючага прамяня; 8 — каларыметр адлюстраванага прамяня; 9 — вымяральнік магутнасці падаючага прамяня; 10 — вымяральнік магутнасці адлюстраванага прамяня; 11 — факусуючая лінза; 12 — люстэрка; 13 — узор; 14 — шырокапалосны п'езаэлектрычны пераўтваральнік; 15 — 2D-пераўтваральнік; 16 — пазіцыянавальны мікракантролер; 17 — блок сінхранізацыі; 18 — шматканальная лічбавая сістэма збору дадзеных з рознай частатой дыскрэтызацыі; 19 — персанальны камп'ютар.
Ультрагукавая апрацоўка праводзіцца наступным чынам. Лазер працуе ў рэжыме свабоднага выпраменьвання; таму працягласць лазернага імпульсу складае \(τ _L \sim 150~\upmu \text {s}\), што складаецца з некалькіх працягласцяў прыблізна \(1,5~\upmu \text {s} \) кожны. Часавая форма лазернага імпульсу і яго спектр складаюцца з нізкачастотнай абалонкі і высокачастотнай мадуляцыі са сярэдняй частатой каля \(0,7~\text {MHz}\), як паказана на малюнку 2. - Частотная абалонка забяспечвае награванне і наступнае плаўленне і выпарэнне матэрыялу, у той час як высокачашчынны кампанент забяспечвае ультрагукавыя ваганні з-за фотаакустычнага эфекту. Форма хвалі ультрагукавога імпульсу, які генеруецца лазерам, у асноўным вызначаецца часавой формай інтэнсіўнасці лазернага імпульсу. Яна складае ад 7 кГц да 2 МГц, а цэнтральная частата — ~0,7 МГц. Акустычныя імпульсы, выкліканыя фотаакустычным эфектам, былі запісаны з дапамогай шырокапалосных п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў, вырабленых з плёнак полівінілідэнфтарыду. Запісаная форма хвалі і яе спектр паказаны на малюнку 2. Варта адзначыць, што форма лазерных імпульсаў тыповая для лазера са свабодным рэжымам.
Часавае размеркаванне інтэнсіўнасці лазернага імпульсу (а) і хуткасці гуку (б) на задняй паверхні ўзору, спектры (сіняя крывая) аднаго лазернага імпульсу (в) і ультрагукавога імпульсу (г), усредненыя па 300 лазерных імпульсах (чырвоная крывая).
Мы можам выразна адрозніць нізкачашчынныя і высокачашчынныя кампаненты акустычнай апрацоўкі, якія адпавядаюць нізкачастотнай абалонцы лазернага імпульсу і высокачастотнай мадуляцыі адпаведна. Даўжыні хваль акустычных хваль, якія генеруюцца абалонкай лазернага імпульсу, перавышаюць \(40~\text {см}\); таму чакаецца асноўны ўплыў шырокапалосных высокачастотных кампанент акустычнага сігналу на мікраструктуру.
Фізічныя працэсы ў SLM складаныя і адбываюцца адначасова ў розных прасторавых і часавых маштабах. Таму для тэарэтычнага аналізу SLM найбольш падыходзяць шматмаштабныя метады. Матэматычныя мадэлі павінны першапачаткова быць шматфізічнымі. Тады можна эфектыўна апісаць механіку і цеплафізіку шматфазнага асяроддзя «цвёрдае цела-вадкасць, расплавлены матэрыял», які ўзаемадзейнічае з атмасферай інэртнага газу. Характарыстыкі цеплавых нагрузак матэрыялу ў SLM наступныя.
Хуткасць нагрэву і астуджэння да \(10^6~\text {K}/\text {с}\) /\text{ дзякуючы лакалізаванаму лазернаму выпраменьванню са шчыльнасцю магутнасці да \(10^{13}~\text {Вт} см}^2\).
Цыкл плаўлення-зацвярдзення доўжыцца ад 1 да (10~\text {мс}), што спрыяе хуткаму зацвярдзенню зоны плаўлення падчас астуджэння.
Хуткі нагрэў паверхні ўзору прыводзіць да ўтварэння высокіх тэрмапругкіх напружанняў у павярхоўным пласце. Дастатковая (да 20%) частка парашковага пласта моцна выпараецца63, што прыводзіць да дадатковай нагрузкі ціскам на паверхню ў адказ на лазерную абляцыю. Такім чынам, індукаваная дэфармацыя значна скажае геаметрыю дэталі, асабліва паблізу апор і тонкіх структурных элементаў. Высокая хуткасць нагрэву пры імпульсным лазерным адпале прыводзіць да генерацыі ультрагукавых хваль дэфармацыі, якія распаўсюджваюцца ад паверхні да падкладкі. Для атрымання дакладных колькасных дадзеных аб лакальным размеркаванні напружанняў і дэфармацый праводзіцца мезаскапічнае мадэляванне задачы пругкай дэфармацыі, спалучанай з цепла- і масапераносам.
Кіруючыя ўраўненні мадэлі ўключаюць (1) нестацыянарныя ўраўненні цеплаперадачы, дзе цеплаправоднасць залежыць ад фазавага стану (парашок, расплав, полікрышталічны) і тэмпературы, (2) флуктуацыі пругкай дэфармацыі пасля абляцыі кантынууму і ўраўненне тэрмапругкага пашырэння. Краёвая задача вызначаецца эксперыментальнымі ўмовамі. Мадуляваны лазерны паток вызначаецца на паверхні ўзору. Канвектыўнае астуджэнне ўключае цеплаабмен кандуктыўнасцю і выпарны паток. Масавы паток вызначаецца на аснове разліку ціску насычанай пары выпаральнага матэрыялу. Выкарыстоўваецца пругкапластычная залежнасць паміж напружаннем і дэфармацыяй, дзе тэрмапругкае напружанне прапарцыйна розніцы тэмператур. Для намінальнай магутнасці (300~\text {Вт}), частаты (10^5~\text {Гц}), каэфіцыента перарывістасці 100 і (200~\upmu \text {м}\) эфектыўнага дыяметра прамяня.
На малюнку 3 паказаны вынікі лікавага мадэлявання расплаўленай зоны з выкарыстаннем макраскапічнай матэматычнай мадэлі. Дыяметр зоны плаўлення складае 200~\upmu \text {м}\) (радыус 100~\upmu \text {м}\)), а глыбіня — 40~\upmu \text {м}\). Вынікі мадэлявання паказваюць, што тэмпература паверхні лакальна змяняецца з часам як 100~\text {K}\) з-за высокага каэфіцыента перарывістасці імпульснай мадуляцыі. Хуткасці нагрэву \(V_h\) і астуджэння \(V_c\) складаюць парадку \(10^7\) і \(10^6~\text {K}/\text {с}\) адпаведна. Гэтыя значэнні добра адпавядаюць нашаму папярэдняму аналізу64. Розніца на парадак паміж \(V_h\) і \(V_c\) прыводзіць да хуткага перагрэву павярхоўнага пласта, дзе цеплаправоднасць да падкладкі недастатковая для адводу цяпла. Такім чынам, пры \(t=26~\upmu \text Тэмпература паверхні дасягае пікавых значэнняў (4800 К). Інтэнсіўнае выпарэнне матэрыялу можа прывесці да празмернага ціску на паверхню ўзору і яе адслойвання.
Вынікі лікавага мадэлявання зоны плаўлення пры адпале адным лазерным імпульсам на ўзорнай пласціне 316L. Час ад пачатку імпульсу да максімальнага значэння глыбіні расплаўленай ванны складае \(180~\upmu\text {s}\). Ізатэрма \(T = T_L = 1723~\text {K}\) прадстаўляе мяжу паміж вадкай і цвёрдай фазамі. Ізабары (жоўтыя лініі) адпавядаюць мяжы цякучасці, разлічанай як функцыя тэмпературы ў наступным раздзеле. Такім чынам, у вобласці паміж двума ізалініямі (ізатэрмамі \(T=T_L\) і ізабарамі \(\sigma =\sigma _V(T)\)\)\) цвёрдая фаза падвяргаецца моцным механічным нагрузкам, якія могуць прывесці да зменаў у мікраструктуры.
Гэты эфект больш падрабязна тлумачыцца на малюнку 4a, дзе ўзровень ціску ў расплаўленай зоне пабудаваны ў залежнасці ад часу і адлегласці ад паверхні. Па-першае, паводзіны ціску звязаны з мадуляцыяй інтэнсіўнасці лазернага імпульсу, апісанай на малюнку 2 вышэй. Максімальны ціск (с) каля 10⁻¹ МПа назіраўся пры t = 26⁻¹⁰μм. Па-другое, ваганні лакальнага ціску ў кантрольнай кропцы маюць тыя ж характарыстыкі ваганняў, што і частата 500⁻¹ кГц. Гэта азначае, што ультрагукавыя хвалі ціску генеруюцца на паверхні, а затым распаўсюджваюцца ў падкладку.
Разліковыя характарыстыкі зоны дэфармацыі паблізу зоны плаўлення паказаны на мал. 4b. Лазерная абляцыя і тэрмапругкае напружанне генеруюць хвалі пругкай дэфармацыі, якія распаўсюджваюцца ў падкладку. Як відаць з малюнка, існуюць дзве стадыі генерацыі напружання. Падчас першай фазы (t < 40~\upmu \text {s}) напружанне Мізэса павялічваецца да (8~\text {МПа}) з мадуляцыяй, падобнай да павярхоўнага ціску. Гэта напружанне ўзнікае з-за лазернай абляцыі, і ў кантрольных кропках тэрмапругкае напружанне не назіралася, таму што пачатковая зона цеплавога ўздзеяння была занадта малой. Калі цяпло рассейваецца ў падкладку, кантрольная кропка генеруе высокае тэрмапругкае напружанне вышэй за (40~\text {МПа}).
Атрыманыя мадуляваныя ўзроўні напружання аказваюць значны ўплыў на мяжу цвёрдага цела і вадкасці і могуць быць механізмам кіравання шляхам зацвярдзення. Памер зоны дэфармацыі ў 2-3 разы большы за памер зоны плаўлення. Як паказана на малюнку 3, параўноўваюцца размяшчэнне ізатэрмы плаўлення і ўзровень напружання, роўны мяжы цякучасці. Гэта азначае, што імпульснае лазернае выпраменьванне забяспечвае высокія механічныя нагрузкі ў лакалізаваных абласцях з эфектыўным дыяметрам ад 300 да 800 м у залежнасці ад імгненнага часу.
Такім чынам, складаная мадуляцыя імпульснага лазернага адпалу прыводзіць да ультрагукавога эфекту. Шлях выбару мікраструктуры адрозніваецца ў параўнанні з СЛМ без ультрагукавой нагрузкі. Дэфармаваныя няўстойлівыя вобласці прыводзяць да перыядычных цыклаў сціску і расцяжэння ў цвёрдай фазе. Такім чынам, становіцца магчымым утварэнне новых межаў зерняў і межаў субзернаў. Такім чынам, мікраструктурныя ўласцівасці можна наўмысна змяняць, як паказана ніжэй. Атрыманыя высновы даюць магчымасць распрацаваць прататып СЛМ, індукаванага імпульснай мадуляцыяй, з ультрагукавым кіраваннем. У гэтым выпадку п'езаэлектрычны індуктар 26, які выкарыстоўваецца ў іншым месцы, можна выключыць.
(a) Ціск як функцыя часу, разлічаны на розных адлегласцях ад паверхні 0, 20 і (40~\upmu \text {м}) уздоўж восі сіметрыі. (b) Залежнае ад часу напружанне фон Мізэса, разлічанае ў цвёрдацельнай матрыцы на адлегласцях 70, 120 і (170~\upmu \text {м}) ад паверхні ўзору.
Эксперыменты праводзіліся на пласцінах з нержавеючай сталі AISI 321H памерамі (20 × 20 × 5 мм). Пасля кожнага лазернага імпульсу пласціна рухаецца на 50 мкм, а адлегласць перацяжкі лазернага прамяня на паверхні мішэні складае каля 100 мкм. Па адной і той жа траекторыі выконваецца да пяці паслядоўных праходаў прамяня, каб выклікаць пераплаўленне апрацаванага матэрыялу для драбнення зерня. Ва ўсіх выпадках зона пераплаўлення апрацоўвалася ультрагукам у залежнасці ад вагальнага кампанента лазернага выпраменьвання. Гэта прыводзіць да больш чым 5-кратнага памяншэння сярэдняй плошчы зерня. На малюнку 5 паказана, як змяняецца мікраструктура вобласці, апрацаванай лазерам, з колькасцю наступных цыклаў пераплаўлення (праходаў).
Паддыяграмы (a, d, g, j) і (b, e, h, k) – мікраструктура абласцей, аплаўленых лазерам, паддыяграмы (c, f, i, l) – размеркаванне па плошчы каляровых зерняў. Зацяненне прадстаўляе часціцы, якія выкарыстоўваюцца для вылічэння гістаграмы. Колеры адпавядаюць абласцям зерняў (гл. каляровую паласу ўверсе гістаграмы). Паддыяграмы (ac) адпавядаюць неапрацаванай нержавеючай сталі, а паддыяграмы (df), (gi), (jl) адпавядаюць 1, 3 і 5 пераплаўленням.
Паколькі энергія лазернага імпульсу не змяняецца паміж наступнымі праходамі, глыбіня расплаўленай зоны аднолькавая. Такім чынам, наступны канал цалкам «пакрывае» папярэдні. Аднак гістаграма паказвае, што сярэдняя і медыянная плошча зерня памяншаецца з павелічэннем колькасці праходаў. Гэта можа сведчыць аб тым, што лазер уздзейнічае на падкладку, а не на расплаву.
Драбненне зерня можа быць выклікана хуткім астуджэннем расплаўленай ванны65. Быў праведзены яшчэ адзін набор эксперыментаў, у якіх паверхні пласцін з нержавеючай сталі (321H і 316L) падвяргаліся ўздзеянню лазернага выпраменьвання бесперапыннай хвалі ў атмасферы (мал. 6) і вакууме (мал. 7). Сярэдняя магутнасць лазера (300 Вт і 100 Вт адпаведна) і глыбіня расплаўленай ванны блізкія да эксперыментальных вынікаў лазера Nd:YAG у рэжыме свабоднага выпраменьвання. Аднак назіралася тыповая слупчатая структура.
Мікраструктура вобласці, аплаўленай лазерам бесперапыннага лазера (пастаянная магутнасць 300 Вт, хуткасць сканавання 200 мм/с, нержавеючая сталь AISI 321H).
(a) Мікраструктура і (b) дыфракцыйны малюнак зваротнага рассейвання электронаў зоны плаўлення вакуумнага лазера бесперапыннай хвалі (пастаянная магутнасць 100 Вт, хуткасць сканавання 200 мм/с, нержавеючая сталь AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Такім чынам, відавочна, што складаная мадуляцыя інтэнсіўнасці лазернага імпульсу аказвае значны ўплыў на атрыманую мікраструктуру. Мы лічым, што гэты эфект мае механічны характар ​​і ўзнікае з-за генерацыі ультрагукавых ваганняў, якія распаўсюджваюцца ад апрамененай паверхні расплаву ўглыб узору. Падобныя вынікі былі атрыманы ў 13, 26, 34, 66, 67 з выкарыстаннем знешніх п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў і санотродаў, якія забяспечваюць высокаінтэнсіўны ультрагук у розных матэрыялах, у тым ліку ў сплаве Ti-6Al-4V 26 і нержавеючай сталі 34 у выніку. Магчымы механізм разважае наступным чынам. Інтэнсіўны ультрагук можа выклікаць акустычную кавітацыю, як паказана пры звышхуткай сінхратроннай рэнтгенаўскай тамаграфіі in situ. Знішчэнне кавітацыйных бурбалак, у сваю чаргу, генеруе ўдарныя хвалі ў расплаўленым матэрыяле, ціск фронту якога дасягае прыблізна 100 МПа 69. Такія ўдарныя хвалі могуць быць дастаткова моцнымі, каб спрыяць утварэнню цвёрдафазных зародкаў крытычнага памеру ў аб'ёмных вадкасцях, парушаючы тыповую слупчастую структуру зерняў пласт за пластом. адытыўная вытворчасць.
Тут мы прапануем яшчэ адзін механізм, які адказвае за структурную мадыфікацыю інтэнсіўнай ультрагукавой апрацоўкай. Матэрыял адразу пасля зацвярдзення знаходзіцца пры высокай тэмпературы, блізкай да кропкі плаўлення, і мае надзвычай нізкі напружанне цякучасці. Інтэнсіўныя ультрагукавыя хвалі могуць прывесці да таго, што пластычны паток зменіць структуру зерняў толькі што зацвярдзелага гарачага матэрыялу. Аднак надзейныя эксперыментальныя дадзеныя аб тэмпературнай залежнасці напружання цякучасці даступныя пры \(T\lessim 1150~\text {K}\) (гл. малюнак 8). Такім чынам, каб праверыць гіпотэзу, мы правялі малекулярна-дынамічнае (MD) мадэляванне складу Fe-Cr-Ni, падобнага да сталі AISI 316 L, каб ацаніць паводзіны напружання цякучасці паблізу кропкі плаўлення. Для разліку напружання цякучасці мы выкарысталі метад рэлаксацыі напружання зруху MD, падрабязна апісаны ў 70, 71, 72, 73. Для разлікаў міжатамнага ўзаемадзеяння мы выкарысталі ўбудаваную атамную мадэль (EAM) з 74. MD-мадэляванне было выканана з выкарыстаннем кодаў LAMMPS 75,76. Падрабязнасці MD-мадэлявання будуць апублікаваны ў іншым месцы. Вынікі MD-разлікаў напружання цякучасці ў залежнасці ад тэмпературы. паказаны на мал. 8 разам з даступнымі эксперыментальнымі дадзенымі і іншымі ацэнкамі77,78,79,80,81,82.
Напружанне цякучасці для аўстэнітнай нержавеючай сталі AISI класа 316 і склад мадэлі ў залежнасці ад тэмпературы для МД-мадэлявання. Эксперыментальныя вымярэнні з літаратуры: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Глядзіце. (f)82 - гэта эмпірычная мадэль залежнасці напружання цякучасці ад тэмпературы для вымярэння напружання ў лініі падчас лазерна-асіставанай адытыўнай вытворчасці. Вынікі маштабнага МД-мадэлявання ў гэтым даследаванні пазначаны як \(\vartriangleleft\) для бясконцага монакрышталя без дэфектаў і \(\vartriangleright\) для канечных зерняў з улікам сярэдняга памеру зерняў праз суадносіны Хола-Петча. Памеры\(d = 50~\upmu \text {м}\).
Відаць, што пры T > 1500 К мяжа цякучасці падае ніжэй за 40 МПа. З іншага боку, ацэнкі прагназуюць, што амплітуда ультрагуку, згенераванага лазерам, перавышае 40 МПа (гл. мал. 4b), што дастаткова для індукцыі пластычнага патоку ў толькі што зацвярдзелым гарачым матэрыяле.
Фарміраванне мікраструктуры аўстэнітнай нержавеючай сталі 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) падчас СЛМ было эксперыментальна даследавана з выкарыстаннем імпульснай лазернай крыніцы са складанай мадуляцыяй інтэнсіўнасці.
Памяншэнне памеру зерня ў зоне лазернага плаўлення было выяўлена з-за бесперапыннага лазернага пераплаўлення пасля 1, 3 або 5 праходаў.
Макраскапічнае мадэляванне паказвае, што меркаваны памер вобласці, дзе ультрагукавая дэфармацыя можа станоўча паўплываць на фронт зацвярдзення, складае да \(1~\text {мм}\).
Мікраскапічная мадэль МД паказвае, што мяжа цякучасці аўстэнітнай нержавеючай сталі AISI 316 значна зніжаецца да \(40~\text {МПа}\) паблізу кропкі плаўлення.
Атрыманыя вынікі прапануюць метад кіравання мікраструктурай матэрыялаў з выкарыстаннем складанай мадуляванай лазернай апрацоўкі і могуць служыць асновай для стварэння новых мадыфікацый імпульснай тэхнікі СЛМ.
Лю, Ю. і інш. Мікраструктурная эвалюцыя і механічныя ўласцівасці кампазітаў TiB2/AlSi10Mg, атрыманых in situ метадам лазернага селектыўнага плаўлення [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. і інш. Інжынерыя межаў рэкрышталізацыі зерняў лазернага селектыўнага плаўлення нержавеючай сталі 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чэнь, Х. і Цю, К. Распрацоўка in situ сэндвіч-мікраструктур з падвышанай пластычнасцю шляхам лазернага паўторнага нагрэву тытанавых сплаваў, расплаўленых лазерам. science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарнія, А. і інш. Адытыўная вытворчасць дэталяў з Ti-6Al-4V метадам лазернага напылення металу (LMD): працэс, мікраструктура і механічныя ўласцівасці. J. ​​Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. і інш. Мікраструктурнае мадэляванне лазернага металічнага парашка з накіраванай энергіяй нанясення сплаву 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Б'юзі, М. і інш. Параметрычнае нейтронна-брэгаўскае даследаванне краевых візуалізацый адытыўна вырабленых узораў, апрацаваных лазерным ударным напыленнем. science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Х. і інш. Градыентная мікраструктура і механічныя ўласцівасці Ti-6Al-4V, атрыманага адытыўна метадам электронна-прамянёвага плаўлення. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).