Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Στο μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Προτείνεται ένας νέος μηχανισμός που βασίζεται στην επιλεκτική τήξη με λέιζερ για τον έλεγχο της μικροδομής των προϊόντων στη διαδικασία κατασκευής. Ο μηχανισμός βασίζεται στη δημιουργία κυμάτων υπερήχων υψηλής έντασης στη λιωμένη λίμνη με σύνθετη ακτινοβολία λέιζερ διαμορφωμένης έντασης. Πειραματικές μελέτες και αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτός ο σύγχρονος μηχανισμός ελέγχου της επιλεγμένης μηχανής μπορεί να ενσωματωθεί τεχνικά .
Η κατασκευή πρόσθετων (AM) σύνθετων εξαρτημάτων έχει αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες. Ωστόσο, παρά την ποικιλία των διαδικασιών παραγωγής πρόσθετων, συμπεριλαμβανομένης της επιλεκτικής τήξης με λέιζερ (SLM)1,2,3, της άμεσης εναπόθεσης μετάλλου με λέιζερ4,5,6, της τήξης δέσμης ηλεκτρονίων7,8 και άλλων9,10, η συγκεκριμένη διαδικασία μπορεί να σχετίζεται κυρίως με τα υψηλά χαρακτηριστικά της στερεοποίησης των εξαρτημάτων. θερμικές κλίσεις, υψηλοί ρυθμοί ψύξης και η πολυπλοκότητα των κύκλων θέρμανσης στα υλικά τήξης και επανατήξης11, που οδηγούν σε επιταξιακή ανάπτυξη κόκκων και σημαντικό πορώδες12,13.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι είναι απαραίτητος ο έλεγχος των θερμικών κλίσεων, των ρυθμών ψύξης και της σύνθεσης του κράματος ή η εφαρμογή πρόσθετων φυσικών κραδασμών μέσω εξωτερικών πεδίων διαφόρων ιδιοτήτων (π.χ. υπερήχων) για την επίτευξη λεπτών ισοαξονικών δομών κόκκων.
Πολυάριθμες δημοσιεύσεις αφορούν την επίδραση της επεξεργασίας δόνησης στη διαδικασία στερεοποίησης σε συμβατικές διεργασίες χύτευσης14,15. Ωστόσο, η εφαρμογή εξωτερικού πεδίου σε χύμα τήγματα δεν παράγει την επιθυμητή μικροδομή υλικού. Εάν ο όγκος της υγρής φάσης είναι μικρός, η κατάσταση αλλάζει δραματικά. Σε αυτή την περίπτωση, το εξωτερικό πεδίο επηρεάζει σημαντικά το πεδίο στερεοποίησης18 . στη μειωμένη κλίση θερμοκρασίας και την ενίσχυση υπερήχων για τη δημιουργία νέων κρυσταλλιδίων μέσω της σπηλαίωσης.
Σε αυτήν την εργασία, διερευνήσαμε τη δυνατότητα αλλαγής της δομής των κόκκων των ωστενιτικών ανοξείδωτων χάλυβων μέσω υπερήχων της λιωμένης δεξαμενής με ηχητικά κύματα που δημιουργούνται από το ίδιο το λέιζερ τήξης. 3D εκτυπωτές.Τα πειράματα σε αυτή την εργασία πραγματοποιήθηκαν σε πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα των οποίων οι επιφάνειες εκτέθηκαν σε ακτινοβολία λέιζερ διαμορφωμένης έντασης. Έτσι, τεχνικά, γίνεται επεξεργασία επιφάνειας με λέιζερ. Ωστόσο, εάν μια τέτοια επεξεργασία με λέιζερ εκτελεστεί στην επιφάνεια κάθε στρώματος, κατά τη δημιουργία στρώμα-στρώμα, επιδράσεις σε ολόκληρο τον όγκο ή σε επιλεγμένα μέρη της επιφάνειας. Το στρώμα ισοδυναμεί με «επεξεργασία όγκου λέιζερ».
Ενώ στη θεραπεία υπερήχων με βάση το κέρας υπερήχων, η υπερηχητική ενέργεια του στάσιμου ηχητικού κύματος κατανέμεται σε όλο το εξάρτημα, ενώ η ένταση υπερήχων που προκαλείται από λέιζερ είναι πολύ συγκεντρωμένη κοντά στο σημείο όπου απορροφάται η ακτινοβολία λέιζερ. ηχητική τάση στην επάνω επιφάνεια του εξαρτήματος. Επομένως, η ακουστική τάση είναι κοντά στο μηδέν και η ταχύτητα των σωματιδίων έχει μέγιστο πλάτος σε ολόκληρη την επάνω επιφάνεια του εξαρτήματος. Η ηχητική πίεση μέσα σε ολόκληρη τη λιωμένη δεξαμενή δεν μπορεί να υπερβαίνει το 0,1% της μέγιστης πίεσης που δημιουργείται από την κεφαλή συγκόλλησης, επειδή το μήκος κύματος των κυμάτων υπερήχων είναι 3.\t χωρίς συχνότητα χάλυβα με συχνότητα kH 3.\t ~ in20 το Το βάθος είναι συνήθως μικρότερο από \(\sim 0,3~\text {mm}\). Ως εκ τούτου, η επίδραση του υπερήχου στη σπηλαίωση μπορεί να είναι μικρή.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η χρήση ακτινοβολίας λέιζερ διαμορφωμένης έντασης στην άμεση εναπόθεση μετάλλων λέιζερ είναι μια ενεργή περιοχή έρευνας35,36,37,38.
Η θερμική επίδραση της ακτινοβολίας λέιζερ που προσπίπτει στο μέσο είναι η βάση για όλες σχεδόν τις τεχνικές λέιζερ 39, 40 για την επεξεργασία υλικών, όπως κοπή41, συγκόλληση, σκλήρυνση, διάτρηση42, καθαρισμός επιφανειών, κράμα επιφανειών, στίλβωση επιφανειών43, κ.λπ.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οποιαδήποτε μη ακίνητη δράση στο μέσο, ​​συμπεριλαμβανομένης της δράσης lasing στο απορροφητικό μέσο, ​​έχει ως αποτέλεσμα τη διέγερση ακουστικών κυμάτων σε αυτό με μεγαλύτερη ή μικρότερη απόδοση. Αρχικά, η κύρια εστίαση ήταν στη διέγερση με λέιζερ των κυμάτων σε υγρά και στους διάφορους μηχανισμούς θερμικής διέγερσης του ήχου (θερμική διαστολή, αλλαγή φάσης εξάτμισης4, συστολή κατά τη διάρκεια εξάτμισης). Πολυάριθμες μονογραφίες50, 51, 52 παρέχουν θεωρητικές αναλύσεις αυτής της διαδικασίας και των πιθανών πρακτικών εφαρμογών της.
Αυτά τα θέματα συζητήθηκαν στη συνέχεια σε διάφορα συνέδρια και η διέγερση με λέιζερ των υπερήχων έχει εφαρμογές τόσο σε βιομηχανικές εφαρμογές τεχνολογίας λέιζερ53 όσο και στην ιατρική54. Ως εκ τούτου, μπορεί να θεωρηθεί ότι η βασική ιδέα της διαδικασίας με την οποία το παλμικό φως λέιζερ δρα σε ένα απορροφητικό μέσο έχει καθιερωθεί.
Η επίδραση των κρουστικών κυμάτων που δημιουργούνται από λέιζερ στα υλικά είναι η βάση του κρουστικού κρουστικού λέιζερ57,58,59, το οποίο χρησιμοποιείται επίσης για την επεξεργασία επιφανειών εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με πρόσθετο60. Ωστόσο, η ενίσχυση κρουστικού λέιζερ είναι πιο αποτελεσματική σε παλμούς λέιζερ νανοδευτερόλεπτων και σε επιφάνειες με μηχανική φόρτιση (π.χ. με ένα στρώμα υγρού φορτίου με μεγάλη πίεση)59.
Διεξήχθησαν πειράματα για τη διερεύνηση των πιθανών επιπτώσεων διαφόρων φυσικών πεδίων στη μικροδομή των στερεοποιημένων υλικών. Το λειτουργικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης φαίνεται στο σχήμα 1. Ένα παλμικό λέιζερ στερεάς κατάστασης Nd:YAG που λειτουργεί σε λειτουργία ελεύθερης λειτουργίας (διάρκεια παλμού \(\tau _L \sim 150~\upmu \t) φίλτρα nsity και ένα σύστημα πλάκας διαχωρισμού δέσμης. Ανάλογα με τον συνδυασμό φίλτρων ουδέτερης πυκνότητας, η ενέργεια παλμού στον στόχο ποικίλλει από \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) έως \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) . Η δέσμη λέιζερ ανακλάται από τα δεδομένα από τη δέσμη φωτομετρίας σε μια συχνότητα (φωτοδίοδοι με μεγάλο χρόνο απόκρισης που υπερβαίνει το \(1~\text {ms}\)) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του συμβάντος προς και που ανακλάται από τον στόχο, και δύο μετρητές ισχύος (φωτοδίοδοι με σύντομους χρόνους απόκρισης\(<10~\text {ns}\)) για τον προσδιορισμό της προσπίπτουσας και της ανακλώμενης οπτικής ισχύος. Θερμιδόμετρα και μετρητές ισχύος Generation βαθμονομήθηκαν για να δώσουν τις απόλυτες μονάδες ανίχνευσης της μονάδας X2-S-H1-H1. 2-D0 και ένας διηλεκτρικός καθρέφτης τοποθετημένος στη θέση του δείγματος. Εστιάστε τη δέσμη στο στόχο χρησιμοποιώντας έναν φακό (αντιανακλαστική επίστρωση στο \(1,06 \upmu \text {m}\), εστιακή απόσταση \(160~\text {mm}\)) και μέση δέσμης στην επιφάνεια στόχο 60~\(up).
Λειτουργικό σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής εγκατάστασης: 1—λέιζερ;2—ακτίνα λέιζερ.3—φίλτρο ουδέτερης πυκνότητας.4—συγχρονισμένη φωτοδίοδος.5—διαιρέτης δέσμης.6-διάφραγμα;7—θερμιδόμετρο προσπίπτουσας δέσμης ;8 – θερμιδόμετρο ανακλώμενης δέσμης.9 – μετρητής ισχύος προσπίπτουσας δέσμης.10 – μετρητής ισχύος ανακλώμενης δέσμης.11 – φακός εστίασης.12 – καθρέφτης;13 – δείγμα;14 – ευρυζωνικός πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας.15 – 2D μετατροπέας;16 – μικροελεγκτής τοποθέτησης.17 – μονάδα συγχρονισμού.18 – πολυκαναλικό ψηφιακό σύστημα απόκτησης με διάφορους ρυθμούς δειγματοληψίας.19 – προσωπικός υπολογιστής.
Η επεξεργασία με υπερήχους πραγματοποιείται ως εξής. Το λέιζερ λειτουργεί σε λειτουργία ελεύθερης λειτουργίας.Επομένως η διάρκεια του παλμού λέιζερ είναι \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), η οποία αποτελείται από πολλαπλές διάρκειες περίπου \(1,5~\upmu \text {s } \) η καθεμία. Το χρονικό σχήμα του παλμού λέιζερ και το φάσμα του αποτελούνται από μια χαμηλής συχνότητας κέλυφος με μέση συχνότητα {0~7 περίπου και με ένα κέλυφος μέσης συχνότητας \0~7. Hz}\), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.- Το περίβλημα συχνότητας παρέχει τη θέρμανση και την επακόλουθη τήξη και εξάτμιση του υλικού, ενώ το στοιχείο υψηλής συχνότητας παρέχει τους υπερηχητικούς κραδασμούς λόγω του φωτοακουστικού φαινομένου. Η κυματομορφή του υπερηχητικού παλμού που δημιουργείται από το λέιζερ καθορίζεται κυρίως από το σχήμα χρόνου του παλμού laser.Είναι από \(7~\text {kHz}\) έως \ (2~\text {MHz}\), και η κεντρική συχνότητα είναι \(~ 0,7~\text {MHz}\). Οι ακουστικοί παλμοί λόγω του φωτοακουστικού φαινομένου καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας ευρυζωνικούς πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς. Πρέπει να σημειωθεί ότι το σχήμα των παλμών λέιζερ είναι χαρακτηριστικό ενός λέιζερ λειτουργίας ελεύθερης λειτουργίας.
Η χρονική κατανομή της έντασης του παλμού λέιζερ (α) και η ταχύτητα του ήχου στην πίσω επιφάνεια του δείγματος (β), τα φάσματα του παλμού λέιζερ (γ) και του παλμού υπερήχων (δ) ήταν κατά μέσο όρο πάνω από 300 παλμούς λέιζερ (κόκκινη καμπύλη) για έναν μόνο παλμό λέιζερ (μπλε καμπύλη).
Μπορούμε να διακρίνουμε ξεκάθαρα τα συστατικά χαμηλής και υψηλής συχνότητας της ακουστικής επεξεργασίας που αντιστοιχούν στο φάκελο χαμηλής συχνότητας του παλμού λέιζερ και στη διαμόρφωση υψηλής συχνότητας, αντίστοιχα. Τα μήκη κύματος των ακουστικών κυμάτων που παράγονται από το φάκελο παλμών λέιζερ υπερβαίνουν τα \(40~\text {cm});Ως εκ τούτου, αναμένεται η κύρια επίδραση των ευρυζωνικών στοιχείων υψηλής συχνότητας του ακουστικού σήματος στη μικροδομή.
Οι φυσικές διεργασίες στο SLM είναι πολύπλοκες και συμβαίνουν ταυτόχρονα σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες. Επομένως, οι μέθοδοι πολλαπλής κλίμακας είναι οι πλέον κατάλληλες για θεωρητική ανάλυση του SLM. Τα μαθηματικά μοντέλα θα πρέπει αρχικά να είναι πολυφυσικά. Τα SLM είναι τα εξής.
Ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης έως \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ λόγω τοπικής ακτινοβολίας λέιζερ με πυκνότητες ισχύος έως \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ο κύκλος τήξης-στερεοποίησης διαρκεί από 1 έως \(10~\text {ms}\), γεγονός που συμβάλλει στην ταχεία στερεοποίηση της ζώνης τήξης κατά την ψύξη.
Η ταχεία θέρμανση της επιφάνειας του δείγματος έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό υψηλών θερμοελαστικών τάσεων στο επιφανειακό στρώμα. Επαρκές (έως 20%) τμήμα του στρώματος σκόνης εξατμίζεται έντονα63, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα ένα επιπλέον φορτίο πίεσης στην επιφάνεια ως απόκριση στην αφαίρεση με λέιζερ. Η ανόπτηση με λέιζερ sed έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία κυμάτων παραμόρφωσης υπερήχων που διαδίδονται από την επιφάνεια στο υπόστρωμα. Προκειμένου να ληφθούν ακριβή ποσοτικά δεδομένα σχετικά με την τοπική κατανομή τάσης και παραμόρφωσης, πραγματοποιείται μια μεσοσκοπική προσομοίωση του προβλήματος ελαστικής παραμόρφωσης συζευγμένο με μεταφορά θερμότητας και μάζας.
Οι βασικές εξισώσεις του μοντέλου περιλαμβάνουν (1) εξισώσεις ασταθούς μεταφοράς θερμότητας όπου η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται από την κατάσταση φάσης (σκόνη, τήγμα, πολυκρυσταλλική) και τη θερμοκρασία, (2) διακυμάνσεις στην ελαστική παραμόρφωση μετά από συνεχή κατάλυση και εξίσωση θερμοελαστικής διαστολής. αγώγιμη εναλλαγή θερμότητας και ροή εξάτμισης. Η ροή μάζας ορίζεται με βάση τον υπολογισμό της πίεσης κορεσμένων ατμών του εξατμιζόμενου υλικού. Η σχέση ελαστοπλαστικής τάσης-παραμόρφωσης χρησιμοποιείται όπου η θερμοελαστική τάση είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας. Για ονομαστική ισχύ \(300~\text \(300~\text {W}^5 συντελεστής συχνότητας) και 10/text {W}^5/text {W}^5/text {W}\t~t (200~\upmu \text {m}\ ) της ενεργού διαμέτρου δέσμης.
Το Σχήμα 3 δείχνει τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης της λιωμένης ζώνης χρησιμοποιώντας ένα μακροσκοπικό μαθηματικό μοντέλο. Η διάμετρος της ζώνης σύντηξης είναι \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) ακτίνα) και \(40~\upmu \(40~\upmu \κείμενο απορρόφησης ως προς τα αποτελέσματα που ποικίλλει τοπικά με το χρόνο αποκείμενου {0}\) 0~\text {K}\) λόγω του υψηλού διαλείποντος συντελεστή της διαμόρφωσης παλμού. Οι ρυθμοί θέρμανσης \(V_h\) και ψύξης \(V_c\) είναι της τάξης των \(10^7\) και \(10^6~\text {K}/\text {s}\), αντίστοιχα. Αυτές οι τιμές ανάλυσης είναι καλής ποιότητας με την προηγούμενη σειρά και \(V_c\) οδηγεί σε ταχεία υπερθέρμανση του επιφανειακού στρώματος, όπου η θερμική αγωγιμότητα στο υπόστρωμα είναι ανεπαρκής για την απομάκρυνση της θερμότητας. Επομένως, στο \(t=26~\upmu \text {s}\) η θερμοκρασία της επιφάνειας κορυφώνεται τόσο ψηλά όσο \(4800~\text {K}\).
Αριθμητικά αποτελέσματα προσομοίωσης ζώνης τήξης μονού παλμού λέιζερ ανόπτησης σε πλάκα δείγματος 316 L. Ο χρόνος από την αρχή του παλμού μέχρι το βάθος της λιωμένης δεξαμενής που φτάνει τη μέγιστη τιμή είναι \(180~\upmu\text {s}\). Οι κίτρινες γραμμές) αντιστοιχούν στην τάση διαρροής που υπολογίζεται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας στην επόμενη ενότητα. Επομένως, στην περιοχή μεταξύ των δύο ισογραμμών (ισόθερμες\(T=T_L\) και ισοβαρείς\(\sigma =\sigma _V(T)\)), η στερεά φάση υπόκειται σε ισχυρά μηχανικά φορτία, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αλλαγές στη μικροδομή.
Αυτό το φαινόμενο εξηγείται περαιτέρω στο Σχήμα 4α, όπου το επίπεδο πίεσης στη λιωμένη ζώνη απεικονίζεται ως συνάρτηση του χρόνου και της απόστασης από την επιφάνεια. Πρώτον, η συμπεριφορά της πίεσης σχετίζεται με τη διαμόρφωση της έντασης του παλμού λέιζερ που περιγράφεται στο Σχήμα 2 παραπάνω. Η ρύθμιση της τοπικής πίεσης στο σημείο ελέγχου έχει τα ίδια χαρακτηριστικά ταλάντωσης με τη συχνότητα του \(500~\text {kHz}\). Αυτό σημαίνει ότι τα υπερηχητικά κύματα πίεσης δημιουργούνται στην επιφάνεια και στη συνέχεια διαδίδονται στο υπόστρωμα.
Τα υπολογιζόμενα χαρακτηριστικά της ζώνης παραμόρφωσης κοντά στη ζώνη τήξης φαίνονται στο Σχ. 4β. Η αφαίρεση με λέιζερ και η θερμοελαστική τάση δημιουργούν ελαστικά κύματα παραμόρφωσης που διαδίδονται στο υπόστρωμα. Όπως φαίνεται από το σχήμα, υπάρχουν δύο στάδια δημιουργίας τάσεων. Κατά την πρώτη φάση του \(t < 40~\upmu}) \(t < 40~\upmu\text) με το λανθασμένο κείμενο μια διαμόρφωση παρόμοια με την επιφανειακή πίεση. Αυτή η τάση συμβαίνει λόγω της αφαίρεσης με λέιζερ και δεν παρατηρήθηκε θερμοελαστική τάση στα σημεία ελέγχου επειδή η αρχική επηρεαζόμενη από τη θερμότητα ζώνη ήταν πολύ μικρή. Όταν η θερμότητα διαχέεται στο υπόστρωμα, το σημείο ελέγχου δημιουργεί υψηλή θερμοελαστική τάση πάνω από το \(40~\text {MPa}\).
Τα λαμβανόμενα διαμορφωμένα επίπεδα τάσης έχουν σημαντική επίδραση στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού και μπορεί να είναι ο μηχανισμός ελέγχου που διέπει τη διαδρομή στερεοποίησης. Το μέγεθος της ζώνης παραμόρφωσης είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερο από αυτό της ζώνης τήξης. διάμετρος μεταξύ 300 και \(800~\upmu \text {m}\) ανάλογα με τον στιγμιαίο χρόνο.
Επομένως, η πολύπλοκη διαμόρφωση της ανόπτησης με παλμικό λέιζερ οδηγεί στο υπερηχητικό αποτέλεσμα. Το μονοπάτι επιλογής μικροδομής είναι διαφορετικό αν συγκριθεί με το SLM χωρίς υπερηχητική φόρτιση. Οι παραμορφωμένες ασταθείς περιοχές οδηγούν σε περιοδικούς κύκλους συμπίεσης και τάνυσης στη στερεά φάση. Έτσι, ο σχηματισμός νέων ορίων κόκκων μπορεί να μεταβληθεί. , όπως φαίνεται παρακάτω. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν παρέχουν τη δυνατότητα σχεδιασμού ενός πρωτοτύπου SLM που οδηγείται από υπερήχους που προκαλείται από διαμόρφωση παλμού. Σε αυτήν την περίπτωση, ο πιεζοηλεκτρικός επαγωγέας 26 που χρησιμοποιείται αλλού μπορεί να αποκλειστεί.
(α) Πίεση ως συνάρτηση του χρόνου, υπολογισμένη σε διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια 0, 20 και \(40~\upmu \text {m}\) κατά μήκος του άξονα συμμετρίας.(β) Χρονοεξαρτώμενη τάση Von Mises υπολογισμένη σε συμπαγή μήτρα σε αποστάσεις 70, 120 και \(170~\upmu \text {m}\) από το κείμενο.
Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα AISI 321H με διαστάσεις \(20\ φορές 20\ φορές 5~\κείμενο {mm}\). Μετά από κάθε παλμό λέιζερ, η πλάκα μετακινείται \(50~\upmu \text {m}\), και η μέση της δέσμης λέιζερ στην επιφάνεια στόχο είναι περίπου \\(μέχρι 10/10). κατά μήκος της ίδιας διαδρομής για να προκληθεί επανατήξη του επεξεργασμένου υλικού για εξευγενισμό κόκκων. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επανατηκωμένη ζώνη υποβλήθηκε σε επεξεργασία με υπερήχους, ανάλογα με την ταλαντωτική συνιστώσα της ακτινοβολίας λέιζερ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη από 5 φορές μείωση της μέσης επιφάνειας κόκκων. Το σχήμα 5 δείχνει πώς η μικροδομή της περιοχής λιωμένης με λέιζερ αλλάζει με τον αριθμό των υποκύκλων τήξης.
Υπογραφές (a,d,g,j) και (b,e,h,k) – μικροδομή λιωμένων περιοχών με λέιζερ, υπογραφήματα (c,f,i,l) – κατανομή εμβαδών έγχρωμων κόκκων.Η σκίαση αντιπροσωπεύει τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ιστογράμματος. Τα χρώματα αντιστοιχούν σε περιοχές κόκκων (δείτε τη γραμμή χρώματος στο επάνω μέρος του ιστογράμματος. Οι υπογραφές (ac) αντιστοιχούν σε μη επεξεργασμένο ανοξείδωτο χάλυβα και οι υπογραφές (df), (gi), (jl) αντιστοιχούν σε 1, 3 και 5 επανατήξεις.
Δεδομένου ότι η ενέργεια του παλμού του λέιζερ δεν αλλάζει μεταξύ των επόμενων περασμάτων, το βάθος της λιωμένης ζώνης είναι το ίδιο. Έτσι, το επόμενο κανάλι «καλύπτει» πλήρως το προηγούμενο. Ωστόσο, το ιστόγραμμα δείχνει ότι η μέση και η διάμεση περιοχή κόκκων μειώνονται με την αύξηση του αριθμού των περασμάτων. Αυτό μπορεί να υποδεικνύει ότι το λέιζερ δρα στο υπόστρωμα παρά στο λίτρο.
Η βελτίωση των κόκκων μπορεί να προκληθεί από την ταχεία ψύξη της λιωμένης δεξαμενής65. Πραγματοποιήθηκε ένα άλλο σύνολο πειραμάτων στα οποία οι επιφάνειες των πλακών από ανοξείδωτο χάλυβα (321H και 316L) εκτέθηκαν σε ακτινοβολία λέιζερ συνεχούς κύματος στην ατμόσφαιρα (Εικ. 6) και στο κενό (Εικ. 7). Η μέση ισχύς λέιζερ σε σχέση με το 3100 W είναι η τιμή του λέιζερ κοντά (3100 W). αποτελέσματα του λέιζερ Nd:YAG σε λειτουργία ελεύθερης λειτουργίας. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια τυπική δομή στήλης.
Μικροδομή της περιοχής λιωμένης με λέιζερ ενός λέιζερ συνεχούς κύματος (σταθερή ισχύς 300 W, ταχύτητα σάρωσης 200 mm/s, ανοξείδωτος χάλυβας AISI 321H).
(α) Μικροδομή και (β) εικόνες περίθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων της περιοχής λιωμένης με λέιζερ σε κενό με λέιζερ συνεχούς κύματος (σταθερή ισχύς 100 W, ταχύτητα σάρωσης 200 mm/s, ανοξείδωτος χάλυβας AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Επομένως, αποδεικνύεται ξεκάθαρα ότι η σύνθετη διαμόρφωση της έντασης του παλμού λέιζερ έχει σημαντική επίδραση στην προκύπτουσα μικροδομή. Πιστεύουμε ότι αυτό το φαινόμενο είναι μηχανικής φύσης και συμβαίνει λόγω της δημιουργίας υπερηχητικών δονήσεων που διαδίδονται από την ακτινοβολημένη επιφάνεια του τήγματος βαθιά στο δείγμα. παρέχοντας υπερήχους υψηλής έντασης σε διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του κράματος Ti-6Al-4V 26 και του ανοξείδωτου χάλυβα 34 το αποτέλεσμα του. Ο πιθανός μηχανισμός εικάζεται ως εξής. Ο έντονος υπέρηχος μπορεί να προκαλέσει ακουστική σπηλαίωση, όπως αποδεικνύεται στην υπερταχεία in situ απεικόνιση ακτίνων Χ σύγχροτρον. ~\text {MPa}\)69. Τέτοια κρουστικά κύματα μπορεί να είναι αρκετά ισχυρά ώστε να προάγουν το σχηματισμό πυρήνων στερεάς φάσης κρίσιμου μεγέθους σε χύδην υγρά, διαταράσσοντας την τυπική δομή στήλης κόκκων της παραγωγής προσθέτων στρώσης προς στρώση.
Εδώ, προτείνουμε έναν άλλο μηχανισμό που είναι υπεύθυνος για τη δομική τροποποίηση με έντονη υπερήχηση. Αμέσως μετά τη στερεοποίηση, το υλικό βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία κοντά στο σημείο τήξης και έχει εξαιρετικά χαμηλή τάση διαρροής. Τα έντονα υπερηχητικά κύματα μπορούν να προκαλέσουν πλαστική ροή για να αλλάξει τη δομή των κόκκων του ζεστού, μόλις στερεοποιημένου υλικού. Ωστόσο, αξιόπιστα πειραματικά δεδομένα στο {1tield depend are sim of the temperature de K}\) (βλ. Εικόνα 8). Επομένως, για να ελέγξουμε αυτήν την υπόθεση, πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) μιας σύνθεσης Fe-Cr-Ni παρόμοιας με τον χάλυβα AISI 316 L, προκειμένου να αξιολογήσουμε τη συμπεριφορά τάσης διαρροής κοντά στο σημείο τήξης. Για να υπολογίσουμε την τάση διαρροής, χρησιμοποιήσαμε την τεχνική MD shearction stress. υπολογισμούς, χρησιμοποιήσαμε το Ενσωματωμένο Ατομικό Μοντέλο (EAM) από 74. Οι προσομοιώσεις MD πραγματοποιήθηκαν με χρήση κωδικών LAMMPS 75,76. Λεπτομέρειες για τις προσομοιώσεις MD θα δημοσιευθούν αλλού. Τα αποτελέσματα υπολογισμού MD της τάσης διαρροής ως συνάρτηση της θερμοκρασίας φαίνονται στο Σχ. 8 μαζί με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα7,87,208 και άλλα.
Τάση διαρροής για ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα ποιότητας AISI 316 και σύνθεση μοντέλου έναντι θερμοκρασίας για προσομοιώσεις MD. Πειραματικές μετρήσεις από αναφορές: (α) 77, (β) 78, (γ) 79, (δ) 80, (ε) 81.αναφερθείτε. κατασκευή. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων MD μεγάλης κλίμακας σε αυτή τη μελέτη συμβολίζονται ως \(\vartriangleleft\) για έναν άπειρο μονοκρύσταλλο χωρίς ελαττώματα και \(\vartriangleright\) για πεπερασμένους κόκκους λαμβάνοντας υπόψη το μέσο μέγεθος κόκκων μέσω της σχέσης Hall-Petch Dimensions\~(dup = \t).
Μπορεί να φανεί ότι στο \(T>1500~\text {K}\) η τάση διαρροής πέφτει κάτω από το \(40~\text {MPa}\). Από την άλλη πλευρά, οι εκτιμήσεις προβλέπουν ότι το πλάτος υπερήχων που δημιουργείται από λέιζερ υπερβαίνει το \(40~\text {MPa}\) (βλ. Εικ. 4b είναι απλώς στερεό για τη ροή του θερμού υλικού).
Ο σχηματισμός μικροδομής του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) κατά τη διάρκεια του SLM διερευνήθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας μια σύνθετη πηγή παλμικού λέιζερ διαμορφωμένης έντασης.
Η μείωση του μεγέθους των κόκκων στη ζώνη τήξης του λέιζερ βρέθηκε λόγω συνεχούς επανατήξης με λέιζερ μετά από 1, 3 ή 5 περάσματα.
Η μακροσκοπική μοντελοποίηση δείχνει ότι το εκτιμώμενο μέγεθος της περιοχής όπου η υπερηχητική παραμόρφωση μπορεί να επηρεάσει θετικά το μέτωπο στερεοποίησης είναι μέχρι \(1~\text {mm}\).
Το μικροσκοπικό μοντέλο MD δείχνει ότι η αντοχή διαρροής του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα AISI 316 μειώνεται σημαντικά στο \(40~\text {MPa}\) κοντά στο σημείο τήξης.
Τα ληφθέντα αποτελέσματα προτείνουν μια μέθοδο για τον έλεγχο της μικροδομής των υλικών χρησιμοποιώντας σύνθετη διαμορφωμένη επεξεργασία λέιζερ και θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως βάση για τη δημιουργία νέων τροποποιήσεων της τεχνικής παλμικού SLM.
Liu, Y. et al. Μικροδομική εξέλιξη και μηχανικές ιδιότητες των in situ σύνθετων υλικών TiB2/AlSi10Mg με επιλεκτική τήξη με λέιζερ [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Μηχανική ορίων κόκκων ανακρυστάλλωσης επιλεκτικής τήξης με λέιζερ ανοξείδωτου χάλυβα 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ ανάπτυξη μικροδομών σάντουιτς με ενισχυμένη ολκιμότητα με επαναθέρμανση με λέιζερ κραμάτων τιτανίου λιωμένου με λέιζερ.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Additive manufacturing of Ti-6Al-4V Parts by Laser Metal Deposition (LMD): διεργασία, μικροδομή και μηχανικές ιδιότητες.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Μικροδομική μοντελοποίηση της κατευθυνόμενης από σκόνη μετάλλου λέιζερ ενεργειακής απόθεσης του κράματος 718. Προσθήκη στην κατασκευή.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 Additively Manufactured Samples Treated by Laser Shock Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al.Gradient microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V additively made by electron beam melting.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (201).