Grazas por visitar Nature.com.A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada para CSS. Para obter unha mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, mostraremos o sitio sen estilos e JavaScript.
Proponse un novo mecanismo baseado na fusión selectiva con láser para controlar a microestrutura dos produtos no proceso de fabricación. O mecanismo depende da xeración de ondas ultrasónicas de alta intensidade na piscina fundida mediante irradiación láser de intensidade modulada complexa. Estudos experimentais e simulacións numéricas mostran que este mecanismo de control é tecnicamente viable e pode integrarse eficazmente no deseño selectivo de máquinas de fusión láser modernas.
A fabricación aditiva (AM) de pezas con forma complexa creceu significativamente nas últimas décadas. Non obstante, a pesar da variedade de procesos de fabricación aditiva, incluíndo a fusión selectiva con láser (SLM)1,2,3, a deposición directa de metais con láser4,5,6, a fusión de feixes de electróns7,8 e outros9,10, o proceso de fusión das pezas pode estar asociado principalmente a defectos específicos do sólido. altos gradientes térmicos, altas velocidades de arrefriamento e a complexidade dos ciclos de quecemento na fusión e refusión do material 11 , que conducen a un crecemento epitaxial de grans e unha porosidade importante.12,13 mostraron que é necesario controlar os gradientes térmicos, as taxas de arrefriamento e a composición da aliaxe, ou aplicar choques físicos adicionais por campos externos de diversas propiedades, como os ultrasóns, para conseguir estruturas de gran equiaxial fino.
Numerosas publicacións están relacionadas co efecto do tratamento de vibracións no proceso de solidificación nos procesos de fundición convencionais14,15.Non obstante, a aplicación dun campo externo a unha masa fundida non produce a microestrutura do material desexada.Se o volume da fase líquida é pequeno, a situación cambia drasticamente.Neste caso, o campo externo afecta significativamente ao proceso de solidificación. Consideráronse 3,24,25,26,27, a axitación do arco28 e oscilación29, os efectos electromagnéticos durante arcos de plasma pulsado30,31 e outros métodos32. Acoplar ao substrato mediante unha fonte de ultrasóns de alta intensidade externa (a 20 kHz). a través da cavitación.
Neste traballo, investigamos a posibilidade de alterar a estrutura do gran dos aceiros inoxidables austeníticos sonicando a piscina fundida con ondas sonoras xeradas polo propio láser en fusión. A modulación de intensidade da radiación láser incidente no medio absorbente da luz resulta na xeración de ondas ultrasónicas, que alteran a microestrutura do material. e sobre placas de aceiro inoxidable cuxas superficies foron expostas a radiación láser de intensidade modulada. Polo tanto, tecnicamente, realízase un tratamento de superficie con láser. Non obstante, se se realiza un tratamento con láser na superficie de cada capa, durante a acumulación capa por capa conséguese efectos sobre todo o volume ou sobre partes seleccionadas do volume. Noutras palabras, se a parte de cada capa se constrúe, o tratamento de capa por capa é equivalente a capa por capa.
Mentres que na terapia ultrasónica baseada en corno ultrasónico, a enerxía ultrasónica da onda sonora está distribuída por todo o compoñente, mentres que a intensidade ultrasónica inducida polo láser está moi concentrada preto do punto onde se absorbe a radiación láser. Usar un sonotrodo nunha máquina de fusión de leito de po SLM é complicado porque a superficie superior do leito de po non debe estar exposta á radiación láser. e, a tensión acústica é próxima a cero e a velocidade das partículas ten unha amplitude máxima sobre toda a superficie superior da peza. A presión sonora no interior da piscina fundida non pode exceder o 0,1% da presión máxima xerada polo cabezal de soldadura, porque a lonxitude de onda das ondas ultrasónicas cunha frecuencia de 20 kHz en aceiro inoxidable é \(\sim Them de 0.3~3\, e xeralmente \sim 0.3\sim \sim 0.3\sim{101}~3. ~\text {mm}\). Polo tanto, o efecto dos ultrasóns na cavitación pode ser pequeno.
Nótese que o uso de radiación láser de intensidade modulada na deposición directa de metal con láser é unha área activa de investigación35,36,37,38.
Os efectos térmicos da radiación láser incidente sobre o medio son a base para case todas as técnicas de procesamento de materiais con láser 39, 40, como corte 41, soldadura, endurecemento, perforación 42, limpeza de superficies, aliaxe de superficies, pulido de superficies 43, etc.
Nótese que calquera acción non estacionaria sobre o medio, incluída a acción láser sobre o medio absorbente, ten como resultado a excitación das ondas acústicas nel con máis ou menos eficiencia. Inicialmente, o foco principal estaba na excitación láser de ondas en líquidos e nos distintos mecanismos de excitación térmica do son (expansión térmica, evaporación, cambio de volume, transición de fase, transición monómero, etc.). 0, 51, 52 proporcionan análises teóricas deste proceso e as súas posibles aplicacións prácticas.
Estes problemas foron discutidos posteriormente en varias conferencias, e a excitación láser de ultrasóns ten aplicacións tanto en aplicacións industriais da tecnoloxía láser53 como na medicina54. Polo tanto, pódese considerar que se estableceu o concepto básico do proceso polo cal a luz láser pulsada actúa sobre un medio absorbente. A inspección ultrasónica con láser utilízase para a detección de defectos das mostras fabricadas por SLM55,56.
O efecto das ondas de choque xeradas con láser sobre os materiais é a base do granallado por choque con láser57,58,59, que tamén se usa para o tratamento de superficie de pezas fabricadas aditivamente60.Non obstante, o reforzo do choque con láser é máis eficaz en pulsos láser de nanosegundos e superficies cargadas mecánicamente (por exemplo, cunha capa de líquido)59 porque a presión mecánica aumenta.
Realizáronse experimentos para investigar os posibles efectos de varios campos físicos na microestrutura dos materiais solidificados. O diagrama funcional da configuración experimental móstrase na figura 1. Un láser de estado sólido Nd:YAG pulsado que funciona en modo de marcha libre (duración do pulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) utilizouse unha serie de filtros de pulso divididos por láser de pulso neutro e pasou a través dunha serie de filtros neutros. Dependendo da combinación de filtros de densidade neutra, a enerxía do pulso no obxectivo varía de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ata \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). O raio láser reflectido polo divisor de feixe envíase a un fotodíodo para a adquisición de datos simultánea }\)) utilízanse para determinar o incidente e o reflectido do obxectivo, e dous medidores de potencia (fotodiodos con tempo de resposta curto\(<10~\text {ns}\)) para determinar a potencia óptica incidente e reflectida. Calibráronse os calorímetros e os medidores de potencia para dar valores en unidades absolutas mediante un detector de termopila Gentec-EO XLP12-3S-am montado no espello nun espello no lugar dieléctrico. unha lente (revestimento antirreflectante en \(1,06 \upmu \text {m}\), distancia focal \(160~\text {mm}\)) e unha cintura do feixe na superficie obxectivo 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagrama esquemático funcional da configuración experimental: 1—láser;2-feixo láser;3-filtro de densidade neutra;4-fotodiodo sincronizado;5—divisor de feixe;6-diafragma;7-calorímetro do feixe incidente;8 – calorímetro de feixe reflectido;9 – contador de potencia do feixe incidente;10 – medidor de potencia de feixe reflectido;11 - lente de enfoque;12 - espello;13 - mostra;14 – transdutor piezoeléctrico de banda ancha;15 - conversor 2D;16 – microcontrolador de posicionamento;17 – unidade de sincronización;18 – sistema de adquisición dixital multicanle con varias taxas de mostraxe;19 – ordenador persoal.
O tratamento con ultrasóns realízase do seguinte xeito. O láser funciona en modo libre;polo tanto, a duración do pulso láser é \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consta de varias duracións de aproximadamente \(1,5~\upmu \text {s } \) cada unha. A forma temporal do pulso láser e o seu espectro consisten nunha envolvente de baixa frecuencia e unha modulación de frecuencia de alta frecuencia, cunha modulación de frecuencia media de aproximadamente \({0} en \texto}, como se mostra en \texto {07}. - A envolvente de frecuencia proporciona o quecemento e posterior fusión e evaporación do material, mentres que o compoñente de alta frecuencia proporciona as vibracións ultrasónicas debido ao efecto fotoacústico. A forma de onda do pulso ultrasónico xerado polo láser está determinada principalmente pola forma temporal da intensidade do pulso do láser.Vai de \(7~\text {kHz}\) a \(2~\text {MHz}\), e a frecuencia central é \(~ 0,7~\text {MHz}\). Os pulsos acústicos debidos ao efecto fotoacústico foron rexistrados usando transdutores piezoeléctricos de banda ancha feitos de películas de fluoruro de polivinilideno. dun láser de modo libre.
Distribución temporal da intensidade do pulso láser (a) e da velocidade do son (b) na superficie posterior da mostra, os espectros (curva azul) dun único pulso láser (c) e un pulso de ultrasóns (d) promediaron máis de 300 pulsos láser (curva vermella).
Podemos distinguir claramente os compoñentes de baixa frecuencia e alta frecuencia do tratamento acústico correspondentes á envolvente de baixa frecuencia do pulso láser e á modulación de alta frecuencia, respectivamente.As lonxitudes de onda das ondas acústicas xeradas pola envolvente do pulso láser superan \(40~\text {cm}\);polo tanto, espérase o efecto principal dos compoñentes de alta frecuencia de banda ancha do sinal acústico sobre a microestrutura.
Os procesos físicos en SLM son complexos e ocorren simultáneamente en diferentes escalas espaciais e temporais. Polo tanto, os métodos multiescala son os máis axeitados para a análise teórica de SLM. Os modelos matemáticos deben ser inicialmente multifísicos. A mecánica e a termofísica dun medio multifásico "fusión sólido-líquido" interactuando cunha atmosfera de gas inerte.
Velocidades de calefacción e refrixeración de ata \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ debido á irradiación láser localizada con densidades de potencia de ata \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
O ciclo de fusión-solidificación dura entre 1 e \(10~\text {ms}\), o que contribúe á solidificación rápida da zona de fusión durante o arrefriamento.
O quecemento rápido da superficie da mostra produce a formación de altas tensións termoelásticas na capa superficial. Evapora-se unha porción suficiente (ata un 20 %) da capa de po63, o que resulta nunha carga de presión adicional na superficie en resposta á ablación con láser. En consecuencia, a tensión inducida distorsiona significativamente a xeometría da peza e produce pulsos estruturais, especialmente os pulsos estruturais. xeración de ondas ultrasónicas de deformación que se propagan desde a superficie ata o substrato. Para obter datos cuantitativos precisos sobre a distribución local de tensión e tensión, realízase unha simulación mesoscópica do problema de deformación elástica conxugada á transferencia de calor e masa.
As ecuacións que rexen o modelo inclúen (1) ecuacións de transferencia de calor inestable onde a condutividade térmica depende do estado da fase (po, fusión, policristalina) e da temperatura, (2) flutuacións na deformación elástica despois da ablación continua e da ecuación de expansión termoelástica. O problema do valor límite está determinado polas condicións experimentais. O fluxo defínese en función do cálculo da presión de vapor saturado do material que se evapora. A relación tensión-deformación elastoplástica utilízase onde a tensión termoelástica é proporcional á diferenza de temperatura. Para a potencia nominal \(300~\text {W}\), a frecuencia \(10^5~\text {Hz}\), o coeficiente intermitente de 100~\text{am} e \\\\text{ameter}\\\\\\text{ameter} efectivo.
A figura 3 mostra os resultados da simulación numérica da zona fundida utilizando un modelo matemático macroscópico. O diámetro da zona de fusión é de \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) de raio) e \(40~\upmu \text {m}\) de profundidade. ) debido ao alto factor intermitente da modulación do pulso. As taxas de quecemento \(V_h\) e de refrixeración \(V_c\) están da orde de \(10^7\) e \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respectivamente. Estes valores están en boa concordancia coa nosa análise anterior64. , onde a condución térmica ao substrato é insuficiente para eliminar a calor. Polo tanto, en \(t=26~\upmu \text {s}\) a temperatura da superficie alcanza un máximo de \(4800~\text {K}\). A evaporación vigorosa do material pode facer que a superficie da mostra se vexa sometida a unha presión excesiva e se desprenda.
Resultados da simulación numérica da zona de fusión do recocido de pulso láser único na placa de mostra de 316L. O tempo desde o inicio do pulso ata a profundidade do pool fundido que alcanza o valor máximo é \(180~\upmu\text {s}\). A isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) representa a isobara líquida e a fase sólida correspondente. d tensión calculada en función da temperatura na sección seguinte. Polo tanto, no dominio entre as dúas isolíneas (isotermas\(T=T_L\) e isóbaras\(\sigma =\sigma _V(T)\)), a fase sólida está sometida a fortes cargas mecánicas , que poden provocar cambios na microestrutura.
Este efecto explícase máis na Figura 4a, onde o nivel de presión na zona fundida está representado en función do tempo e a distancia desde a superficie. En primeiro lugar, o comportamento da presión está relacionado coa modulación da intensidade do pulso láser descrita na Figura 2 anterior. Observouse unha presión máxima \text{s}\) de aproximadamente \(10~\text {MPa}\) nun punto aproximadamente \(t=2S) de control local. características de vibración como a frecuencia de \(500~\text {kHz}\). Isto significa que as ondas de presión ultrasónicas xéranse na superficie e logo propáganse ao substrato.
As características calculadas da zona de deformación preto da zona de fusión móstranse na figura 4b. A ablación con láser e a tensión termoelástica xeran ondas de deformación elástica que se propagan no substrato. Como se pode ver na figura, hai dúas etapas de xeración de tensión. a presión da superficie. Esta tensión prodúcese debido á ablación con láser e non se observou tensión termoelástica nos puntos de control porque a zona inicial afectada pola calor era demasiado pequena. Cando a calor se disipa no substrato, o punto de control xera unha elevada tensión termoelástica por encima de \(40~\text {MPa}\).
Os niveis de tensión modulados obtidos teñen un impacto significativo na interface sólido-líquido e poden ser o mecanismo de control que rexe o camiño de solidificación. O tamaño da zona de deformación é de 2 a 3 veces maior que o da zona de fusión. Como se mostra na Figura 3, compáranse a localización da isoterma de fusión e o nivel de tensión igual á tensión de fluencia. 300 e \(800~\upmu \text {m}\) dependendo do tempo instantáneo.
Polo tanto, a modulación complexa do recocido con láser pulsado conduce ao efecto ultrasónico. A vía de selección da microestrutura é diferente se se compara coa SLM sen carga ultrasónica. As rexións inestables deformadas levan a ciclos periódicos de compresión e estiramento na fase sólida. Así, a formación de novos límites de grans e límites de subgras faise factible. ty para deseñar un prototipo SLM impulsado por ultrasóns inducido pola modulación de pulso. Neste caso, pódese excluír o indutor piezoeléctrico 26 usado noutros lugares.
(a) Presión en función do tempo, calculada a diferentes distancias da superficie 0, 20 e \(40~\upmu \text {m}\) ao longo do eixe de simetría. (b) Tensión de Von Mises dependente do tempo calculada nunha matriz sólida a distancias 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) da superficie da mostra.
Os experimentos realizáronse en placas de aceiro inoxidable AISI 321H cunhas dimensións \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Despois de cada pulso láser, a placa móvese \(50~\upmu \text {m}\), e a cintura do raio láser na superficie do obxectivo é de aproximadamente \(100~\upmu\text {mm}\). refusión do material procesado para o refinamento do gran. En todos os casos, a zona de refusión foi sonicada, dependendo da compoñente oscilatoria da radiación láser. Isto resulta nunha redución de máis de 5 veces na área media do gran. A figura 5 mostra como cambia a microestrutura da rexión derretida con láser co número de ciclos de refusión (pasos) posteriores.
Subparcelas (a, d, g, j) e (b, e, h, k) - microestrutura de rexións fundidas con láser, subtramas (c, f, i, l) - distribución de áreas de grans de cores.O sombreado representa as partículas utilizadas para calcular o histograma.As cores corresponden a rexións de gran (ver a barra de cores na parte superior do histograma. As subparcelas (ac) corresponden a aceiro inoxidable sen tratar e as subparcelas (df), (gi), (jl) corresponden a 1, 3 e 5 refundimentos.
Dado que a enerxía do pulso do láser non cambia entre as pasadas posteriores, a profundidade da zona fundida é a mesma. Así, a canle posterior "cobre" completamente a anterior. Non obstante, o histograma mostra que a área de gran media e media diminúe ao aumentar o número de pasadas. Isto pode indicar que o láser está actuando sobre o substrato e non no fundido.
O refinamento do gran pode ser causado polo arrefriamento rápido do pool65.Outro conxunto de experimentos realizouse nos que as superficies de placas de aceiro inoxidable (321H e 316L) foron expostas a radiación láser de ondas continuas na atmosfera (Fig. 6) e ao baleiro (Fig. 7). modo de marcha libre.Non obstante, observouse unha estrutura columnar típica.
Microestrutura da rexión fundida con láser dun láser de onda continua (potencia constante de 300 W, velocidade de exploración de 200 mm/s, aceiro inoxidable AISI 321H).
(a) Microestrutura e (b) imaxe de difracción de retrodispersión electrónica da zona de fusión láser do láser de ondas continuas ao baleiro (potencia constante 100 W, velocidade de exploración 200 mm/s, aceiro inoxidable AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar}\).
Polo tanto, móstrase claramente que a complexa modulación da intensidade do pulso do láser ten un efecto significativo na microestrutura resultante. Cremos que este efecto é de natureza mecánica e prodúcese debido á xeración de vibracións ultrasónicas que se propagan desde a superficie irradiada do fundido profundamente na mostra. Obtivéronse resultados similares en 13, 26, 34, 66, mediante transductores de alta intensidade e ultrasóns que proporcionan materiais de alta intensidade e ultrasóns67. Incluíndo a aliaxe Ti-6Al-4V 26 e o ​​aceiro inoxidable 34 o resultado. O posible mecanismo especúlase do seguinte xeito.Os ultrasóns intensos poden causar cavitación acústica, como se demostra nas imaxes ultrarrápidas de raios X de sincrotrón in situ. O colapso das burbullas de cavitación á súa vez xera ondas de choque no material fundido, cuxa onda de choque pode chegar a \ o suficientemente forte como para promover a formación de núcleos en fase sólida de tamaño crítico en líquidos a granel, interrompendo a típica estrutura de gran columnar da fabricación aditiva capa por capa.
Aquí, propoñemos outro mecanismo responsable da modificación estrutural mediante a sonicación intensa. O material xusto despois da solidificación está a unha temperatura elevada próxima ao punto de fusión e ten unha tensión de fluencia extremadamente baixa. As ondas ultrasónicas intensas poden facer que o fluxo plástico altere a estrutura do gran do material quente que se acaba de solidificar. Non obstante, están dispoñibles datos experimentais fiables sobre a dependencia da temperatura da tensión de fluencia en \(T\15\)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~s\u0027 , para probar a hipótese, realizamos simulacións de dinámica molecular (MD) dunha composición Fe-Cr-Ni similar á do aceiro AISI 316 L para avaliar o comportamento da tensión de fluencia preto do punto de fusión. 4.As simulacións MD realizáronse utilizando os códigos LAMMPS 75,76.Os detalles da simulación MD publicaranse noutro lugar.Os resultados do cálculo MD da tensión de fluencia en función da temperatura móstranse na figura 8 xunto cos datos experimentais dispoñibles e outras avaliacións77,78,79,80,81,82.
Esfuerzo de fluencia para aceiro inoxidable austenítico AISI 316 e composición do modelo en función da temperatura para simulacións de MD. Medicións experimentais a partir de referencias: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Refer to. (f) 82 é un modelo empírico de tensión de fluencia aditiva de manufactura con láser en función da temperatura. .Os resultados da simulación de MD a gran escala neste estudo denotanse como \(\vartriangleleft\) para un único cristal infinito sen defectos e \(\vartriangleright\) para grans finitos tendo en conta o tamaño medio de gran a través da relación Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Pódese ver que en \(T>1500~\text {K}\) a tensión de fluencia cae por debaixo de \(40~\text {MPa}\). Por outra banda, as estimacións prevén que a amplitude ultrasónica xerada polo láser supera \(40~\text {MPa}\) (ver Fig. 4b), o que é suficiente para inducir o fluxo de sólido plástico só no material quente.
A formación da microestrutura do aceiro inoxidable austenítico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante o SLM investigouse experimentalmente utilizando unha fonte láser pulsada modulada en intensidade complexa.
Atopouse unha redución do tamaño do gran na zona de fusión do láser debido á refusión continua con láser despois de 1, 3 ou 5 pasadas.
O modelado macroscópico mostra que o tamaño estimado da rexión onde a deformación ultrasónica pode afectar positivamente a fronte de solidificación é de ata \(1~\text {mm}\).
O modelo microscópico MD mostra que o límite de fluencia do aceiro inoxidable austenítico AISI 316 redúcese significativamente a \(40~\text {MPa}\) preto do punto de fusión.
Os resultados obtidos suxiren un método para controlar a microestrutura dos materiais mediante un complexo procesamento láser modulado e que podería servir de base para crear novas modificacións da técnica SLM pulsada.
Liu, Y. et al. Evolución microestructural e propiedades mecánicas dos compostos TiB2/AlSi10Mg in situ por fusión selectiva con láser [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Enxeñaría de límites de gran de recristalización de fusión selectiva con láser de aceiro inoxidable 316L [J].Revista de Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Desenvolvemento in situ de microestruturas sándwich con ductilidade mellorada mediante requecemento con láser de aliaxes de titanio fundidas con láser.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Fabricación aditiva de pezas de Ti-6Al-4V mediante deposición láser de metal (LMD): proceso, microestrutura e propiedades mecánicas.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Modelado microestructural da deposición enerxética dirixida en po metálico láser de aliaxe 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al.Parametric Neutron Bragg Edge Imaging Study of 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.Microestrutura do gradiente e propiedades mecánicas de Ti-6Al-4V fabricadas aditivamente por fusión de feixe de electróns.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).