Kiitos vierailustasi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee rajoitetusti CSS:ää. Parhaan käyttökokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan Internet Explorerissa). Tällä välin tuen jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyyliä ja JavaScriptiä.
Ehdotetaan uutta valikoivaan lasersulatukseen perustuvaa mekanismia tuotteiden mikrorakenteen ohjaamiseksi valmistusprosessissa. Mekanismi perustuu korkean intensiteetin ultraääniaaltojen synnyttämiseen sulassa altaassa monimutkaisen intensiteettimoduloidun lasersäteilytyksen avulla. Kokeellinen tutkimukset ja numeeriset simulaatiot osoittavat, että tämä ohjausmekanismi on teknisesti toteutettavissa ja se voidaan integroida tehokkaasti nykyaikaisten selektiivisten sulatuskoneiden suunnitteluun.
Monimutkaisen muotoisten osien additiivinen valmistus (AM) on kasvanut merkittävästi viime vuosikymmeninä. Huolimatta erilaisista lisäainevalmistusprosesseista, mukaan lukien selektiivinen lasersulatus (SLM)1,2,3, suora lasermetallipinnoitus4,5,6, elektronisuihkusulatus7,8 ja muut9,10, osat voivat olla viallisia. Tämä johtuu pääasiassa sulan altaan prosessin korkeasta kiinteytymisnopeudesta ja korkeasta kiinteytymisnopeudesta. sulatus- ja uudelleensulatusmateriaalien lämmitysjaksot11, jotka johtavat epitaksiaaliseen rakeiden kasvuun ja merkittävään huokoisuuteen12,13.Tulokset osoittavat, että on tarpeen hallita lämpögradientteja, jäähdytysnopeuksia ja metalliseoksen koostumusta tai käyttää ylimääräisiä fyysisiä iskuja eri ominaisuuksien ulkoisten kenttien kautta (esim. ultraääni), jotta saavutetaan hienoja tasakeskeisiä raerakenteita.
Lukuisat julkaisut käsittelevät tärinäkäsittelyn vaikutusta jähmettymisprosessiin tavanomaisissa valuprosesseissa14,15. Ulkoisen kentän kohdistaminen bulkkisulaisiin ei kuitenkaan tuota haluttua materiaalin mikrorakennetta. Jos nestefaasin tilavuus on pieni, tilanne muuttuu dramaattisesti. Tässä tapauksessa ulkoinen kenttä vaikuttaa merkittävästi jähmettymisprosessiin. ,20,21,22,23,24,25,26,27, kaarisekoitus28 ja oskillaatio29, pulssiplasmakaaret30,31 ja muut menetelmät32. Kiinnitä alustaan ​​käyttämällä ulkoista korkean intensiteetin ultraäänilähdettä (20 kHz). Ultraääni-indusoitu ultraääni-indusoi alilämpötilan ja grainin koostumuksen ansioksi, että jyvästeet reflektoituvat. luomaan uusia kristalliitteja kavitaatiolla.
Tässä työssä tutkimme mahdollisuutta muuttaa austeniittisten ruostumattomien terästen raerakennetta sonikoimalla sulaa altaan itse sulavan laserin tuottamilla ääniaalloilla.Valoa absorboivaan väliaineeseen tulevan lasersäteilyn intensiteettimodulaatio johtaa ultraääniaaltojen syntymiseen, jotka muuttavat helposti olemassa olevan laserin säteilyvoimakkuuden modulaatiota materiaalin SLM-rakenteeseen. Tässä työssä tehtiin ruostumattomille teräslevyille, joiden pinnat altistettiin intensiteettimoduloidulle lasersäteilylle. Laserpintakäsittely on siis teknisesti tehty. Kuitenkin, jos tällainen laserkäsittely suoritetaan kunkin kerroksen pinnalle, kerros kerrokselta muodostumisen aikana saavutetaan vaikutukset koko tilavuuteen tai tilavuuden valikoituihin osiin. Toisin sanoen, jos osa on konstruoitu laserpintakäsittelykerrokseksi kerroksittain.
Sen sijaan ultraäänitorvipohjaisessa ultraäänihoidossa seisovan ääniaallon ultraäänienergia jakautuu koko komponenttiin, kun taas laserin aiheuttama ultraäänivoimakkuus on erittäin keskittynyt lähelle lasersäteilyn absorboitumiskohtaa. Sonotrodin käyttö SLM-jauhepetisulatuskoneessa on monimutkaista, koska jauhepedin yläpinta ei saa olla alttiina kiinteälle lasersäteilylle. , akustinen jännitys on lähellä nollaa ja hiukkasnopeudella on suurin amplitudi osan koko yläpinnalla. Äänenpaine koko sulan altaan sisällä ei saa ylittää 0,1 % hitsauspään tuottamasta maksimipaineesta, koska ultraääniaaltojen aallonpituus 20 kHz taajuudella ruostumattomassa teräksessä on yleensä {tekstiä \\ 3 pienempi kuin . 0,3~\teksti {mm}\). Siksi ultraäänen vaikutus kavitaatioon voi olla pieni.
On huomattava, että intensiteettimoduloidun lasersäteilyn käyttö suorassa lasermetallipinnoituksessa on aktiivinen tutkimusalue35,36,37,38.
Väliaineeseen osuvan lasersäteilyn lämpövaikutus on perusta lähes kaikille materiaalinkäsittelyn lasertekniikoille 39, 40, kuten leikkaus41, hitsaus, karkaisu, poraus42, pintapuhdistus, pinnan seostus, pinnan kiillotus43 jne. Laserin keksintö stimuloi materiaalinkäsittelytekniikoiden uusia kehityssuuntia, ja alustavista tuloksista on tehty tiivistelmä4,4,4 monografiassa4,4 monografiassa4,54,4,54,4,4,4,4,4 monografiassa4,54,4 monografiassa4.
On huomattava, että kaikki väliaineeseen kohdistuvat ei-stationaariset vaikutukset, mukaan lukien laserin vaikutus absorboivaan väliaineeseen, johtavat siinä olevien akustisten aaltojen virittymiseen enemmän tai vähemmän tehokkaasti. Aluksi pääpaino oli nesteiden aaltojen laservirittämisessä ja äänen erilaisissa lämpöherätysmekanismeissa (lämpölaajeneminen, haihtuminen, faasisiirtymä, tilavuuden muutos, jne.47,9umer,47,47, umer, supistuminen). Monografiat50, 51, 52 tarjoavat teoreettisia analyyseja tästä prosessista ja sen mahdollisista käytännön sovelluksista.
Näitä kysymyksiä käsiteltiin myöhemmin useissa konferensseissa, ja ultraäänen laservirityksellä on sovelluksia sekä laserteknologian teollisissa sovelluksissa53 että lääketieteessä54. Siksi voidaan katsoa, ​​että prosessin peruskonsepti, jolla pulssilaservalo vaikuttaa absorboivaan väliaineeseen, on vakiintunut. Laser-ultraäänitarkastusta käytetään SLM-valmistettujen näytteiden vikojen havaitsemiseen55,56.
Laserkehotettujen iskuaaltojen vaikutus materiaaleihin perustuu lasersokkipeeningiin57,58,59, jota käytetään myös lisäainevalmisteisten osien pintakäsittelyyn60. Laseriskun vahvistaminen on kuitenkin tehokkainta nanosekunnin laserpulsseilla ja mekaanisesti kuormitetuilla pinnoilla (esim. nestekerroksella)59, koska mekaaninen kuormitus lisää huippupainetta.
Eri fyysisten kenttien mahdollisia vaikutuksia jähmettyneiden materiaalien mikrorakenteeseen tutkittiin kokeilla. Kokeellisen järjestelyn toiminnallinen kaavio on esitetty kuvassa 1. Pulssimainen Nd:YAG solid-state laser, joka toimii vapaassa tilassa (pulssin kesto \(\tau _L \sim 150~\upmu \tekstiä käytettiin laserpulssisarjaa ja suodattimien tiheyttä) jakajalevyjärjestelmä. Neutraalitiheyssuodattimien yhdistelmästä riippuen kohteen pulssienergia vaihtelee välillä \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) arvoon \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Aikaa, joka ylittää \(1~\text {ms}\)) käytetään kohteen tulon ja siitä heijastumisen määrittämiseen, ja kahta tehomittaria (lyhyillä vasteajoilla varustettuja valodiodeja\(<10~\text {ns}\)) tulevan ja heijastuneen optisen tehon määrittämiseen. Kalorimetrit ja tehomittarit kalibroitiin antamaan arvot absoluuttisina yksiköinä käyttämällä Generaalidioksidin tunnistusyksikköä 1 DEOc-eletro1 DEO-c-eletro3 DEOc-eletro3D02′′. asennettu näytepaikkaan. Tarkenna säde kohteeseen käyttämällä linssiä (heijastuksenestopinnoite \(1,06 \upmu \text {m}\), polttoväli \(160~\text {mm}\)) ja säteen vyötärö kohdepinnassa 60– \(100~\upmu\text {m}).
Kokeellisen järjestelyn toiminnallinen kaavio: 1—laser;2 - lasersäde;3 – neutraalitiheyssuodatin;4 - synkronoitu valodiodi;5 - säteen jakaja;6 - kalvo;7 - tulevan säteen kalorimetri;8 – heijastuneen säteen kalorimetri;9 – tulevan säteen tehomittari;10 – heijastuneen säteen tehomittari;11 – tarkennuslinssi;12 – peili;13 – näyte;14 – laajakaistainen pietsosähköinen muunnin;15 – 2D-muunnin;16 – paikannusmikro-ohjain;17 – synkronointiyksikkö;18 – monikanavainen digitaalinen hankintajärjestelmä erilaisilla näytteenottotaajuuksilla;19 – henkilökohtainen tietokone.
Ultraäänikäsittely suoritetaan seuraavasti. Laser toimii vapaassa tilassa;siksi laserpulssin kesto on \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), joka koostuu useista noin \(1,5~\upmu \text {s } \) pituuksista. Laserpulssin ajallinen muoto ja sen spektri koostuvat matalataajuisesta modulaatiosta, jonka keskimääräinen taajuus, quo\0 envelo. teksti {MHz}\), kuten kuvassa 2.- Taajuusverhokäyrä tarjoaa materiaalin kuumenemisen ja sen jälkeen sulamisen ja haihdutuksen, kun taas korkeataajuinen komponentti tuottaa ultraäänivärähtelyt fotoakustisen vaikutuksen vuoksi. Laserin tuottaman ultraäänipulssin aaltomuodon määrää pääasiassa laserpulssin intensiteetin aikamuoto.Se on \(7~\teksti {kHz}\) arvoon \ (2~\teksti {MHz}\), ja keskitaajuus on \(~ 0,7~\teksti {MHz}\). Fotoakustisesta vaikutuksesta johtuvat akustiset pulssit tallennettiin käyttämällä laajakaistaisia ​​pietsosähköisiä muuntimia, jotka on valmistettu polyvinylideenifluoridikalvoista. laserpulssit ovat tyypillisiä vapaan toiminnan laserille.
Laserpulssin intensiteetin (a) ja äänen nopeuden ajallinen jakautuminen näytteen takapinnalla (b), laserpulssin (c) ja ultraäänipulssin (d) spektrit keskiarvotettuina 300 laserpulssille (punainen käyrä) yhdelle laserpulssille (sininen käyrä).
Voimme erottaa selkeästi laserpulssin matalataajuista verhokäyrää ja korkeataajuista modulaatiota vastaavat akustisen hoidon matalataajuiset ja korkeataajuiset komponentit. Laserpulssin verhokäyrän tuottamien akustisten aaltojen aallonpituudet ylittävät \(40~\text {cm}\);siksi akustisen signaalin laajakaistaisten korkeataajuisten komponenttien päävaikutus mikrorakenteeseen on odotettavissa.
SLM:n fysikaaliset prosessit ovat monimutkaisia ​​ja tapahtuvat samanaikaisesti eri tila- ja aikamittakaavassa. Siksi monimittakaavaiset menetelmät soveltuvat parhaiten SLM:n teoreettiseen analyysiin. Matemaattisten mallien tulee aluksi olla monifysikaalisia. Monivaiheisen väliaineen mekaniikka ja lämpöfysiikka "kiinteä-neste sula" vuorovaikutuksessa SLM:n lämpökuormituksena ovat sitten tehokkaita inerttikaasuilmakehän ominaisuuksia.
Lämmitys- ja jäähdytysnopeudet jopa \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ paikallisen lasersäteilyn ansiosta, jonka tehotiheydet ovat jopa \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Sulamis-jähmettymisjakso kestää 1 ja \(10~\teksti {ms}\), mikä edistää sulamisvyöhykkeen nopeaa jähmettymistä jäähdytyksen aikana.
Näytepinnan nopea lämpeneminen johtaa korkeiden lämpöelastisten jännitysten muodostumiseen pintakerrokseen. Riittävä (jopa 20 %) osa jauhekerroksesta haihtuu voimakkaasti63, mikä johtaa pintaan lisäpainekuormitukseen vasteena laserablaatiolle. Tämän seurauksena indusoitu venymä vääristää merkittävästi osan geometriaa, erityisesti lasersoiton syntymisnopeuksia. jännitysaallot, jotka etenevät pinnalta alustalle. Tarkkojen kvantitatiivisten tietojen saamiseksi paikallisesta jännitys- ja jännitysjakaumasta suoritetaan mesoskooppinen simulaatio kimmoisan muodonmuutoksen ongelmasta, joka on konjugoitu lämpöön ja massasiirtoon.
Mallin hallitsevat yhtälöt sisältävät (1) epävakaat lämmönsiirtoyhtälöt, joissa lämmönjohtavuus riippuu faasitilasta (jauhe, sula, monikiteinen) ja lämpötilasta, (2) jatkuvan ablaation jälkeisen elastisen muodonmuutoksen vaihtelut ja termoelastinen laajenemisyhtälö. Raja-arvoongelma määräytyy moduloidun jäähdytyspinnan kokeellisissa olosuhteissa. haihtumisvirta.Massavuo määritellään haihtuvan materiaalin kylläisen höyrynpaineen laskelman perusteella.Elastoplastista jännitys-venymäsuhdetta käytetään, kun termoelastinen jännitys on verrannollinen lämpötilaeroon. Nimellisteholle \(300~\text {W}\), taajuudelle \(10^5~\teksti {Hz}) (intermitt 10 \~0 \text {Hz}\) tehollisen palkin halkaisijasta.
Kuva 3 esittää sulan vyöhykkeen numeerisen simulaation tulokset makroskooppisella matemaattisella mallilla. Fuusiovyöhykkeen halkaisija on \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) säde) ja \(40~\upmu \text {m}\) tekstin syvyyden 0 \teksti {m}\) ja \(40~\upmu \text {m}\) paikallinen syvyys. {K}\) johtuen pulssimodulaation korkeasta jaksoittaisesta kertoimesta. Lämmitysnopeudet \(V_h\) ja jäähdytys \(V_c\) ovat luokkaa \(10^7\) ja \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Nämä arvot ovat hyvässä linjassa aiemman \(c) \h \h erotuksen kanssa. johtaa pintakerroksen nopeaan ylikuumenemiseen, jolloin lämmönjohtavuus alustaan ​​ei riitä poistamaan lämpöä. Siksi \(t=26~\upmu \text {s}\) pinnan lämpötila huiput jopa \(4800~\text {K}\). Materiaalin voimakas haihtuminen voi aiheuttaa näytteen pinnan liiallisen paineen ja irtoamisen.
Yksittäisen laserpulssihehkutuksen sulamisvyöhykkeen numeeriset simulaatiotulokset 316 litran näytelevyllä. Aika pulssin alusta sulan altaan syvyyteen maksimiarvon saavuttamiseen on \(180~\upmu\text {s}\). Isotermi\(T = T_L = 1723~\text {K}\) edustaa nesteen ja kiinteän faasin välistä (alhaista faasiviivaa). myötöraja lasketaan lämpötilan funktiona seuraavassa osiossa. Siksi kahden isotermit\(T=T_L\) ja isobars\(\sigma =\sigma _V(T)\) välisellä alueella kiinteään faasiin kohdistuu voimakkaita mekaanisia kuormituksia, jotka voivat aiheuttaa muutoksia mikrorakenteessa.
Tätä vaikutusta selitetään tarkemmin kuvassa 4a, jossa painetaso sulassa vyöhykkeessä on piirretty ajan ja etäisyyden pinnasta funktiona. Ensinnäkin painekäyttäytyminen liittyy laserpulssin intensiteetin modulaatioon, joka on kuvattu yllä olevassa kuvassa 2. Maksimipaine \text{s}\) oli noin \(10~\text {MPa}\) noin \(10~\text {MPa}\), paikallisen paineen nousun kohdalla (tmu=2Sek) havaittiin. ohjauspisteellä on samat värähtelyominaisuudet kuin taajuudella \(500~\text {kHz}\). Tämä tarkoittaa, että ultraäänipaineaaltoja syntyy pinnalla ja ne leviävät sitten alustaan.
Sulamisvyöhykkeen lähellä olevan muodonmuutosvyöhykkeen lasketut ominaisuudet on esitetty kuvassa 4b. Laserablaatio ja termoelastinen jännitys synnyttävät elastisia muodonmuutosaaltoja, jotka etenevät alustaan. Kuten kuvasta näkyy, jännityksen muodostumisessa on kaksi vaihetta. pintapaine. Tämä jännitys johtuu laserablaatiosta, eikä ohjauspisteissä havaittu termoelastista jännitystä, koska alkuperäinen lämpövaikuttama vyöhyke oli liian pieni. Kun lämpöä haihdutetaan substraattiin, ohjauspiste tuottaa korkean lämpöelastisen jännityksen yli \(40~\teksti {MPa}\).
Saaduilla moduloiduilla jännitystasoilla on merkittävä vaikutus kiinteän aineen ja nesteen väliseen rajapintaan ja ne voivat olla jähmettymisreittiä ohjaava ohjausmekanismi. Muodonmuutosvyöhykkeen koko on 2-3 kertaa suurempi kuin sulamisvyöhykkeen. Kuten kuvasta 3, verrataan sulamisisotermin sijaintia ja myötörajaa vastaavaa jännitystasoa. Tämä tarkoittaa, että pulssi lasersäteily tuottaa tehokkaan mekaanisen säteilyn välillä \ 0 ja halkaisijaltaan ~8 välillä. mu \text {m}\) hetkellisen ajan mukaan.
Siksi pulssilaserhehkutuksen monimutkainen modulaatio johtaa ultraäänivaikutukseen. Mikrorakenteen valintareitti on erilainen verrattuna SLM:ään ilman ultraäänikuormitusta. Epävakaat alueet johtavat määräajoin puristus- ja venytysjaksoihin kiinteässä faasissa. Siten uusien raerajojen muodostuminen ja alirakeiden rakenteen muuttaminen on mahdollista, alla esitetyt johtopäätökset ovat mahdollisia. tarjoavat mahdollisuuden suunnitella pulssimodulaatio-indusoitu ultraääniohjattu SLM-prototyyppi. Tässä tapauksessa muualla käytetty pietsosähköinen kela 26 voidaan sulkea pois.
(a) Paine ajan funktiona laskettuna eri etäisyyksillä pinnasta 0, 20 ja \(40~\upmu \text {m}\) symmetria-akselilla.(b) Aikariippuva Von Mises -jännitys laskettu kiinteässä matriisissa etäisyyksillä 70, 120 ja \(170~\upmu) \teksti näytteen pinnasta.
Kokeet suoritettiin ruostumattomilla AISI 321H -teräslevyillä, joiden mitat olivat \(20\kertaa 20\kertaa 5~\teksti {mm}\). Jokaisen laserpulssin jälkeen levy liikkuu \(50~\upmu \text {m}\), ja lasersäteen vyötärö kohdepinnalla on noin {up} \(100 amm) pitkin samaa tekstiä. jäljittää prosessoidun materiaalin uudelleensulatuksen rakeiden jalostusta varten. Kaikissa tapauksissa uudelleensulatettu vyöhyke sonikoitiin lasersäteilyn värähtelevän komponentin mukaan. Tämä johtaa yli 5-kertaiseen keskimääräiseen raepinta-alaan. Kuvassa 5 näkyy, kuinka lasersulatetun alueen mikrorakenne muuttuu seuraavien uudelleensulatusjaksojen (uudelleensulatusjaksojen) lukumäärän mukaan.
Alakuvat (a,d,g,j) ja (b,e,h,k) – lasersulatettujen alueiden mikrorakenne, osakuvat (c,f,i,l) – värillisten rakeiden pinta-alajakauma.Varjostus edustaa histogrammin laskemiseen käytettyjä hiukkasia. Värit vastaavat raealueita (katso väripalkki histogrammin yläosassa. Alakuvat (ac) vastaavat käsittelemätöntä ruostumatonta terästä ja osakuvat (df), (gi), (jl) vastaavat 1, 3 ja 5 uudelleensulatusta.
Koska laserpulssienergia ei muutu myöhempien kulkujen välillä, sulan vyöhykkeen syvyys on sama. Siten seuraava kanava "peittää" edellisen kokonaan. Histogrammi kuitenkin osoittaa, että keskimääräinen ja mediaaniraepinta-ala pienenevät kulkujen lisääntyessä. Tämä voi viitata siihen, että laser vaikuttaa substraattiin eikä sulaan.
Rakeiden hienostuneisuus voi johtua sulan altaan nopeasta jäähtymisestä65. Suoritettiin toinen koesarja, jossa ruostumattomien teräslevyjen (321H ja 316L) pinnat altistettiin jatkuvalle aaltolaseersäteilylle ilmakehässä (kuva 6) ja tyhjiössä (kuva 7). Laserin keskimääräinen teho (300 W, vastaavasti 10 AG) on sulan altaan syvyyttä. Laser vapaasti pyörivässä tilassa. Kuitenkin havaittiin tyypillinen pylväsrakenne.
Jatkuvaaaltolaserin lasersulatetun alueen mikrorakenne (vakioteho 300 W, skannausnopeus 200 mm/s, AISI 321H ruostumaton teräs).
(a) Mikrorakenne ja (b) elektronien takaisinsirontadiffraktiokuvat lasersulatetusta alueesta tyhjiössä jatkuvan aallon laserilla (100 W vakioteho, 200 mm/s pyyhkäisynopeus, AISI 316L ruostumaton teräs)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Siksi on selkeästi osoitettu, että laserpulssin intensiteetin monimutkaisella modulaatiolla on merkittävä vaikutus tuloksena olevaan mikrorakenteeseen.Uskomme, että tämä vaikutus on luonteeltaan mekaaninen ja johtuu ultraäänivärähtelyjen syntymisestä, jotka etenevät sulatteen säteilytetyltä pinnalta syvälle näytteeseen. Vastaavia tuloksia saatiin 13, 26, 34, 66, 66, 67, 66, 67 ja 67 ulkoisia ultraääniä käyttämällä. erilaisia ​​materiaaleja, mukaan lukien Ti-6Al-4V metalliseos 26 ja ruostumaton teräs 34, jotka ovat seurausta. Mahdollista mekanismia spekuloidaan seuraavasti. Voimakas ultraääni voi aiheuttaa akustista kavitaatiota, mikä on osoitettu ultranopeassa in situ synkrotroniröntgenkuvauksessa. Kavitaatiokuplien romahtaminen puolestaan ​​tuottaa {paineen \0-aallot 9. Tällaiset iskuaallot voivat olla tarpeeksi voimakkaita edistämään kriittisen kokoisten kiinteäfaasisten ytimien muodostumista bulkkinesteissä, mikä häiritsee tyypillistä pylväsmäistä raerakennetta kerros kerrokselta lisäaineiden valmistuksessa.
Tässä ehdotamme toista mekanismia, joka vastaa rakenteen muuttamisesta voimakkaalla sonikaatiolla. Välittömästi jähmettymisen jälkeen materiaali on korkeassa lämpötilassa lähellä sulamispistettä ja sillä on erittäin alhainen myötöraja. Voimakkaat ultraääniaallot voivat saada muovivirtauksen muuttamaan kuuman, juuri jähmettyneen materiaalin raerakennetta. Luotettavia kokeellisia tietoja myötörajan lämpötilariippuvuudesta on kuitenkin saatavilla (kuva \teksti \1K) Siksi tämän hypoteesin testaamiseksi suoritimme molekyylidynamiikka (MD) simulaatioita Fe-Cr-Ni-koostumukselle, joka on samanlainen kuin AISI 316 L -teräkselle myötörajakäyttäytymisen arvioimiseksi lähellä sulamispistettä. Myötörajan laskemiseen käytimme MD-leikkausjännityksen relaksaatiotekniikkaa, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti 70, 71, 72, atomien välisen vuorovaikutuksen laskennassa. 74.MD-simulaatiot suoritettiin LAMMPS-koodeilla 75,76. MD-simulaatioiden yksityiskohdat julkaistaan ​​muualla. Myötörajan MD-laskentatulokset lämpötilan funktiona on esitetty kuvassa 8 yhdessä saatavilla olevien koetietojen ja muiden arvioiden kanssa77,78,79,80,81,82.
AISI-luokan 316 austeniittisen ruostumattoman teräksen myötölujuus ja mallin koostumus vs. lämpötila MD-simulaatioissa.Kokeelliset mittaukset viitteistä: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.Katso. (f)82 on myötörajariippuvuuden empiirinen empiirinen valmistusjännitysmittauksen malli. Suuren mittakaavan MD-simulaatioiden tulokset tässä tutkimuksessa on merkitty \(\vartriangleft\) virheettömälle äärettömälle yksikiteelle ja \(\vartriangleright\) äärellisille rakeille ottaen huomioon keskimääräinen raekoko Hall-Petch-relaation kautta Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}).
Voidaan nähdä, että kohdassa \(T>1500~\text {K}\) myötöraja putoaa alle arvon \(40~\teksti {MPa}\). Toisaalta arviot ennustavat, että laserilla generoitu ultraääniamplitudi ylittää \(40~\text {MPa}\) (katso kuva 4b), mikä riittää indusoimaan juuri kiinteytyneen kuuman muovin virtauksen.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austeniittisen ruostumattoman teräksen mikrorakenteen muodostumista SLM:n aikana tutkittiin kokeellisesti käyttämällä monimutkaista intensiteettimoduloitua pulssi-laserlähdettä.
Lasersulatusvyöhykkeen raekoon pieneneminen havaittiin jatkuvan laser-uudelleensulatuksen seurauksena 1, 3 tai 5 ajon jälkeen.
Makroskooppinen mallinnus osoittaa, että sen alueen arvioitu koko, jossa ultraäänimuodonmuutos voi vaikuttaa positiivisesti jähmettymisrintamaan, on enintään \(1~\teksti {mm}\).
Mikroskooppinen MD-malli osoittaa, että austeniittisen ruostumattoman teräksen AISI 316 myötöraja on laskenut merkittävästi arvoon \(40~\teksti {MPa}\) lähellä sulamispistettä.
Saadut tulokset ehdottavat menetelmää materiaalien mikrorakenteen ohjaamiseksi monimutkaisella moduloidulla laserkäsittelyllä ja voisivat toimia perustana uusien modifikaatioiden luomiselle pulssi-SLM-tekniikasta.
Liu, Y. et al. In situ TiB2/AlSi10Mg-komposiittien mikrorakennekehitys ja mekaaniset ominaisuudet laserselektiivisellä sulatuksella [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. 316 litran ruostumattoman teräksen laserselektiivisen sulatuksen uudelleenkiteyttäminen [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Sandwich-mikrorakenteiden in situ -kehitys, jolla on parannettu sitkeys lasersulatettujen titaaniseosten laserlämmityksellä.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Ti-6Al-4V-osien additiivinen valmistus lasermetallipinnoituksella (LMD): prosessi, mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Microstructural modeling of laser metal pulverdirected energy deposition of Alloy 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et ai. 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. Elektronisuihkusulatuksen avulla lisättävän Ti-6Al-4V:n gradienttimikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).