Gràcies per visitar Nature.com. La versió del navegador que utilitzeu té un suport limitat per a CSS. Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer). Mentrestant, per garantir un suport continuat, mostrarem el lloc sense estils ni JavaScript.
Es proposa un nou mecanisme basat en la fusió làser selectiva per controlar la microestructura dels productes en el procés de fabricació. El mecanisme es basa en la generació d'ones ultrasòniques d'alta intensitat a la piscina fosa mitjançant una complexa irradiació làser modulada en intensitat. Estudis experimentals i simulacions numèriques mostren que aquest mecanisme de control és tècnicament viable i es pot integrar eficaçment en el disseny de màquines de fusió làser modernes selectives.
La fabricació additiva (MA) de peces de forma complexa ha crescut significativament en les últimes dècades. No obstant això, malgrat la varietat de processos de fabricació additiva, inclosa la fusió per làser selectiva (SLM)1,2,3, la deposició directa de metalls per làser4,5,6, la fusió de feix d'electrons7,8 i altres9,10, les parts poden estar associades principalment a la característiques específiques del procés de fusió sòlid. alts gradients tèrmics, altes velocitats de refredament i la complexitat dels cicles d'escalfament en la fusió i la fusió del material 11 , que condueixen al creixement epitaxial del gra i a una porositat important.12,13 van demostrar que és necessari controlar els gradients tèrmics, les velocitats de refrigeració i la composició de l'aliatge, o aplicar cops físics addicionals per camps externs de diverses propietats, com ara els ultrasons, per aconseguir estructures de gra equiaxial fins.
Nombroses publicacions s'ocupen de l'efecte del tractament de vibració en el procés de solidificació en els processos de colada convencionals14,15. No obstant això, l'aplicació d'un camp extern a una massa fosa no produeix la microestructura del material desitjada. Si el volum de la fase líquida és petit, la situació canvia dràsticament. En aquest cas, el camp extern afecta significativament el procés de solidificació. 3,24,25,26,27, agitació de l'arc28 i oscil·lació29, efectes electromagnètics durant arcs de plasma polsat30,31 i altres mètodes32 s'han considerat. Connecteu-vos al substrat mitjançant una font d'ultrasons d'alta intensitat externa (a 20 kHz). es produeix per cavitació.
En aquest treball, s'ha investigat la possibilitat d'alterar l'estructura del gra dels acers inoxidables austenítics mitjançant la sonicació de la piscina fosa amb ones sonores generades pel propi làser de fusió. La modulació d'intensitat de la radiació làser incident en el medi absorbent de llum dóna lloc a la generació d'ones ultrasòniques, que alteren la microestructura del material. Per tant, tècnicament, es fa un tractament de superfície làser. No obstant això, si es realitza aquest tractament làser a la superfície de cada capa, durant l'acumulació capa per capa, s'aconsegueixen efectes sobre tot el volum o sobre parts seleccionades del volum. És a dir, si la part de cada capa es construeix, el tractament de superfície per capa és equivalent al tractament de capa per capa.
Mentre que en la teràpia ultrasònica basada en banyes, l'energia ultrasònica de l'ona sonora estacionària es distribueix per tot el component, mentre que la intensitat ultrasònica induïda per làser es concentra molt prop del punt on s'absorbeix la radiació làser. L'ús d'un sonotrode en una màquina de fusió de llit de pols SLM és complicat perquè la superfície superior del llit de pols es troba exposada a la part superior de la radiació làser. e, l'estrès acústic és proper a zero i la velocitat de les partícules té una amplitud màxima sobre tota la superfície superior de la peça. La pressió sonora dins de tota la piscina fosa no pot superar el 0,1% de la pressió màxima generada pel capçal de soldadura, ja que la longitud d'ona de les ones ultrasòniques amb una freqüència de 20 kHz a l'acer inoxidable és \(\sim Them{m}~3\), i normalment la amplitud del text és 0,3 p. ~\text {mm}\). Per tant, l'efecte de l'ecografia sobre la cavitació pot ser petit.
Cal assenyalar que l'ús de radiació làser modulada per intensitat en la deposició directa de metall làser és una àrea activa de recerca35,36,37,38.
Els efectes tèrmics de la radiació làser incident sobre el medi són la base per a gairebé totes les tècniques làser de processament de materials 39, 40, com ara el tall 41, la soldadura, l'enduriment, la perforació 42, la neteja de superfícies, l'aliatge de superfícies, el poliment de superfícies 43, etc.
Cal tenir en compte que qualsevol acció no estacionària sobre el medi, inclosa l'acció làser sobre el medi absorbent, provoca l'excitació de les ones acústiques en ell amb més o menys eficiència. Inicialment, l'atenció principal es va centrar en l'excitació làser d'ones en líquids i en els diferents mecanismes d'excitació tèrmica del so (expansió tèrmica, evaporació, canvi de volum, transició de fases, transició numèrica, etc.). 0, 51, 52 ofereixen anàlisis teòriques d'aquest procés i les seves possibles aplicacions pràctiques.
Aquests temes es van tractar posteriorment en diverses conferències, i l'excitació làser d'ultrasons té aplicacions tant en aplicacions industrials de la tecnologia làser53 com en medicina54. Per tant, es pot considerar que s'ha establert el concepte bàsic del procés pel qual la llum làser polsada actua sobre un medi absorbent.
L'efecte de les ones de xoc generades per làser sobre els materials és la base de la granallada de xoc làser57,58,59, que també s'utilitza per al tractament superficial de peces fabricades additivament60. No obstant això, l'enfortiment de xoc làser és més efectiu en polsos làser de nanosegons i superfícies carregades mecànicament (per exemple, amb una capa de líquid)59 perquè la càrrega mecànica augmenta la pressió màxima.
Es van realitzar experiments per investigar els possibles efectes de diversos camps físics sobre la microestructura dels materials solidificats. El diagrama funcional de la configuració experimental es mostra a la figura 1. Es va utilitzar un làser d'estat sòlid Nd:YAG polsat que funciona en mode de funcionament lliure (durada del pols \(\tau_L\sim 150~\upmu\text {s}\) es va utilitzar una sèrie de filtres de pols dividit a través d'una sèrie de filtres neutres i es va passar una sèrie de polsos dividits a través d'una sèrie de filtres neutres. Depenent de la combinació de filtres de densitat neutra, l'energia del pols a l'objectiu varia des de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) fins a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). }\)) s'utilitzen per determinar l'incident i reflectit des de l'objectiu, i dos mesuradors de potència (fotodíodes amb temps de resposta curts\(<10~\text {ns}\)) per determinar la potència òptica incident i reflectida. Els calorímetres i els mesuradors de potència es van calibrar per donar valors en unitats absolutes mitjançant un detector de termopila Gentec-EO XLP12-3S-H i es van muntar a l'objectiu de la mostra en un mirall dielèctric. una lent (recobriment antireflectant a \(1,06 \upmu \text {m}\), distància focal \(160~\text {mm}\)) i una cintura del feix a la superfície objectiu 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagrama esquemàtic funcional de la configuració experimental: 1—làser;2—raig làser;3-filtre de densitat neutra;4—fotodíode sincronitzat;5—divisor de feix;6—diafragma;7-calorímetre del feix incident;8 – calorímetre del feix reflectit;9 – mesurador de potència del feix incident;10 - mesurador de potència del feix reflectit;11 – lent d'enfocament;12 – mirall;13 – mostra;14 - transductor piezoelèctric de banda ampla;15 - convertidor 2D;16 – microcontrolador de posicionament;17 – unitat de sincronització;18 – sistema d'adquisició digital multicanal amb diverses taxes de mostreig;19 – ordinador personal.
El tractament amb ultrasons es realitza de la següent manera. El làser funciona en mode de funcionament lliure;per tant, la durada del pols làser és \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consta de durades múltiples d'aproximadament \(1,5~\upmu \text {s} \) cadascuna. La forma temporal del pols làser i el seu espectre consisteixen en un embolcall de baixa freqüència i una modulació de freqüència d'alta freqüència, amb una modulació de freqüència mitjana aproximadament\, amb {0,7} en la figura aproximadament. - L'embolcall de freqüència proporciona l'escalfament i la posterior fusió i evaporació del material, mentre que el component d'alta freqüència proporciona les vibracions ultrasòniques a causa de l'efecte fotoacústic. La forma d'ona del pols ultrasònic generat pel làser està determinada principalment per la forma del temps de la intensitat del pols làser.És de \(7~\text {kHz}\) a \(2~\text {MHz}\), i la freqüència central és \(~ 0,7~\text {MHz}\). Els polsos acústics deguts a l'efecte fotoacústic es van registrar mitjançant transductors piezoelèctrics de banda ampla fets de pel·lícules de fluorur de polivinilidè. d'un làser en mode de funcionament lliure.
Distribució temporal de la intensitat del pols làser (a) i la velocitat del so (b) a la superfície posterior de la mostra, els espectres (corba blava) d'un sol pols làser (c) i un pols d'ultrasò (d) van tenir una mitjana de més de 300 polsos làser (corba vermella).
Podem distingir clarament els components de baixa freqüència i alta freqüència del tractament acústic corresponents a l'embolcall de baixa freqüència del pols làser i la modulació d'alta freqüència, respectivament. Les longituds d'ona de les ones acústiques generades per l'embolcall del pols làser superen \(40~\text {cm}\);per tant, s'espera l'efecte principal dels components d'alta freqüència de banda ampla del senyal acústic sobre la microestructura.
Els processos físics en SLM són complexos i es produeixen simultàniament a diferents escales espacials i temporals. Per tant, els mètodes multiescala són els més adequats per a l'anàlisi teòric de SLM. Els models matemàtics haurien de ser inicialment multifísics. La mecànica i la termofísica d'un medi multifàsic "fosa sòlid-líquid" interaccionant amb una atmosfera de gas inert.
Taxes de calefacció i refrigeració de fins a \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ a causa de la irradiació làser localitzada amb densitats de potència de fins a \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
El cicle de fusió-solidificació dura entre 1 i \(10~\text {ms}\), cosa que contribueix a la solidificació ràpida de la zona de fusió durant el refredament.
L'escalfament ràpid de la superfície de la mostra dóna lloc a la formació de tensions termoelàstiques elevades a la capa superficial. S'evapora fortament una part suficient (fins a un 20%) de la capa de pols63, la qual cosa resulta en una càrrega de pressió addicional a la superfície en resposta a l'ablació làser. En conseqüència, la tensió induïda distorsiona significativament la geometria de la peça i provoca un pols de calor prop de l'estructura del làser. generació d'ones de deformació ultrasòniques que es propaguen des de la superfície fins al substrat. Per tal d'obtenir dades quantitatives precises sobre la distribució local de tensió i deformació, es realitza una simulació mesoscòpica del problema de deformació elàstica conjugada a la transferència de calor i massa.
Les equacions governants del model inclouen (1) equacions de transferència de calor inestable on la conductivitat tèrmica depèn de l'estat de fase (pols, fosa, policristalina) i la temperatura, (2) fluctuacions en la deformació elàstica després de l'ablació contínua i l'equació d'expansió termoelàstica. El problema del valor límit es determina per les condicions experimentals. El flux es defineix a partir del càlcul de la pressió de vapor saturat del material que s'evapora. La relació esforç-deformació elastoplàstica s'utilitza quan l'esforç termoelàstic és proporcional a la diferència de temperatura.
La figura 3 mostra els resultats de la simulació numèrica de la zona fosa mitjançant un model matemàtic macroscòpic. El diàmetre de la zona de fusió és \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) radi) i \(40~\upmu \text {m}\) la profunditat. ) a causa de l'elevat factor intermitent de la modulació del pols. Les taxes d'escalfament \(V_h\) i de refrigeració \(V_c\) són de l'ordre de \(10^7\) i \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respectivament. Aquests valors estan en bon acord amb la nostra anàlisi anterior64. , on la conducció tèrmica al substrat és insuficient per eliminar la calor. Per tant, a \(t=26~\upmu \text {s}\) la temperatura de la superfície arriba fins a \(4800~\text {K}\). L'evaporació vigorosa del material pot fer que la superfície de la mostra estigui sotmesa a una pressió excessiva i es desprengui.
Resultats de la simulació numèrica de la zona de fusió del recuit de pols làser únic a la placa de mostra de 316L. El temps des de l'inici del pols fins a la profunditat de la piscina fosa que arriba al valor màxim és \(180~\upmu\text {s}\). d esforç calculat en funció de la temperatura a l'apartat següent. Per tant, en el domini entre les dues isolínies (isotermes\(T=T_L\) i isòbares\(\sigma =\sigma _V(T)\)), la fase sòlida està sotmesa a fortes càrregues mecàniques, que poden provocar canvis en la microestructura.
Aquest efecte s'explica més a la figura 4a, on el nivell de pressió a la zona fosa es representa en funció del temps i la distància des de la superfície. En primer lloc, el comportament de la pressió està relacionat amb la modulació de la intensitat del pols làser descrita a la figura 2 anterior. característiques de vibració com la freqüència de \(500~\text {kHz}\). Això significa que les ones de pressió ultrasòniques es generen a la superfície i després es propaguen al substrat.
Les característiques calculades de la zona de deformació propera a la zona de fusió es mostren a la figura 4b. L'ablació làser i la tensió termoelàstica generen ones de deformació elàstica que es propaguen al substrat. Com es pot veure a la figura, hi ha dues etapes de generació d'estrès. La pressió superficial. Aquesta tensió es produeix a causa de l'ablació amb làser, i no es va observar cap tensió termoelàstica als punts de control perquè la zona inicial afectada per la calor era massa petita. Quan la calor es dissipa al substrat, el punt de control genera una gran tensió termoelàstica per sobre de \(40~\text {MPa}\).
Els nivells d'estrès modulats obtinguts tenen un impacte significatiu en la interfície sòlid-líquid i poden ser el mecanisme de control que governa el camí de solidificació. La mida de la zona de deformació és de 2 a 3 vegades més gran que la de la zona de fusió. Com es mostra a la figura 3, es comparen la ubicació de la isoterma de fusió i el nivell d'estrès igual a la tensió de fluència. 300 i \(800~\upmu \text {m}\) depenent del temps instantani.
Per tant, la complexa modulació del recuit per làser polsat condueix a l'efecte ultrasònic. La via de selecció de la microestructura és diferent si es compara amb l'SLM sense càrrega ultrasònica. Les regions inestables deformades condueixen a cicles periòdics de compressió i estirament en la fase sòlida. Així, la formació de nous límits de gra i límits de subgrans es fa factible. En aquest cas, es pot excloure l'inductor piezoelèctric 26 utilitzat en altres llocs.
(a) Pressió en funció del temps, calculada a diferents distàncies de la superfície 0, 20 i \(40~\upmu \text {m}\) al llarg de l'eix de simetria. (b) Tensió de Von Mises depenent del temps calculat en una matriu sòlida a distàncies 70, 120 i \(170~\upmu \text {m}\) de la superfície de la mostra.
Els experiments es van realitzar amb plaques d'acer inoxidable AISI 321H amb dimensions \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Després de cada pols làser, la placa es mou \(50~\upmu \text {m}\), i la cintura del raig làser a la superfície objectiu és d'aproximadament \(100~\upmu\text {m}\). Refusió del material processat per al refinament del gra. En tots els casos, la zona de fosa es va sonicar, depenent del component oscil·latori de la radiació làser. Això es tradueix en una reducció de més de 5 vegades de l'àrea mitjana del gra. La figura 5 mostra com la microestructura de la regió fosa amb làser canvia amb el nombre de cicles posteriors de fosa (passes).
Subtrama (a, d, g, j) i (b, e, h, k) - microestructura de regions foses per làser, subtrama (c, f, i, l) - distribució d'àrea de grans de colors.L'ombrejat representa les partícules utilitzades per calcular l'histograma. Els colors corresponen a les regions de gra (vegeu la barra de colors a la part superior de l'histograma. Les subparcel·les (ac) corresponen a l'acer inoxidable sense tractar, i les subparcel·les (df), (gi), (jl) corresponen a 1, 3 i 5 fundes.
Com que l'energia del pols làser no canvia entre passades posteriors, la profunditat de la zona fosa és la mateixa. Així, el canal posterior "cobreix" completament l'anterior. No obstant això, l'histograma mostra que l'àrea mitjana i mitjana del gra disminueix amb l'augment del nombre de passades. Això pot indicar que el làser està actuant sobre el substrat en lloc de la fosa.
El refinament del gra pot ser causat per un refredament ràpid de la piscina fosa65. Es va dur a terme un altre conjunt d'experiments en què les superfícies de plaques d'acer inoxidable (321H i 316L) estaven exposades a radiació làser d'ona contínua a l'atmosfera (Fig. 6) i al buit (Fig. 7). mode de funcionament lliure. No obstant això, es va observar una estructura columnar típica.
Microestructura de la regió fosa per làser d'un làser d'ona contínua (potència constant de 300 W, velocitat d'escaneig de 200 mm/s, acer inoxidable AISI 321H).
(a) Microestructura i (b) imatge de difracció de retrodispersió d'electrons de la zona de fusió làser del làser d'ona contínua al buit (potència constant 100 W, velocitat d'escaneig 200 mm/s, acer inoxidable AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar}\).
Per tant, està clarament demostrat que la complexa modulació de la intensitat del pols làser té un efecte significatiu en la microestructura resultant. Creiem que aquest efecte és de naturalesa mecànica i es produeix a causa de la generació de vibracions ultrasòniques que es propaguen des de la superfície irradiada de la fosa profundament a la mostra. S'han obtingut resultats similars en 13, 26, 34, 66, mitjançant transductors ultrasònics externs i diversos materials d'alta intensitat i ultrasons67. inclòs l'aliatge Ti-6Al-4V 26 i l'acer inoxidable 34 el resultat. El possible mecanisme s'especula de la següent manera. Un ultrasò intens pot provocar cavitació acústica, tal com es demostra en imatges ultraràpides de raigs X de sincrotró in situ. El col·lapse de les bombolles de cavitació al seu torn genera ones de xoc en el material fos, la pressió frontal de les quals pot arribar a arribar a una ona de xoc. prou fort per promoure la formació de nuclis en fase sòlida de mida crítica en líquids a granel, interrompent l'estructura típica de gra columnar de la fabricació additiva capa per capa.
Aquí, proposem un altre mecanisme responsable de la modificació estructural per sonicació intensa. El material just després de la solidificació es troba a una temperatura alta propera al punt de fusió i té una tensió de rendiment extremadament baixa. Les ones ultrasòniques intenses poden provocar que el flux plàstic alteri l'estructura del gra del material calent que s'acaba de solidificar. , per provar la hipòtesi, hem realitzat simulacions de dinàmica molecular (MD) d'una composició Fe-Cr-Ni similar a l'acer AISI 316 L per tal d'avaluar el comportament de la tensió de fluència prop del punt de fusió. 4.Les simulacions MD es van realitzar mitjançant els codis LAMMPS 75,76. Els detalls de la simulació MD es publicaran en un altre lloc. Els resultats del càlcul MD de la tensió de fluència en funció de la temperatura es mostren a la figura 8 juntament amb les dades experimentals disponibles i altres avaluacions77,78,79,80,81,82.
L'estrès de fluència per a l'acer inoxidable austenític AISI 316 i la composició del model en funció de la temperatura per a simulacions MD. Mesures experimentals a partir de referències: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.Refer to. (f)82 és un model empíric de mesura de la tensió làser depenent de la temperatura de fabricació de la tensió de rendiment additiva en la temperatura. .Els resultats de la simulació MD a gran escala en aquest estudi es denoten com a \(\vartriangleleft\) per a un cristall únic infinit sense defectes i \(\vartriangleright\) per a grans finits tenint en compte la mida mitjana del gra mitjançant la relació Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Es pot veure que a \(T>1500~\text {K}\) la tensió de fluència cau per sota de \(40~\text {MPa}\). D'altra banda, les estimacions prediuen que l'amplitud d'ultrasons generada per làser supera \(40~\text {MPa}\) (vegeu la figura 4b), que és suficient per induir un flux sòlid de material calent.
La formació de microestructura d'acer inoxidable austenític 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durant SLM es va investigar experimentalment mitjançant una font làser polsada modulada per intensitat complexa.
Es va trobar una reducció de la mida del gra a la zona de fusió del làser a causa de la refusió contínua del làser després d'1, 3 o 5 passades.
El modelatge macroscòpic mostra que la mida estimada de la regió on la deformació ultrasònica pot afectar positivament el front de solidificació és de fins a \(1~\text {mm}\).
El model MD microscòpic mostra que el límit elàstic de l'acer inoxidable austenític AISI 316 es redueix significativament a \(40~\text {MPa}\) prop del punt de fusió.
Els resultats obtinguts suggereixen un mètode per controlar la microestructura dels materials mitjançant un processament làser modulat complex i podria servir de base per crear noves modificacions de la tècnica SLM polsada.
Liu, Y. et al. Evolució microestructural i propietats mecàniques dels compostos TiB2/AlSi10Mg in situ per fusió selectiva per làser [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Enginyeria de límits de gra de recristal·lització de fusió selectiva làser d'acer inoxidable 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Desenvolupament in situ de microestructures sandvitx amb ductilitat millorada per reescalfament làser d'aliatges de titani fos amb làser.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Fabricació additiva de peces de Ti-6Al-4V per deposició làser de metalls (LMD): procés, microestructura i propietats mecàniques.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Modelatge microestructural de la deposició d'energia dirigida a pols metàl·lica làser de l'aliatge 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al.Estudi d'imatge paramètrica de neutrons Bragg Edge de mostres fabricades additivament tractades per làser Shock Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Microestructura del gradient i propietats mecàniques de Ti-6Al-4V fabricades additivament per fusió de feix d'electrons.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).