Дзякуй за наведванне Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або выключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем паказваць сайт без стыляў і JavaScript.
Прапануецца новы механізм, заснаваны на селектыўным лазерным плаўленні для кіравання мікраструктурай прадуктаў у працэсе вытворчасці. Механізм заснаваны на генерацыі ультрагукавых хваль высокай інтэнсіўнасці ў ванне расплаўленага лазернага апраменьвання з мадуляцыяй складанай інтэнсіўнасці. Эксперыментальныя даследаванні і лікавае мадэляванне паказваюць, што гэты механізм кіравання тэхнічна выканальны і можа быць эфектыўна інтэграваны ў канструкцыю сучасных селектыўных лазерных плавільных машын.
Адытыўная вытворчасць (AM) дэталяў складанай формы значна вырасла за апошнія дзесяцігоддзі. Аднак, нягледзячы на ​​разнастайнасць працэсаў адытыўнай вытворчасці, у тым ліку селектыўнае лазернае плаўленне (SLM)1,2,3, прамое лазернае нанясенне металу4,5,6, электронна-прамянёвае плаўленне7,8 і іншыя9,10, дэталі могуць быць няспраўнымі. Гэта ў асноўным звязана са спецыфічнымі характарыстыкамі працэсу зацвярдзення расплаўленай ванны, звязаным з высокімі цеплавымі градыентамі, высокія хуткасці астуджэння і складанасць цыклаў нагрэву пры плаўленні і пераплаўленні матэрыялаў11, якія прыводзяць да эпітаксіяльнага росту збожжа і значнай сітаватасці12,13.Вынікі паказваюць, што неабходна кантраляваць цеплавыя градыенты, хуткасці астуджэння і склад сплаву або прымяняць дадатковыя фізічныя ўдары праз знешнія палі розных уласцівасцей (напрыклад, ультрагук) для дасягнення тонкай раўнавосевай зярністай структуры.
Шматлікія публікацыі прысвечаны ўплыву вібрацыйнай апрацоўкі на працэс зацвярдзення ў звычайных працэсах ліцця 14, 15. Аднак прымяненне вонкавага поля да аб'ёмных расплаваў не стварае патрэбнай мікраструктуры матэрыялу. Калі аб'ём вадкай фазы малы, сітуацыя рэзка мяняецца. У гэтым выпадку знешняе поле істотна ўплывае на працэс зацвярдзення. Электрамагнітныя эфекты разглядаліся падчас інтэнсіўных акустычных палёў 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, дугавое перамешванне 28 і ваганні 29, імпульсныя плазменныя дугі 30, 31 і іншыя метады 32. Прымацоўваюць да падкладкі з дапамогай вонкавай крыніцы ультрагуку высокай інтэнсіўнасці (пры 20 кГц). Выкліканае ультрагукам драбненне збожжа звязана з павялічанай зонай пераахалоджвання кампазіцыі з-за паменшанага тэмпературнага градыенту і ультрагуку. і паляпшэнне для стварэння новых крышталітаў праз кавітацыю.
У гэтай працы мы даследавалі магчымасць змены зярністай структуры аўстэнітнай нержавеючай сталі шляхам апрацоўкі расплаўленай ванны ультрагукам гукавымі хвалямі, якія ствараюцца 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-прынтэры SLM. Эксперыменты ў гэтая праца была выканана 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 праводзіцца на паверхні кожнага пласта, падчас паслойнага 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 апрацоўцы аб'ёму».
У той час як пры ультрагукавой ультрагукавой тэрапіі на аснове ражка ультрагукавая энергія стаячай гукавой хвалі размяркоўваецца па ўсім кампаненце, у той час як ультрагукавая інтэнсіўнасць, выкліканая лазерам, моцна канцэнтруецца каля кропкі, дзе паглынаецца лазернае выпраменьванне. Выкарыстанне сонотрода ў машыне для зліцця парашковага пласта SLM складана, таму што верхняя паверхня пласта парашка, якая падвяргаецца ўздзеянню лазернага выпраменьвання, павінна заставацца нерухомай. Акрамя таго, на верхняй паверхні дэталі няма механічных нагрузак. .Такім чынам, акустычнае напружанне блізкае да нуля, а хуткасць часціц мае максімальную амплітуду па ўсёй верхняй паверхні дэталі. Гукавы ціск унутры ўсёй расплаўленай ванны 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 \(\sim 0,3~\text {m}\), а глыбіня звычайна менш \ (\sim 0.3~\text {mm}\).Такім чынам, уплыў ультрагуку на кавітацыю можа быць невялікім.
Варта адзначыць, што выкарыстанне лазернага выпраменьвання з мадуляцыяй інтэнсіўнасці ў прамым лазерным нанясенні металаў з'яўляецца актыўнай вобласцю даследаванняў35,36,37,38.
Цеплавы эфект лазернага выпраменьвання, які падае на асяроддзе, з'яўляецца асновай для амаль усіх лазерных метадаў 39, 40 для апрацоўкі матэрыялаў, такіх як рэзка 41, зварка, загартоўка, свідраванне 42, ачыстка паверхні, легіраванне паверхні, паліроўка паверхні 43 і г.д. Вынаходніцтва лазера стымулявала новыя распрацоўкі ў тэхналогіях апрацоўкі матэрыялаў, і папярэднія вынікі былі абагульнены ў шматлікіх аглядах і манаграфіях 44,45,46.
Варта адзначыць, што любое нестацыянарнае ўздзеянне на асяроддзе, у тым ліку генерацыйнае 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 цеплавым механізмам узбуджэння гуку (цеплавое пашырэнне, выпарэнне, змяненне аб'ёму пры фазавым пераходзе, сцісканне і інш.) 47, 48, 49. Шматлікія манаграфіі. 50, 51, 52 забяспечваюць тэарэтычны аналіз гэтага працэсу і яго магчымыя практычныя прымянення.
Пасля гэтыя пытанні абмяркоўваліся на розных канферэнцыях, і лазернае ўзбуджэнне ультрагуку знайшло прымяненне як у прамысловых прымяненнях лазернай тэхналогіі 53, так і ў медыцыне 54. Такім чынам, можна лічыць, што асноўная канцэпцыя працэсу ўздзеяння імпульснага лазернага святла на паглынальнае асяроддзе была створана. Ультрагукавая лазерная інспекцыя выкарыстоўваецца для выяўлення дэфектаў узораў, вырабленых SLM 55,56.
Уздзеянне ўдарных хваль, якія генеруюцца лазерам, на матэрыялы ляжыць у аснове лазернай ударнай апрацоўкі57,58,59, якая таксама выкарыстоўваецца для апрацоўкі паверхні дэталяў, вырабленых з дапамогай дабавак60. Аднак лазернае ўдарнае ўмацаванне найбольш эфектыўна для нанасекундных лазерных імпульсаў і механічна нагружаных паверхняў (напрыклад, са слоем вадкасці)59, таму што механічная нагрузка павялічвае пікавы ціск.
Былі праведзены эксперыменты, каб даследаваць магчымы ўплыў розных фізічных палёў на мікраструктуру зацвярдзелых матэрыялаў. Функцыянальная схема эксперыментальнай устаноўкі паказана на малюнку 1. Выкарыстоўваўся імпульсны Nd:YAG цвёрдацельны лазер, які працаваў у рэжыме свабоднага ходу (працягласць імпульсу \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Кожны лазерны імпульс прапускаецца праз шэраг фільтраў нейтральнай шчыльнасці і прамень сістэма раздзяляльнай пласціны. У залежнасці ад камбінацыі фільтраў нейтральнай шчыльнасці, энергія імпульсу на мішэні вар'іруецца ад \(E_L \sim 20~\text {мДж}\) да \(E_L \sim 100~\тэкст {мДж}\). Лазерны прамень, адлюстраваны ад раздзяляльніка прамяня, падаецца на фотадыёд для адначасовага збору даных і два каларыметры (фотадыёды з доўгай час водгуку, які перавышае \(1~\text {ms}\)) выкарыстоўваюцца для вызначэння падаючага на мэту і адлюстравання ад мэты, а таксама два вымяральнікі магутнасці (фотадыёды з кароткім часам водгуку\(<10~\text {ns}\)) для вызначэння аптычнай магутнасці падаючага і адлюстраванага сігналу. Каларыметры і вымяральнікі магутнасці былі адкалібраваны, каб даць значэнні ў абсалютных адзінках з дапамогай дэтэктара з тэрмабатарэяй Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 і дыэлектрыка люстэрка, усталяванае ў месцы ўзору. Сфакусуйце прамень на мішэнь з дапамогай лінзы (антыблікавае пакрыццё пры \(1,06 \upmu \text {m}\), фокусная адлегласць \(160~\text {мм}\)) і перацяжку прамяня на паверхні мішэні 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Прынцыповая функцыянальная схема эксперыментальнай устаноўкі: 1—лазер;2—лазерны прамень;3—фільтр нейтральнай шчыльнасці;4—сінхранізаваны фотадыёд;5—раздзяляльнік прамяня;6—дыяфрагма;7—каларыметр падальнага пучка ;8 – каларыметр адбітага прамяня;9 – вымяральнік магутнасці падаючага пучка;10 – вымяральнік магутнасці адбітага прамяня;11 – факусіруючая лінза;12 – люстэрка;13 – узор;14 – шырокапалосны п'езаэлектрычны пераўтваральнік;15 – 2D канвэртар;16 – пазіцыянуючы мікракантролер;17 – вузел сінхранізацыі;18 – шматканальная лічбавая сістэма збору дадзеных з рознымі частатамі дыскрэтызацыі;19 – персанальны кампутар.
Апрацоўка ультрагукам праводзіцца наступным чынам. Лазер працуе ў рэжыме свабоднага ходу;таму працягласць лазернага імпульсу роўная \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), якая складаецца з некалькіх працягласцей прыблізна \(1,5~\upmu \text {s } \) кожная. Часовая форма лазернага імпульсу і яго спектр складаюцца з нізкачашчыннай агінаючай і высокачашчыннай мадуляцыі з сярэдняй частатой каля \(0,7~\text {МГц}\ ), як паказана на малюнку 2.- Агінаючая частаты 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 ствараецца лазерам, у асноўным вызначаецца формай часу інтэнсіўнасці лазернага імпульсу.Яна складае ад \(7~\text {кГц}\) да \ (2~\text {МГц}\), а цэнтральная частата роўная \(~ 0,7~\text {МГц}\). Акустычныя імпульсы, выкліканыя фотаакустычным эфектам, былі запісаны з дапамогай шырокапалосных п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў, зробленых з полівінілідэнфтарыдных плёнак. Форма запісанага сігналу і яго спектр паказаны на малюнку 2. Варта адзначыць, што форма лазерных імпульсаў тыповы для лазера ў рэжыме свабоднага ходу.
Часовае размеркаванне інтэнсіўнасці лазернага імпульсу (a) і хуткасці гуку на тыльнай паверхні ўзору (b), спектры лазернага імпульсу (c) і ультрагукавога імпульсу (d) у сярэднім па 300 лазерных імпульсаў (чырвоная крывая) для аднаго лазернага імпульсу (сіняя крывая).
Мы можам выразна адрозніць нізкачашчынныя і высокачашчынныя кампаненты акустычнай апрацоўкі, якія адпавядаюць нізкачашчыннай агінаючай лазернага імпульсу і высокачашчыннай мадуляцыі адпаведна. Даўжыні хваль акустычных хваль, якія ствараюцца агінаючай лазернага імпульсу, перавышаюць \(40~\text {cm}\);такім чынам, чакаецца асноўны ўплыў шырокапалосных высокачашчынных кампанентаў акустычнага сігналу на мікраструктуру.
Фізічныя працэсы ў SLM складаныя і ўзнікаюць адначасова на розных прасторавых і часовых маштабах. Таму шматмаштабныя метады найбольш прыдатныя для тэарэтычнага аналізу SLM.Mathematical мадэляў павінны быць першапачаткова мультыфізічнымі. Механіка і тэрмафізіка шматфазнай сярэдняй "цвёрда-ікропидной распродажу", якая можа быць шматгранная. У SLM наступныя.
Хуткасці нагрэву і астуджэння да \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ з-за лакалізаванага лазернага выпраменьвання са шчыльнасцю магутнасці да \(10^{13}~\text {Вт} см}^2\).
Цыкл плаўлення-цвярдзення доўжыцца ад 1 да \(10~\text {ms}\), 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 пласта парашка моцна выпараецца63, што прыводзіць да дадатковай нагрузкі ціску на паверхню ў адказ на лазерную абляцыю. Такім чынам, індукаваная дэфармацыя значна скажае геаметрыю дэталі, асабліва каля апор і тонкіх структурных элементаў. Высокая хуткасць нагрэву пры імпульсным лазерным адпале прыводзіць да генерацыі ультра гукавыя хвалі дэфармацыі, якія распаўсюджваюцца ад паверхні да падкладкі. Каб атрымаць дакладныя колькасныя дадзеныя аб размеркаванні лакальных напружанняў і дэфармацый, праводзіцца мезаскапічнае мадэляванне праблемы пругкай дэфармацыі, спалучанай з цепла- і масаабменам.
Кіруючыя ўраўненні мадэлі ўключаюць (1) ураўненні нестацыянарнага цеплаперадачы, дзе цеплаправоднасць залежыць ад фазавага стану (парашок, расплав, полікрышталіч) і тэмпературы, (2) ваганні пругкай дэфармацыі пасля абляцыі кантынууму і ўраўненне тэрмапругкага пашырэння. Гранічная задача вызначаецца эксперыментальнымі ўмовамі. Мадуляваны лазерны паток вызначаецца на паверхні ўзору. Канвектыўнае астуджэнне ўключае кандуктыўны цеплаабмен і выпарны струмень x. Паток масы вызначаецца на аснове разліку ціску насычанай пары матэрыялу, які выпараецца. Выкарыстоўваецца пругкапластычная залежнасць напружання і дэфармацыі, калі тэрмапругкае напружанне прапарцыянальна розніцы тэмператур. Для намінальнай магутнасці \(300~\text {W}\), частаты \(10^5~\text {Hz}\), каэфіцыента перарывістасці 100 і \(200~\upmu \text {m}\ ) эфектыўнага дыяметра пучка.
На малюнку 3 паказаны вынікі лікавага мадэлявання расплаўленай зоны з выкарыстаннем макраскапічнай матэматычнай мадэлі. Дыяметр зоны плаўлення складае \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) радыус) і \(40~\upmu \text {m}\) глыбіня. Вынікі мадэлявання паказваюць, што тэмпература паверхні лакальна змяняецца з часам як \(100~\text {K} \) з-за высокага перарывістага каэфіцыента мадуляцыі імпульсаў. Хуткасці нагрэву \(V_h\) і астуджэння \(V_c\) парадку \(10^7\) і \(10^6~\text {K}/\text {s}\), адпаведна. Гэтыя значэнні добра адпавядаюць нашым папярэднім аналізам64. Розніца ў парадку велічыні паміж \(V_h\) і \(V_c\) прыводзіць да хуткага перагрэву павярхоўнага пласта , дзе цеплаправоднасць да падкладкі недастатковая для адводу цяпла. Такім чынам, пры \(t=26~\upmu \text {s}\) тэмпература паверхні дасягае пікаў да \(4800~\text {K}\). Інтэнсіўнае выпарэнне матэрыялу можа прывесці да таго, што паверхня ўзору будзе падвяргацца празмернаму ціску і адслойвацца.
Вынікі лікавага мадэлявання зоны плаўлення адпалу з адзінкавым лазерным імпульсам на ўзорнай пласціне 316L. Час ад пачатку імпульсу да дасягнення глыбінёй расплаўленай ванны максімальнага значэння складае \(180~\upmu\text {s}\). Ізатэрма\(T = T_L = 1723~\text {K}\) уяўляе сабой мяжу паміж вадкай і цвёрдай фазамі. Ізабары (жоўтыя лініі) адпавядаюць да мяжы цякучасці, разлічанай як функцыя тэмпературы ў наступным раздзеле. Такім чынам, у вобласці паміж дзвюма ізалініямі (ізатэрмы\(T=T_L\) і ізабары\(\sigma =\sigma _V(T)\)) цвёрдая фаза падвяргаецца моцным механічным нагрузкам, якія могуць прывесці да зменаў у мікраструктуры.
Гэты эфект дадаткова тлумачыцца на малюнку 4a, дзе ўзровень ціску ў расплаўленай зоне намаляваны як функцыя часу і адлегласці ад паверхні. Па-першае, паводзіны ціску звязаны з мадуляцыяй інтэнсіўнасці лазернага імпульсу, апісанай на малюнку 2 вышэй. Максімальны ціск \text{s}\) каля \(10~\text {МПа}\) назіраўся прыкладна пры \(t=26~\upmu). Па-другое, ваганне мясцовага ціску на кантрольным кропка мае тыя ж характарыстыкі ваганняў, што і частата \(500~\text {кГц}\). Гэта азначае, што ультрагукавыя хвалі ціску генеруюцца на паверхні, а затым распаўсюджваюцца ў падкладку.
Разлічаныя характарыстыкі зоны дэфармацыі паблізу зоны плаўлення паказаны на мал. 4b. Лазерная абляцыя і тэрмапругкае напружанне генеруюць пругкія хвалі дэфармацыі, якія распаўсюджваюцца ў падкладку. Як відаць з малюнка, існуе дзве стадыі генерацыі напружання. Падчас першай фазы \(t < 40~\upmu \text {s}\) напружанне Мізеса ўзрастае да \(8~\text {МПа}\) з мадуляцыяй, падобнай да павярхоўнага ціску. Гэта напружанне ўзнікае з-за лазернай абляцыі, і ў кантрольных кропках не назіралася тэрмапругкага напружання, таму што першапачатковая зона тэрмічнага ўздзеяння была занадта малая. Калі цяпло рассейваецца ў падкладку, кантрольная кропка стварае высокае тэрмапругкае напружанне вышэй \(40~\text {MPa}\).
Атрыманыя ўзроўні мадуляванага напружання аказваюць істотны ўплыў на межы цвёрдага рэчыва і вадкасці і могуць быць механізмам кіравання, які рэгулюе шлях зацвярдзення. Памер зоны дэфармацыі ў 2-3 разы больш, чым зоны плаўлення. Як паказана на малюнку 3, параўноўваюцца размяшчэнне ізатэрмы плаўлення і ўзровень напружання, роўны мяжы цякучасці. Гэта азначае, што імпульснае лазернае апрамяненне забяспечвае высокія механічныя нагрузкі ў лакалізаваных зонах з эфектыўным дыяметрам ад 3 00 і \(800~\upmu \text {m}\) у залежнасці ад імгненнага часу.
Такім чынам, складаная мадуляцыя імпульснага лазернага адпалу прыводзіць да ультрагукавога эфекту. Шлях выбару мікраструктуры адрозніваецца ў параўнанні з SLM 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 субзерневых межаў. Такім чынам, мікраструктурныя ўласцівасці могуць быць наўмысна зменены, як паказана ніжэй. высновы даюць магчымасць распрацаваць прататып SLM з імпульснай мадуляцыяй і кіраваным ультрагукам. У гэтым выпадку п'езаэлектрычны індуктар 26, які выкарыстоўваецца ў іншым месцы, можа быць выключаны.
(a) Ціск як функцыя часу, разлічаны на розных адлегласцях ад паверхні 0, 20 і \(40~\upmu \text {m}\) уздоўж восі сіметрыі. (b) Залежнае ад часу напружанне фон Мізеса, разлічанае ў цвёрдай матрыцы на адлегласцях 70, 120 і \(170~\upmu \text {m}\) ад паверхні ўзору.
Эксперыменты праводзіліся на пласцінах з нержавеючай сталі AISI 321H з памерамі \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Пасля кожнага лазернага імпульсу пласціна рухаецца \(50~\upmu \text {m}\), а талія лазернага прамяня на паверхні мішэні складае каля \(100~\upmu \text {m}\). Выконваецца да пяці наступных праходаў прамяня па той жа дарожцы да інду. ce пераплаўленне апрацаванага матэрыялу для зярністасці. Ва ўсіх выпадках зона пераплаўлення апрацоўвалася ультрагукам у залежнасці ад вагальнага кампанента лазернага выпраменьвання. Гэта прыводзіць да памяншэння сярэдняй плошчы збожжа больш чым у 5 разоў. Малюнак 5 паказвае, як мікраструктура расплаўленай лазерам вобласці змяняецца з колькасцю наступных цыклаў пераплаўлення (праходаў).
Участкі (a,d,g,j) і (b,e,h,k) – мікраструктура абласцей лазернага расплаўлення, участкі (c,f,i,l) – размеркаванне каляровых зерняў па плошчы.Зацяненне паказвае часціцы, якія выкарыстоўваюцца для вылічэння гістаграмы. Колеры адпавядаюць зярністым рэгіёнам (гл. каляровую паласу ў верхняй частцы гістаграмы. Участкі (ac) адпавядаюць неапрацаванай нержавеючай сталі, а ўчасткі (df), (gi), (jl) адпавядаюць 1, 3 і 5 пераплаўленням.
Паколькі энергія лазернага імпульсу не змяняецца паміж наступнымі праходамі, глыбіня расплаўленай зоны застаецца аднолькавай. Такім чынам, наступны канал цалкам «перакрывае» папярэдні. Аднак гістаграма паказвае, што сярэдняя і сярэдняя плошча збожжа памяншаюцца з павелічэннем колькасці праходаў. Гэта можа сведчыць аб тым, што лазер дзейнічае на падкладку, а не на расплаў.
Драбненне зярністасці можа быць выклікана хуткім астуджэннем расплаўленай ванны65. Была праведзена яшчэ адна серыя эксперыментаў, у якой паверхні пласцін з нержавеючай сталі (321H і 316L) падвяргаліся ўздзеянню бесперапыннага лазернага выпраменьвання 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 Nd:Y AG-лазер у рэжыме свабоднага ходу. Аднак назіралася тыповая калонкавая структура.
Мікраструктура расплаўленай лазерам вобласці лазера бесперапыннай хвалі (пастаянная магутнасць 300 Вт, хуткасць сканавання 200 мм/с, нержавеючая сталь AISI 321H).
(a) Мікраструктура і (b) малюнкі дыфракцыі зваротнага рассейвання электронаў расплаўленай лазерам вобласці ў вакууме з бесперапынным лазерам (100 Вт пастаяннай магутнасці, 200 мм/с хуткасць сканавання, нержавеючая сталь AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Такім чынам, ясна паказана, што складаная мадуляцыя інтэнсіўнасці лазернага імпульсу аказвае істотны ўплыў на атрыманую мікраструктуру. Мы лічым, што гэты эфект носіць 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 сонотродов, якія забяспечваюць высокую інтэнсіўнасць. Вынік ультрагуку ў розных матэрыялах, у тым ліку ў сплаве Ti-6Al-4V 26 і нержавеючай сталі 34. Магчымы механізм мяркуецца наступным чынам. Інтэнсіўны ультрагук можа выклікаць акустычную кавітацыю, як прадэманстравана на звышхуткім сінхратронным рэнтгенаўскім здымку in situ. Згортванне кавітацыйных бурбалак у сваю чаргу стварае ўдарныя хвалі ў расплаўленым матэрыяле, пярэдні ціск якіх дасягае каля \(100~\text {MP a}\)69. Такія ўдарныя хвалі могуць быць дастаткова моцнымі, каб спрыяць утварэнню ядраў цвёрдай фазы крытычнага памеру ў аб'ёмных вадкасцях, парушаючы тыповую столбчатую структуру зярнят пры паслойнай адытыўнай вытворчасці.
Тут мы прапануем іншы механізм, які адказвае за структурную мадыфікацыю шляхам інтэнсіўнай апрацоўкі ультрагукам. Адразу пасля зацвярдзення матэрыял знаходзіцца пры высокай тэмпературы, блізкай да кропкі плаўлення, і мае надзвычай нізкі мяжа цякучасці. Інтэнсіўныя ультрагукавыя хвалі могуць выклікаць пластычную плынь, каб змяніць структуру збожжа гарачага, толькі што зацвярдзелага матэрыялу. Аднак надзейныя эксперыментальныя дадзеныя аб тэмпературнай залежнасці мяжы цякучасці даступныя на \(T\lesssim 11 50~\text {K}\) (гл. малюнак 8). Такім чынам, каб праверыць гэту гіпотэзу, мы правялі мадэляванне малекулярнай дынамікі (МД) складу Fe-Cr-Ni, падобнага да сталі AISI 316 L, каб ацаніць паводзіны мяжы цякучасці паблізу кропкі плаўлення. Каб вылічыць мяжу цякучасці, мы выкарысталі тэхніку рэлаксацыі напружання зруху МД, падрабязна апісаную ў 70, 71, 72, 73. Для разлікаў міжатамнага ўзаемадзеяння мы выкарысталі ўбудаваную атамную мадэль (EAM) з 74. Мадэляванне MD праводзілася з выкарыстаннем кодаў LAMMPS 75,76. Падрабязнасці мадэлявання MD будуць апублікаваны ў іншым месцы. Вынікі разлікаў MD для мяжы цякучасці ў залежнасці ад тэмпературы паказаны на мал. 8 разам з даступнымі эксперыментальнымі дадзенымі і іншымі ацэнкамі77,78,79,80,81,82.
Межа цякучасці для аўстэнітнай нержавеючай сталі маркі AISI 316 і склад мадэлі ў залежнасці ад тэмпературы для мадэлявання МД. Эксперыментальныя вымярэнні па спасылках: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Спасылайцеся на (f)82 - гэта эмпірычная мадэль залежнасці мяжы цякучасці ад тэмпературы для вымярэння напружання ў лініі падчас адытыўная вытворчасць з дапамогай лазера. Вынікі буйнамаштабнага мадэлявання МД у гэтым даследаванні пазначаюцца як \(\vartriangleleft\) для бясконцага монакрышталя без дэфектаў і \(\vartriangleright\) для канечных зерняў з улікам сярэдняга памеру зерня праз суадносіны Хола-Петча. Памеры\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Можна заўважыць, што пры \(T>1500~\text {K}\) мяжа цякучасці падае ніжэй \(40~\text {МПа}\). З іншага боку, ацэнкі прадказваюць, што генераваная лазерам ультрагукавая амплітуда перавышае \(40~\text {МПа}\) (гл. мал. 4b), чаго дастаткова, каб выклікаць пластычную плынь у толькі што зацвярдзелым гарачым матэрыяле.
Фарміраванне мікраструктуры аўстэнітнай нержавеючай сталі 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) падчас SLM было эксперыментальна даследавана з выкарыстаннем комплекснай імпульснай лазернай крыніцы з мадуляцыяй інтэнсіўнасці.
Памяншэнне памеру зерня ў зоне лазернага плаўлення выяўлена за кошт 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 \(1~\тэкст {мм}\).
Мікраскапічная мадэль МД паказвае, што мяжа цякучасці аўстэнітнай нержавеючай сталі AISI 316 значна зніжана да \(40~\text {МПа}\) паблізу тэмпературы плаўлення.
Атрыманыя вынікі прапануюць метад кіравання мікраструктурай матэрыялаў з дапамогай складанай мадуляванай лазернай апрацоўкі і могуць паслужыць асновай для стварэння новых мадыфікацый імпульснай методыкі SLM.
Liu, Y. et al. Мікраструктурная эвалюцыя і механічныя ўласцівасці кампазітаў TiB2/AlSi10Mg на месцы лазерным селектыўным плаўленнем [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. і інш. Рэкрышталізацыйная інжынерыя межаў зерняў лазернага селектыўнага плаўлення нержавеючай сталі 316L [J].Часопіс Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Распрацоўка на месцы сэндвіч-мікраструктур з падвышанай пластычнасцю шляхам лазернага нагрэву расплаўленых лазерам тытанавых сплаваў.science.Rep.10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Additive вытворчасць Ti-6Al-4V частак лазерным нанясеннем 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 накіраванага энергетычнага нанясення лазернага металічнага парашка сплаву 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametric Neutron Bragg Edge Imaging Study of Aditively Manufactured Samples Treated by Laser Shock Peening.science.Rep.11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, X. і інш. Градыентная мікраструктура і механічныя ўласцівасці Ti-6Al-4V, вырабленага электронна-прамянёвым плаўленнем. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).