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Es wird ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, der auf selektivem Laserschmelzen basiert, um die Mikrostruktur von Produkten im Herstellungsprozess zu steuern. Der Mechanismus basiert auf der Erzeugung hochintensiver Ultraschallwellen im Schmelzbad durch komplexe intensitätsmodulierte Laserbestrahlung. Experimentelle Studien und numerische Simulationen zeigen, dass dieser Steuerungsmechanismus technisch machbar ist und effektiv in das Design moderner selektiver Laserschmelzmaschinen integriert werden kann.
Die additive Fertigung (AM) von komplex geformten Teilen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Doch trotz der Vielfalt additiver Fertigungsverfahren, darunter selektives Laserschmelzen (SLM)1,2,3, direkte Lasermetallabscheidung4,5,6, Elektronenstrahlschmelzen7,8 und andere9,10, können die Teile fehlerhaft sein. Dies ist hauptsächlich auf die spezifischen Eigenschaften des Schmelzbad-Erstarrungsprozesses zurückzuführen, der mit hohen Wärmegradienten, hohen Abkühlraten und der Komplexität der Heizzyklen beim Schmelzen und Umschmelzen des Materials verbunden ist 11 , was zu epitaktischem Kornwachstum und erheblicher Porosität führt.12,13 zeigten, dass es notwendig ist, Wärmegradienten, Abkühlgeschwindigkeiten und Legierungszusammensetzung zu kontrollieren oder zusätzliche physikalische Stöße durch externe Felder mit verschiedenen Eigenschaften, wie z. B. Ultraschall, anzuwenden, um feine gleichachsige Kornstrukturen zu erreichen.
Zahlreiche Veröffentlichungen befassen sich mit der Auswirkung der Vibrationsbehandlung auf den Erstarrungsprozess in konventionellen Gießverfahren14,15. Allerdings erzeugt die Anwendung eines externen Feldes auf eine Massenschmelze nicht die gewünschte Materialmikrostruktur. Wenn das Volumen der flüssigen Phase klein ist, ändert sich die Situation dramatisch. In diesem Fall beeinflusst das externe Feld den Erstarrungsprozess erheblich. Intensive Schallfelder16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, Lichtbogenrühren28 und Oszillation29, elektromagnetische Effekte während gepulster Plasmabögen30,31 und andere Methoden32 wurden in Betracht gezogen. Anbringen am Substrat mithilfe einer externen hochintensiven Ultraschallquelle (bei 20 kHz). Die ultraschallinduzierte Kornverfeinerung wird auf die erhöhte konstitutive Unterkühlungszone aufgrund des verringerten Temperaturgradienten und der Ultraschallverstärkung zurückgeführt, um durch Kavitation neue Kristallite zu erzeugen.
In dieser Arbeit untersuchten wir die Möglichkeit, die Kornstruktur austenitischer Edelstähle zu verändern, indem wir das Schmelzbad mit Schallwellen beschallen, die vom Schmelzlaser selbst erzeugt werden. Die Intensitätsmodulation der auf das lichtabsorbierende Medium einfallenden Laserstrahlung führt zur Erzeugung von Ultraschallwellen, die die Mikrostruktur des Materials verändern. Diese Intensitätsmodulation der Laserstrahlung kann problemlos in bestehende SLM-3D-Drucker integriert werden. Die Experimente in dieser Arbeit wurden an Edelstahlplatten durchgeführt, deren Oberflächen intensitätsmodulierter Laserstrahlung ausgesetzt wurden. Technisch gesehen wird eine Laseroberflächenbehandlung durchgeführt. Wenn eine solche Laserbehandlung jedoch auf der Oberfläche jeder Schicht durchgeführt wird, werden beim schichtweisen Aufbau Effekte auf das gesamte Volumen oder auf ausgewählte Teile des Volumens erzielt. Mit anderen Worten: Wenn das Teil schichtweise aufgebaut wird, entspricht die Laseroberflächenbehandlung jeder Schicht einer „Laservolumenbehandlung“.
Bei der Ultraschalltherapie mit Ultraschallhorn hingegen wird die Ultraschallenergie der stehenden Schallwelle im gesamten Bauteil verteilt, während die laserinduzierte Ultraschallintensität in der Nähe des Punkts, an dem die Laserstrahlung absorbiert wird, stark konzentriert ist. Der Einsatz einer Sonotrode in einer SLM-Pulverbettschmelzmaschine ist kompliziert, da die der Laserstrahlung ausgesetzte Oberfläche des Pulverbetts stationär bleiben sollte Oberfläche des Teils. Der Schalldruck im gesamten Schmelzbad darf 0,1 % des vom Schweißkopf erzeugten Maximaldrucks nicht überschreiten, da die Wellenlänge von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 kHz in Edelstahl \(\sim 0,3~\text {m}\) beträgt und die Tiefe normalerweise weniger als \(\sim 0,3~\text {mm}\) beträgt. Daher kann die Wirkung von Ultraschall auf die Kavitation gering sein.
Es ist zu beachten, dass der Einsatz intensitätsmodulierter Laserstrahlung bei der direkten Lasermetallabscheidung ein aktives Forschungsgebiet ist35,36,37,38.
Die thermischen Effekte der auf das Medium einfallenden Laserstrahlung sind die Grundlage für fast alle Lasertechniken der Materialbearbeitung 39, 40, wie Schneiden 41, Schweißen, Härten, Bohren 42, Oberflächenreinigen, Oberflächenlegieren, Oberflächenpolieren 43 usw. Materialbearbeitungstechnik und zusammengefasste vorläufige Ergebnisse in vielen Rezensionen und Monographien 44, 45, 46.
Es ist zu beachten, dass jede instationäre Einwirkung auf das Medium, einschließlich der Lasereinwirkung auf das absorbierende Medium, zur Anregung akustischer Wellen in diesem mit mehr oder weniger Effizienz führt. Zunächst lag das Hauptaugenmerk auf der Laseranregung von Wellen in Flüssigkeiten und den verschiedenen thermischen Anregungsmechanismen des Schalls (thermische Ausdehnung, Verdampfung, Volumenänderung während des Phasenübergangs, Kontraktion usw.) 47, 48, 49. Zahlreiche Monographien50, 51, 52 liefern theoretische Informationen Analysen dieses Prozesses und seiner möglichen praktischen Anwendungen.
Diese Themen wurden anschließend auf verschiedenen Konferenzen diskutiert, und die Laseranregung von Ultraschall findet Anwendung sowohl in industriellen Anwendungen der Lasertechnologie53 als auch in der Medizin54. Daher kann davon ausgegangen werden, dass das Grundkonzept des Prozesses, bei dem gepulstes Laserlicht auf ein absorbierendes Medium einwirkt, etabliert ist. Die Laser-Ultraschallprüfung wird zur Fehlererkennung von SLM-hergestellten Proben55,56 verwendet.
Die Wirkung von lasererzeugten Stoßwellen auf Materialien ist die Grundlage des Laserschockstrahlens57,58,59, das auch zur Oberflächenbehandlung von additiv gefertigten Teilen eingesetzt wird60. Am effektivsten ist die Laserschockverfestigung jedoch bei Nanosekunden-Laserpulsen und mechanisch belasteten Oberflächen (z. B. mit einer Flüssigkeitsschicht)59, da die mechanische Belastung den Spitzendruck erhöht.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die möglichen Auswirkungen verschiedener physikalischer Felder auf die Mikrostruktur verfestigter Materialien zu untersuchen. Das Funktionsdiagramm des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 1 dargestellt. Es wurde ein gepulster Nd:YAG-Festkörperlaser verwendet, der im Freilaufmodus arbeitet (Pulsdauer \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Jeder Laserpuls wird durch eine Reihe von Neutraldichtefiltern und ein Strahlteilerplattensystem geleitet. Abhängig von der Kombination der Neutraldichtefilter beträgt die Pulsenergie auf dem Ziel variiert von \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) bis \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Der vom Strahlteiler reflektierte Laserstrahl wird einer Fotodiode zur gleichzeitigen Datenerfassung zugeführt, und zwei Kalorimeter (Fotodioden mit einer langen Reaktionszeit von mehr als \(1~\text {ms}\) werden verwendet, um den Einfall auf das und das von ihm reflektierte Ziel zu bestimmen, und zwei Leistungsmesser (Fotodioden mit kurzen Reaktionszeiten\) (<10~\text {ns}\)) zur Bestimmung der einfallenden und reflektierten optischen Leistung. Kalorimeter und Leistungsmesser wurden mithilfe eines Thermosäulendetektors Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 und eines am Probenort montierten dielektrischen Spiegels so kalibriert, dass sie Werte in absoluten Einheiten liefern. Fokussieren Sie den Strahl auf das Ziel mithilfe einer Linse (Antireflexionsbeschichtung bei \(1,06 \upmu \text {m}\), Brennweite \(160~\text {mm}\) ) und eine Strahltaille an der Zieloberfläche 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Funktionsschema des Versuchsaufbaus: 1 – Laser;2 – Laserstrahl;3 – Neutraldichtefilter;4 – synchronisierte Fotodiode;5 – Strahlteiler;6 – Membran;7 – Kalorimeter des einfallenden Strahls;8 – Kalorimeter des reflektierten Strahls;9 – Leistungsmesser des einfallenden Strahls;10 – Leistungsmesser des reflektierten Strahls;11 – Fokussierlinse;12 – Spiegel;13 – Probe;14 – piezoelektrischer Breitbandwandler;15 – 2D-Konverter;16 – Positionierungsmikrocontroller;17 – Synchronisationseinheit;18 – digitales Mehrkanal-Erfassungssystem mit verschiedenen Abtastraten;19 – Personalcomputer.
Die Ultraschallbehandlung wird wie folgt durchgeführt: Der Laser arbeitet im Freilaufmodus;Daher beträgt die Dauer des Laserpulses \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), die aus mehreren Dauern von jeweils etwa \(1,5~\upmu \text {s} \) besteht. Die zeitliche Form des Laserpulses und sein Spektrum bestehen aus einer Niederfrequenz-Hüllkurve und einer Hochfrequenzmodulation mit einer durchschnittlichen Frequenz von etwa \(0,7~\text {MHz}\), wie in Abbildung 2 dargestellt.- Die Frequenzhüllkurve sorgt für die Erwärmung und das anschließende Schmelzen und Verdampfung des Materials, während die Hochfrequenzkomponente aufgrund des photoakustischen Effekts für die Ultraschallschwingungen sorgt. Die Wellenform des vom Laser erzeugten Ultraschallimpulses wird hauptsächlich durch die zeitliche Form der Laserimpulsintensität bestimmt.Sie reicht von \(7~\text {kHz}\) bis \(2~\text {MHz}\) und die Mittenfrequenz beträgt \(~ 0,7~\text {MHz}\). Akustische Impulse aufgrund des photoakustischen Effekts wurden mit breitbandigen piezoelektrischen Wandlern aus Polyvinylidenfluoridfilmen aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Wellenform und ihr Spektrum sind in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Form der Laserimpulse typisch für einen Laser im freilaufenden Modus ist.
Zeitliche Verteilung der Laserpulsintensität (a) und Schallgeschwindigkeit (b) auf der Rückseite der Probe, die Spektren (blaue Kurve) eines einzelnen Laserpulses (c) und eines Ultraschallpulses (d) gemittelt über 300 Laserpulse (rote Kurve).
Wir können die niederfrequenten und hochfrequenten Komponenten der akustischen Behandlung deutlich unterscheiden, die der niederfrequenten Hüllkurve des Laserpulses bzw. der hochfrequenten Modulation entsprechen. Die Wellenlängen der durch die Laserpulshüllkurve erzeugten akustischen Wellen überschreiten \(40~\text {cm}\);Daher wird erwartet, dass die Hauptwirkung der breitbandigen Hochfrequenzkomponenten des akustischen Signals auf die Mikrostruktur liegt.
Die physikalischen Prozesse im SLM sind komplex und laufen gleichzeitig auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ab. Daher eignen sich Multiskalenmethoden am besten für die theoretische Analyse von SLM. Mathematische Modelle sollten zunächst multiphysikalisch sein. Anschließend können die Mechanik und Thermophysik eines mehrphasigen Mediums „Fest-Flüssig-Schmelze“, das mit einer Inertgasatmosphäre interagiert, effektiv beschrieben werden. Die Eigenschaften thermischer Materialbelastungen im SLM sind wie folgt.
Aufheiz- und Abkühlraten bis zu \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ durch lokalisierte Laserbestrahlung mit Leistungsdichten bis zu \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Der Schmelz-Erstarrungs-Zyklus dauert zwischen 1 und \(10~\text {ms}\), was zur schnellen Erstarrung der Schmelzzone beim Abkühlen beiträgt.
Eine schnelle Erwärmung der Probenoberfläche führt zur Bildung hoher thermoelastischer Spannungen in der Oberflächenschicht. Ein ausreichender Anteil (bis zu 20 %) der Pulverschicht wird stark verdampft63, was zu einer zusätzlichen Druckbelastung auf der Oberfläche als Reaktion auf die Laserablation führt. Infolgedessen verzerrt die induzierte Spannung die Teilegeometrie erheblich, insbesondere in der Nähe von Stützen und dünnen Strukturelementen. Die hohe Erwärmungsrate beim gepulsten Laserglühen führt zur Erzeugung von Ultraschallspannungswellen, die sich von der Oberfläche zum Substrat ausbreiten. Um Um genaue quantitative Daten zur lokalen Spannungs- und Dehnungsverteilung zu erhalten, wird eine mesoskopische Simulation des Problems der elastischen Verformung im Zusammenhang mit Wärme- und Stoffübertragung durchgeführt.
Zu den maßgeblichen Gleichungen des Modells gehören (1) instationäre Wärmeübertragungsgleichungen, bei denen die Wärmeleitfähigkeit vom Phasenzustand (Pulver, Schmelze, polykristallin) und der Temperatur abhängt, (2) Schwankungen der elastischen Verformung nach Kontinuumsablation und thermoelastischer Expansionsgleichung Die lastoplastische Spannungs-Dehnungs-Beziehung wird verwendet, wenn die thermoelastische Spannung proportional zur Temperaturdifferenz ist. Für Nennleistung \(300~\text {W}\), Frequenz \(10^5~\text {Hz}\), intermittierenden Koeffizienten 100 und \(200~\upmu \text {m}\ ) des effektiven Strahldurchmessers.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der numerischen Simulation der geschmolzenen Zone unter Verwendung eines makroskopischen mathematischen Modells. Der Durchmesser der Fusionszone beträgt \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) Radius) und \(40~\upmu \text {m}\) Tiefe. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Oberflächentemperatur aufgrund des hohen intermittierenden Faktors des Impulses lokal mit der Zeit um \(100~\text {K}\) variiert Modulation. Die Erwärmungs-\(V_h\)- und Abkühlungs-\(V_c\)-Raten liegen in der Größenordnung von \(10^7\) bzw. \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Diese Werte stimmen gut mit unserer vorherigen Analyse überein. Bei \(t=26~\upmu \text {s}\) erreicht die Oberflächentemperatur einen Spitzenwert von \(4800~\text {K}\). Starkes Verdampfen des Materials kann dazu führen, dass die Probenoberfläche übermäßigem Druck ausgesetzt wird und sich ablöst.
Numerische Simulationsergebnisse der Schmelzzone des Glühens mit einem einzelnen Laserpuls auf einer 316L-Probenplatte. Die Zeit vom Beginn des Pulses bis zum Erreichen des Maximalwerts durch die Tiefe des geschmolzenen Pools beträgt \(180~\upmu\text {s}\). Im Bereich zwischen den beiden Isolinien (Isothermen\(T=T_L\) und Isobaren\(\sigma =\sigma _V(T)\)) ist die feste Phase daher starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Veränderungen in der Mikrostruktur führen können.
Dieser Effekt wird in Abbildung 4a weiter erläutert, in der das Druckniveau in der geschmolzenen Zone als Funktion der Zeit und des Abstands von der Oberfläche aufgetragen ist. Erstens hängt das Druckverhalten mit der in Abbildung 2 oben beschriebenen Modulation der Laserpulsintensität zusammen Frequenz von \(500~\text {kHz}\). Dies bedeutet, dass Ultraschall-Druckwellen an der Oberfläche erzeugt werden und sich dann in das Substrat ausbreiten.
Die berechneten Eigenschaften der Verformungszone in der Nähe der Schmelzzone sind in Abb. 4b dargestellt. Laserablation und thermoelastische Spannung erzeugen elastische Verformungswellen, die sich in das Substrat ausbreiten. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, gibt es zwei Phasen der Spannungserzeugung. Während der ersten Phase von \(t < 40~\upmu \text {s}\) steigt die Mises-Spannung auf \(8~\text {MPa}\) mit einer Modulation ähnlich dem Oberflächendruck. Diese Spannung entsteht durch Laserablation und an den Kontrollpunkten wurde keine thermoelastische Spannung beobachtet, da die anfängliche Wärmeeinflusszone zu klein war. Wenn Wärme in das Substrat abgeleitet wird, erzeugt der Kontrollpunkt eine hohe thermoelastische Spannung über \(40~\text {MPa}\).
Die erhaltenen modulierten Spannungsniveaus haben einen erheblichen Einfluss auf die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche und können der Kontrollmechanismus für den Erstarrungspfad sein. Die Größe der Verformungszone ist zwei- bis dreimal größer als die der Schmelzzone. Wie in Abbildung 3 dargestellt, werden der Ort der Schmelzisotherme und das Spannungsniveau gleich der Fließspannung verglichen. Dies bedeutet, dass die gepulste Laserbestrahlung hohe mechanische Belastungen in lokalen Bereichen mit einem effektiven Durchmesser zwischen 300 und 800 μm erzeugt }\) abhängig von der momentanen Zeit.
Daher führt die komplexe Modulation des gepulsten Laserglühens zum Ultraschalleffekt. Der Mikrostrukturauswahlpfad ist anders als beim SLM ohne Ultraschallbelastung. Verformte instabile Bereiche führen zu periodischen Kompressions- und Dehnungszyklen in der festen Phase. Dadurch wird die Bildung neuer Korngrenzen und Subkorngrenzen möglich. Daher können die mikrostrukturellen Eigenschaften absichtlich geändert werden, wie unten gezeigt. Die gewonnenen Schlussfolgerungen bieten die Möglichkeit, einen pulsmodulationsinduzierten ultraschallgesteuerten SLM-Prototyp zu entwerfen. In diesem Fall der andernorts verwendete piezoelektrische Induktor 26 kann entfallen.
(a) Druck als Funktion der Zeit, berechnet in verschiedenen Abständen von der Oberfläche 0, 20 und \(40~\upmu \text {m}\) entlang der Symmetrieachse. (b) Zeitabhängige Von-Mises-Spannung, berechnet in einer festen Matrix in Abständen von 70, 120 und \(170~\upmu \text {m}\) von der Probenoberfläche.
Experimente wurden an AISI 321H-Edelstahlplatten mit den Abmessungen \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) durchgeführt. Nach jedem Laserimpuls bewegt sich die Platte um \(50\upmu \text {m}\), und die Taille des Laserstrahls auf der Zieloberfläche beträgt etwa \(100\up\upmu \text {m}\). Die umgeschmolzene Zone wurde abhängig von der Oszillationskomponente der Laserstrahlung beschallt. Dies führt zu einer mehr als fünffachen Reduzierung der durchschnittlichen Kornfläche. Abbildung 5 zeigt, wie sich die Mikrostruktur des lasergeschmolzenen Bereichs mit der Anzahl der nachfolgenden Umschmelzzyklen (Durchgänge) ändert.
Unterdiagramme (a,d,g,j) und (b,e,h,k) – Mikrostruktur der lasergeschmolzenen Regionen, Unterdiagramme (c,f,i,l) – Flächenverteilung der farbigen Körner.Die Schattierung stellt die zur Berechnung des Histogramms verwendeten Partikel dar. Die Farben entsprechen den Kornbereichen (siehe Farbbalken oben im Histogramm). Die Unterdiagramme (ac) entsprechen unbehandeltem Edelstahl und die Unterdiagramme (df), (gi), (jl) entsprechen 1, 3 und 5 Umschmelzungen.
Da sich die Laserpulsenergie zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen nicht ändert, bleibt die Tiefe der geschmolzenen Zone gleich. Somit „deckt“ der nachfolgende Kanal den vorherigen vollständig ab. Das Histogramm zeigt jedoch, dass die mittlere und mittlere Kornfläche mit zunehmender Anzahl von Durchgängen abnimmt. Dies kann darauf hindeuten, dass der Laser eher auf das Substrat als auf die Schmelze einwirkt.
Eine Kornverfeinerung kann durch schnelles Abkühlen des Schmelzbads verursacht werden65. Eine weitere Reihe von Experimenten wurde durchgeführt, bei der die Oberflächen von Edelstahlplatten (321H und 316L) Dauerstrich-Laserstrahlung in Atmosphäre (Abb. 6) und Vakuum (Abb. 7) ausgesetzt wurden. Die durchschnittliche Laserleistung (300 W bzw. 100 W) und die Tiefe des Schmelzbads liegen nahe an den experimentellen Ergebnissen des Nd:YAG-Lasers im Freilaufmodus. Allerdings war eine typische Säulenstruktur vorhanden beobachtet.
Mikrostruktur des lasergeschmolzenen Bereichs eines Dauerstrichlasers (300 W konstante Leistung, 200 mm/s Scangeschwindigkeit, Edelstahl AISI 321H).
(a) Mikrostruktur und (b) Elektronenrückstreubeugungsbild der Laserschmelzzone eines Vakuum-Dauerstrichlasers (konstante Leistung 100 W, Scangeschwindigkeit 200 mm/s, Edelstahl AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Daher wird deutlich gezeigt, dass die komplexe Modulation der Laserpulsintensität einen erheblichen Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur hat. Wir gehen davon aus, dass dieser Effekt mechanischer Natur ist und durch die Erzeugung von Ultraschallschwingungen entsteht, die sich von der bestrahlten Oberfläche der Schmelze tief in die Probe hinein ausbreiten. Ähnliche Ergebnisse wurden in 13, 26, 34, 66, 67 unter Verwendung externer piezoelektrischer Wandler und Sonotroden erzielt, die hochintensiven Ultraschall in verschiedenen Materialien liefern, einschließlich Ti-6Al-4V-Legierung 2 6 und Edelstahl 34 das Ergebnis. Über den möglichen Mechanismus wird wie folgt spekuliert. Intensiver Ultraschall kann akustische Kavitation verursachen, wie in der ultraschnellen In-situ-Synchrotron-Röntgenbildgebung gezeigt wurde. Der Kollaps der Kavitationsblasen erzeugt wiederum Stoßwellen im geschmolzenen Material, deren Frontdruck etwa \(100~\text {MPa}\)69 erreicht. Solche Stoßwellen können stark genug sein, um die Bildung von Festphasenkernen kritischer Größe in großen Flüssigkeiten zu fördern und die typische Säule zu zerstören Ar-Kornstruktur der schichtweisen additiven Fertigung.
Hier schlagen wir einen weiteren Mechanismus vor, der für die Strukturmodifikation durch intensive Ultraschalleinwirkung verantwortlich ist. Das Material befindet sich unmittelbar nach der Erstarrung auf einer hohen Temperatur nahe dem Schmelzpunkt und weist eine extrem niedrige Fließspannung auf. Intensive Ultraschallwellen können dazu führen, dass plastischer Fluss die Kornstruktur des gerade erstarrten heißen Materials verändert. Zuverlässige experimentelle Daten zur Temperaturabhängigkeit der Fließspannung sind jedoch bei \(T\lesssim 1150~\text {K}\) verfügbar (siehe Abbildung 8). Um die Hypothese zu testen, haben wir daher Molekulardynamik durchgeführt (MD)-Simulationen einer Fe-Cr-Ni-Zusammensetzung ähnlich zu AISI 316 L-Stahl, um das Fließspannungsverhalten nahe dem Schmelzpunkt zu bewerten. Zur Berechnung der Fließspannung verwendeten wir die in 70, 71, 72, 73 beschriebene MD-Scherspannungsrelaxationstechnik. Für die interatomaren Wechselwirkungsberechnungen verwendeten wir das Embedded Atomic Model (EAM) aus 74. MD-Simulationen wurden mit den LAMMPS-Codes 75,76 durchgeführt. Details der MD-Simulation werden an anderer Stelle veröffentlicht. Die MD-Berechnungsergebnisse der Fließspannung als Funktion der Temperatur sind in Abb. 8 zusammen mit verfügbaren experimentellen Daten und anderen Auswertungen77,78,79,80,81,82 dargestellt.
Streckgrenze für austenitischen rostfreien Stahl der Güteklasse AISI 316 und Modellzusammensetzung im Vergleich zur Temperatur für MD-Simulationen. Experimentelle Messungen aus Referenzen: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. siehe. (f) 82 ist ein empirisches Modell der Abhängigkeit von Streckgrenze und Temperatur für die Inline-Spannungsmessung während der laserunterstützten additiven Fertigung. Die Ergebnisse der groß angelegten MD-Simulation in dieser Studie sind den notiert als \(\vartriangleleft\) für einen defektfreien unendlichen Einkristall und \(\vartriangleright\) für endliche Körner unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Korngröße über die Hall-Petch-Beziehung Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Es ist ersichtlich, dass bei \(T>1500~\text {K}\) die Fließspannung unter \(40~\text {MPa}\) sinkt. Andererseits gehen Schätzungen davon aus, dass die lasererzeugte Ultraschallamplitude \(40~\text {MPa}\) übersteigt (siehe Abb. 4b), was ausreicht, um im gerade erstarrten heißen Material einen plastischen Fluss zu induzieren.
Die Mikrostrukturbildung des austenitischen Edelstahls 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) während des SLM wurde experimentell mit einer komplexen intensitätsmodulierten gepulsten Laserquelle untersucht.
Aufgrund des kontinuierlichen Laserumschmelzens nach 1, 3 oder 5 Durchgängen wurde eine Verringerung der Korngröße in der Laserschmelzzone festgestellt.
Die makroskopische Modellierung zeigt, dass die geschätzte Größe des Bereichs, in dem sich die Ultraschallverformung positiv auf die Erstarrungsfront auswirken kann, bis zu \(1~\text {mm}\) beträgt.
Das mikroskopische MD-Modell zeigt, dass die Streckgrenze des austenitischen Edelstahls AISI 316 in der Nähe des Schmelzpunkts deutlich auf \(40~\text {MPa}\) reduziert wird.
Die erzielten Ergebnisse legen eine Methode zur Steuerung der Mikrostruktur von Materialien mithilfe komplexer modulierter Laserbearbeitung nahe und könnten als Grundlage für die Entwicklung neuer Modifikationen der gepulsten SLM-Technik dienen.
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