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विनिर्माण प्रक्रिया में उत्पादों की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने के लिए चयनात्मक लेजर पिघलने पर आधारित एक नया तंत्र प्रस्तावित है। यह तंत्र जटिल तीव्रता-संग्राहक लेजर विकिरण द्वारा पिघले हुए पूल में उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक तरंगों की पीढ़ी पर निर्भर करता है। प्रायोगिक अध्ययन और संख्यात्मक सिमुलेशन से पता चलता है कि यह नियंत्रण तंत्र तकनीकी रूप से व्यवहार्य है और इसे आधुनिक चयनात्मक लेजर पिघलने वाली मशीनों के डिजाइन में प्रभावी ढंग से एकीकृत किया जा सकता है।
हाल के दशकों में जटिल आकार के हिस्सों का एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) काफी बढ़ गया है। हालांकि, चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) 1,2,3, प्रत्यक्ष लेजर धातु जमाव4,5,6, इलेक्ट्रॉन बीम पिघलने7,8 और अन्य9,10 सहित विभिन्न प्रकार की एडिटिव निर्माण प्रक्रियाओं के बावजूद, पार्ट्स दोषपूर्ण हो सकते हैं। यह मुख्य रूप से उच्च तापीय ग्रेडिएंट, उच्च शीतलन दर और पिघलने और रीमेल में हीटिंग चक्र की जटिलता से जुड़े पिघले हुए पूल जमने की प्रक्रिया की विशिष्ट विशेषताओं के कारण है। टिंग सामग्री11, जो एपिटैक्सियल अनाज की वृद्धि और महत्वपूर्ण सरंध्रता12,13 को जन्म देती है।परिणाम बताते हैं कि, बारीक समतुल्य अनाज संरचनाओं को प्राप्त करने के लिए थर्मल ग्रेडिएंट्स, शीतलन दर और मिश्र धातु संरचना को नियंत्रित करना, या विभिन्न गुणों के बाहरी क्षेत्रों (उदाहरण के लिए, अल्ट्रासाउंड) के माध्यम से अतिरिक्त भौतिक झटके लागू करना आवश्यक है।
कई प्रकाशन पारंपरिक कास्टिंग प्रक्रियाओं14,15 में जमने की प्रक्रिया पर कंपन उपचार के प्रभाव से चिंतित हैं। हालांकि, थोक पिघलने के लिए बाहरी क्षेत्र को लागू करने से वांछित सामग्री सूक्ष्म संरचना का उत्पादन नहीं होता है। ,26,27, चाप सरगर्मी28 और दोलन29, स्पंदित प्लाज्मा आर्क30,31 और अन्य विधियाँ32। एक बाहरी उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड स्रोत (20 किलोहर्ट्ज़ पर) का उपयोग करके सब्सट्रेट से जुड़ें। अल्ट्रासाउंड-प्रेरित अनाज शोधन को कम तापमान प्रवणता और गुहिकायन के माध्यम से नए क्रिस्टलीय उत्पन्न करने के लिए अल्ट्रासाउंड वृद्धि के कारण बढ़े हुए संरचनात्मक उप-शीतलन क्षेत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है।
इस कार्य में, हमने पिघले हुए लेजर द्वारा उत्पन्न ध्वनि तरंगों के साथ पिघले हुए पूल को सोनिकेट करके ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स की अनाज संरचना को बदलने की संभावना की जांच की। प्रकाश-अवशोषित माध्यम पर लेजर विकिरण की तीव्रता के मॉड्यूलेशन के परिणामस्वरूप अल्ट्रासोनिक तरंगों की उत्पत्ति होती है, जो सामग्री की सूक्ष्म संरचना को बदल देती है। लेजर विकिरण के इस तीव्रता मॉड्यूलेशन को आसानी से मौजूदा एसएलएम 3 डी प्रिंटर में एकीकृत किया जा सकता है। इस काम में प्रयोग स्टेनलेस स्टील प्लेटों पर किए गए थे जिनकी सतहें तीव्रता-मॉड्यूलेटेड लेजर के संपर्क में थीं। विकिरण। तो, तकनीकी रूप से, लेजर सतह उपचार किया जाता है। हालांकि, यदि परत-दर-परत निर्माण के दौरान प्रत्येक परत की सतह पर ऐसा लेजर उपचार किया जाता है, तो संपूर्ण वॉल्यूम पर या वॉल्यूम के चयनित हिस्सों पर प्रभाव प्राप्त किया जाता है। दूसरे शब्दों में, यदि भाग परत द्वारा परत का निर्माण किया जाता है, तो प्रत्येक परत का लेजर सतह उपचार "लेजर वॉल्यूम उपचार" के बराबर होता है।
जबकि अल्ट्रासोनिक हॉर्न-आधारित अल्ट्रासोनिक थेरेपी में, खड़े ध्वनि तरंग की अल्ट्रासोनिक ऊर्जा पूरे घटक में वितरित की जाती है, जबकि लेजर-प्रेरित अल्ट्रासोनिक तीव्रता उस बिंदु के पास अत्यधिक केंद्रित होती है जहां लेजर विकिरण अवशोषित होता है। एसएलएम पाउडर बेड फ्यूजन मशीन में सोनोट्रोड का उपयोग करना जटिल है क्योंकि लेजर विकिरण के संपर्क में आने वाले पाउडर बेड की शीर्ष सतह स्थिर रहनी चाहिए। इसके अलावा, भाग की शीर्ष सतह पर कोई यांत्रिक तनाव नहीं होता है। इसलिए, ध्वनिक तनाव शून्य के करीब है और कण वेग है भाग की पूरी ऊपरी सतह पर अधिकतम आयाम। पूरे पिघले हुए पूल के अंदर ध्वनि दबाव वेल्डिंग हेड द्वारा उत्पन्न अधिकतम दबाव के 0.1% से अधिक नहीं हो सकता है, क्योंकि स्टेनलेस स्टील में 20 kHz की आवृत्ति के साथ अल्ट्रासोनिक तरंगों की तरंग दैर्ध्य \(\sim 0.3~\text {m}\) है, और गहराई आमतौर पर \(\sim 0.3~\text {mm}\) से कम है। इसलिए, गुहिकायन पर अल्ट्रासाउंड का प्रभाव छोटा हो सकता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्रत्यक्ष लेजर धातु जमाव में तीव्रता-संग्राहक लेजर विकिरण का उपयोग अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र35,36,37,38 है।
माध्यम पर लेजर विकिरण की घटना का थर्मल प्रभाव सामग्री प्रसंस्करण के लिए लगभग सभी लेजर तकनीकों 39, 40 का आधार है, जैसे कटिंग41, वेल्डिंग, सख्त करना, ड्रिलिंग42, सतह की सफाई, सतह मिश्र धातु, सतह पॉलिशिंग43, आदि। लेजर के आविष्कार ने सामग्री प्रसंस्करण तकनीकों में नए विकास को प्रेरित किया, और प्रारंभिक परिणामों को कई समीक्षाओं और मोनोग्राफ44,45,46 में संक्षेपित किया गया है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि माध्यम पर किसी भी गैर-स्थिर क्रिया, जिसमें अवशोषित माध्यम पर लेज़िंग क्रिया भी शामिल है, के परिणामस्वरूप इसमें अधिक या कम दक्षता के साथ ध्वनिक तरंगों का उत्तेजना होता है। प्रारंभ में, मुख्य ध्यान तरल पदार्थों में तरंगों के लेजर उत्तेजना और ध्वनि के विभिन्न थर्मल उत्तेजना तंत्र (थर्मल विस्तार, वाष्पीकरण, चरण संक्रमण, संकुचन, आदि के दौरान मात्रा में परिवर्तन) पर था। 47, 48, 49। कई मोनोग्राफ50, 51, 52 इस प्रक्रिया का सैद्धांतिक विश्लेषण और इसके संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोग प्रदान करते हैं।
इन मुद्दों पर बाद में विभिन्न सम्मेलनों में चर्चा की गई, और अल्ट्रासाउंड के लेजर उत्तेजना में लेजर तकनीक53 और दवा54 दोनों के औद्योगिक अनुप्रयोगों में अनुप्रयोग हैं। इसलिए, यह माना जा सकता है कि उस प्रक्रिया की मूल अवधारणा जिसके द्वारा स्पंदित लेजर प्रकाश एक अवशोषित माध्यम पर कार्य करता है स्थापित किया गया है। लेजर अल्ट्रासोनिक निरीक्षण का उपयोग एसएलएम-निर्मित नमूनों55,56 के दोष का पता लगाने के लिए किया जाता है।
सामग्रियों पर लेज़र-जनित शॉक तरंगों का प्रभाव लेज़र शॉक पीनिंग57,58,59 का आधार है, जिसका उपयोग एडिटिवली निर्मित भागों60 की सतह के उपचार के लिए भी किया जाता है। हालाँकि, लेज़र शॉक को मजबूत करना नैनोसेकंड लेजर पल्स और यांत्रिक रूप से भरी हुई सतहों (उदाहरण के लिए, तरल की एक परत के साथ)59 पर सबसे प्रभावी है क्योंकि यांत्रिक लोडिंग से चरम दबाव बढ़ जाता है।
ठोस सामग्रियों की सूक्ष्म संरचना पर विभिन्न भौतिक क्षेत्रों के संभावित प्रभावों की जांच के लिए प्रयोग किए गए। प्रयोगात्मक सेटअप का कार्यात्मक आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है। एक स्पंदित एनडी: YAG ठोस-अवस्था लेजर फ्री-रनिंग मोड में काम कर रहा है (पल्स अवधि \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) का उपयोग किया गया था। प्रत्येक लेजर पल्स को तटस्थ घनत्व फिल्टर और एक बीम स्प्लिटर प्लेट सिस्टम की एक श्रृंखला के माध्यम से पारित किया जाता है। तटस्थ घनत्व फिल्टर के संयोजन पर निर्भर करता है s, लक्ष्य पर पल्स ऊर्जा \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) से \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) तक भिन्न होती है। बीम स्प्लिटर से परावर्तित लेजर बीम को एक साथ डेटा अधिग्रहण के लिए एक फोटोडायोड में खिलाया जाता है, और दो कैलोरीमीटर (\(1~\text {ms}\) से अधिक लंबे प्रतिक्रिया समय वाले फोटोडायोड) का उपयोग घटना को निर्धारित करने और लक्ष्य से प्रतिबिंबित करने के लिए किया जाता है, और दो पावर मीटर (कम प्रतिक्रिया समय के साथ फोटोडायोड\(<10~\पाठ {एनएस}\)) घटना और परावर्तित ऑप्टिकल शक्ति का निर्धारण करने के लिए। थर्मोपाइल डिटेक्टर जेंटेक-ईओ एक्सएलपी12-3एस-एच2-डी0 और नमूना स्थान पर लगे एक ढांकता हुआ दर्पण का उपयोग करके कैलोरीमीटर और पावर मीटर को निरपेक्ष इकाइयों में मान देने के लिए कैलिब्रेट किया गया था। एक लेंस (\(1.06 \upmu \text {m}\) पर एंटीरफ्लेक्शन कोटिंग), फोकल लंबाई का उपयोग करके बीम को लक्ष्य पर केंद्रित करें \(160~\पाठ {मिमी}\)) और लक्ष्य सतह पर एक बीम कमर 60- \(100~\upmu\text {m}\).
प्रायोगिक सेटअप का कार्यात्मक योजनाबद्ध आरेख: 1-लेजर;2—लेजर किरण;3—तटस्थ घनत्व फिल्टर;4—सिंक्रनाइज़्ड फोटोडायोड;5—बीम विभाजक;6—डायाफ्राम;7—आपतित किरण का कैलोरीमीटर;8 - परावर्तित किरण का कैलोरीमीटर;9 - घटना बीम बिजली मीटर;10 - परावर्तित किरण विद्युत मीटर;11 - फोकसिंग लेंस;12 - दर्पण;13 - नमूना;14 - ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर;15 - 2डी कनवर्टर;16 - पोजिशनिंग माइक्रोकंट्रोलर;17 - तुल्यकालन इकाई;18 - विभिन्न नमूना दरों के साथ मल्टी-चैनल डिजिटल अधिग्रहण प्रणाली;19 - पर्सनल कंप्यूटर.
अल्ट्रासोनिक उपचार निम्नानुसार किया जाता है। लेजर फ्री-रनिंग मोड में काम करता है;इसलिए लेज़र पल्स की अवधि \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) है, जिसमें प्रत्येक लगभग \(1.5~\upmu \text {s } \) की एकाधिक अवधि शामिल होती है। लेज़र पल्स और उसके स्पेक्ट्रम के अस्थायी आकार में एक कम-आवृत्ति लिफाफा और एक उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन होता है, जिसकी औसत आवृत्ति लगभग \(0.7~\text {MHz}\) होती है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। - आवृत्ति लिफाफा प्रदान करता है सामग्री को गर्म करना और उसके बाद पिघलना और वाष्पीकरण करना, जबकि उच्च आवृत्ति घटक फोटोकॉस्टिक प्रभाव के कारण अल्ट्रासोनिक कंपन प्रदान करता है। लेजर द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक पल्स का तरंग रूप मुख्य रूप से लेजर पल्स तीव्रता के समय आकार से निर्धारित होता है।यह \(7~\text {kHz}\) से \ (2~\text {MHz}\) तक है, और केंद्र आवृत्ति \(~ 0.7~\text {MHz}\) है। फोटोकॉस्टिक प्रभाव के कारण ध्वनिक दालों को पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड फिल्मों से बने ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। रिकॉर्ड किए गए तरंग रूप और इसके स्पेक्ट्रम को चित्र 2 में दिखाया गया है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर दालों का आकार एक फ्री-रनिंग मोड लेजर का विशिष्ट है।
नमूने की पिछली सतह पर लेज़र पल्स तीव्रता (ए) और ध्वनि की गति का अस्थायी वितरण (बी), लेज़र पल्स का स्पेक्ट्रा (सी) और अल्ट्रासोनिक पल्स (डी) एक एकल लेज़र पल्स (नीला वक्र) के लिए औसतन 300 से अधिक लेज़र पल्स (लाल वक्र)।
हम क्रमशः लेजर पल्स के कम-आवृत्ति लिफाफे और उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के अनुरूप ध्वनिक उपचार के कम-आवृत्ति और उच्च-आवृत्ति घटकों को स्पष्ट रूप से अलग कर सकते हैं। लेजर पल्स लिफाफा द्वारा उत्पन्न ध्वनिक तरंगों की तरंग दैर्ध्य \(40~\text {cm}\) से अधिक है;इसलिए, माइक्रोस्ट्रक्चर पर ध्वनिक सिग्नल के ब्रॉडबैंड उच्च-आवृत्ति घटकों का मुख्य प्रभाव अपेक्षित है।
एसएलएम में भौतिक प्रक्रियाएं जटिल हैं और विभिन्न स्थानिक और लौकिक पैमानों पर एक साथ होती हैं। इसलिए, एसएलएम के सैद्धांतिक विश्लेषण के लिए बहु-स्तरीय तरीके सबसे उपयुक्त हैं। गणितीय मॉडल शुरू में बहु-भौतिक होने चाहिए। एक अक्रिय गैस वातावरण के साथ बातचीत करने वाले मल्टीफ़ेज़ माध्यम "ठोस-तरल पिघल" के यांत्रिकी और थर्मोफिजिक्स को तब प्रभावी ढंग से वर्णित किया जा सकता है। एसएलएम में सामग्री थर्मल भार की विशेषताएं इस प्रकार हैं।
\(10^{13}~\text {W} सेमी}^2\) तक बिजली घनत्व के साथ स्थानीय लेजर विकिरण के कारण ताप और शीतलन दर \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ तक।
पिघलने-जमने का चक्र 1 और \(10~\text {ms}\) के बीच रहता है, जो ठंडा होने के दौरान पिघलने वाले क्षेत्र के तेजी से जमने में योगदान देता है।
नमूना सतह के तेजी से गर्म होने के परिणामस्वरूप सतह परत में उच्च थर्मोइलास्टिक तनाव का निर्माण होता है। पाउडर परत का पर्याप्त (20% तक) हिस्सा दृढ़ता से वाष्पित हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप लेजर एब्लेशन के जवाब में सतह पर अतिरिक्त दबाव भार पड़ता है। नतीजतन, प्रेरित तनाव भाग ज्यामिति को महत्वपूर्ण रूप से विकृत कर देता है, विशेष रूप से समर्थन और पतले संरचनात्मक तत्वों के पास। स्पंदित लेजर एनीलिंग में उच्च ताप दर के परिणामस्वरूप अल्ट्रासोनिक तनाव तरंगों की उत्पत्ति होती है जो सतह से सब्सट्रेट तक फैलती हैं। स्थानीय तनाव और तनाव वितरण पर सटीक मात्रात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए, गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के लिए संयुग्मित लोचदार विरूपण समस्या का एक मेसोस्कोपिक सिमुलेशन किया जाता है।
मॉडल के गवर्निंग समीकरणों में (1) अस्थिर गर्मी हस्तांतरण समीकरण शामिल हैं जहां तापीय चालकता चरण स्थिति (पाउडर, पिघल, पॉलीक्रिस्टलाइन) और तापमान पर निर्भर करती है, (2) सातत्य पृथक्करण और थर्मोइलास्टिक विस्तार समीकरण के बाद लोचदार विरूपण में उतार-चढ़ाव। सीमा मूल्य समस्या प्रयोगात्मक स्थितियों द्वारा निर्धारित की जाती है। मॉड्यूलेटेड लेजर फ्लक्स को नमूना सतह पर परिभाषित किया गया है। संवहन शीतलन में प्रवाहकीय ताप विनिमय और बाष्पीकरणीय प्रवाह शामिल है। द्रव्यमान प्रवाह की गणना के आधार पर परिभाषित किया गया है वाष्पित होने वाली सामग्री का संतृप्त वाष्प दबाव। इलास्टोप्लास्टिक तनाव-तनाव संबंध का उपयोग किया जाता है जहां थर्मोइलास्टिक तनाव तापमान अंतर के लिए आनुपातिक होता है। नाममात्र शक्ति \(300~\text {W}\), आवृत्ति \(10^5~\text {Hz}\), आंतरायिक गुणांक 100 और प्रभावी बीम व्यास के \(200~\upmu \text {m}\ ) के लिए।
चित्र 3 एक मैक्रोस्कोपिक गणितीय मॉडल का उपयोग करके पिघले हुए क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन के परिणाम दिखाता है। संलयन क्षेत्र का व्यास \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) त्रिज्या) और \(40~\upmu \text {m}\) गहराई है। सिमुलेशन परिणाम दिखाते हैं कि सतह का तापमान उच्च आंतरायिक कारक के कारण समय के साथ स्थानीय रूप से बदलता रहता है। पल्स मॉड्यूलेशन। हीटिंग \(V_h\) और कूलिंग \(V_c\) दरें क्रमशः \(10^7\) और \(10^6~\text {K}/\text {s}\) के क्रम पर हैं। ये मान हमारे पिछले विश्लेषण64 के साथ अच्छे समझौते में हैं। \(V_h\) और \(V_c\) के बीच परिमाण के अंतर के परिणामस्वरूप सतह परत तेजी से गर्म होती है, जहां सब्सट्रेट के लिए थर्मल चालन गर्मी को हटाने के लिए अपर्याप्त है। सबसे पहले, \(t=26~\upmu \text {s}\) पर सतह का तापमान \(4800~\text {K}\) तक पहुंच जाता है। सामग्री के जोरदार वाष्पीकरण के कारण नमूना सतह अत्यधिक दबाव के अधीन हो सकती है और छिल सकती है।
316L नमूना प्लेट पर एकल लेजर पल्स एनीलिंग के पिघलने वाले क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन परिणाम। पल्स की शुरुआत से पिघले हुए पूल की गहराई तक अधिकतम मूल्य तक पहुंचने का समय \(180~\upmu\text {s}\) है। इज़ोटेर्म\(T = T_L = 1723~\text {K}\) तरल और ठोस चरणों के बीच की सीमा का प्रतिनिधित्व करता है। आइसोबार (पीली रेखाएं) तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में गणना की गई उपज तनाव के अनुरूप हैं। अगला भाग। इसलिए, दो आइसोलाइनों (आइसोथर्म्स\(T=T_L\) और आइसोबार्स\(\sigma =\sigma _V(T)\)) के बीच के डोमेन में, ठोस चरण मजबूत यांत्रिक भार के अधीन होता है, जिससे माइक्रोस्ट्रक्चर में परिवर्तन हो सकता है।
इस प्रभाव को आगे चित्र 4a में समझाया गया है, जहां पिघले हुए क्षेत्र में दबाव स्तर को समय और सतह से दूरी के आधार पर दर्शाया गया है। सबसे पहले, दबाव व्यवहार ऊपर चित्र 2 में वर्णित लेजर पल्स तीव्रता के मॉड्यूलेशन से संबंधित है। लगभग \(10~\text {MPa}\) का अधिकतम दबाव \text{s}\) लगभग \(t=26~\upmu) पर देखा गया था। दूसरा, नियंत्रण बिंदु पर स्थानीय दबाव के उतार-चढ़ाव में समान दोलन विशेषताएं होती हैं \(500~\text {kHz}\) की आवृत्ति। इसका मतलब है कि अल्ट्रासोनिक दबाव तरंगें सतह पर उत्पन्न होती हैं और फिर सब्सट्रेट में फैलती हैं।
पिघलने वाले क्षेत्र के पास विरूपण क्षेत्र की गणना की गई विशेषताओं को चित्र 4बी में दिखाया गया है। लेजर एब्लेशन और थर्मोइलास्टिक तनाव लोचदार विरूपण तरंगें उत्पन्न करते हैं जो सब्सट्रेट में फैलती हैं। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, तनाव उत्पादन के दो चरण हैं। \(t < 40~\upmu \text {s}\) के पहले चरण के दौरान, सतह के दबाव के समान मॉड्यूलेशन के साथ, Mises तनाव \(8~\text {MPa}\) तक बढ़ जाता है। यह तनाव लेजर के कारण होता है ब्लेशन, और नियंत्रण बिंदुओं में कोई थर्मोइलास्टिक तनाव नहीं देखा गया क्योंकि प्रारंभिक गर्मी प्रभावित क्षेत्र बहुत छोटा था। जब गर्मी सब्सट्रेट में फैल जाती है, तो नियंत्रण बिंदु \(40~\text {MPa}\) से ऊपर उच्च थर्मोइलास्टिक तनाव उत्पन्न करता है।
प्राप्त संग्राहक तनाव स्तरों का ठोस-तरल इंटरफ़ेस पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और यह ठोसीकरण पथ को नियंत्रित करने वाला नियंत्रण तंत्र हो सकता है। विरूपण क्षेत्र का आकार पिघलने वाले क्षेत्र की तुलना में 2 से 3 गुना बड़ा है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, पिघलने वाले इज़ोटेर्म का स्थान और उपज तनाव के बराबर तनाव स्तर की तुलना की जाती है। इसका मतलब है कि स्पंदित लेजर विकिरण स्थानीय क्षेत्रों में 300 और \(800~\upmu \) के बीच प्रभावी व्यास के साथ उच्च यांत्रिक भार प्रदान करता है। टेक्स्ट {m}\) तात्कालिक समय पर निर्भर करता है।
इसलिए, स्पंदित लेजर एनीलिंग का जटिल मॉड्यूलेशन अल्ट्रासोनिक प्रभाव की ओर ले जाता है। अल्ट्रासोनिक लोडिंग के बिना एसएलएम की तुलना में माइक्रोस्ट्रक्चर चयन मार्ग अलग होता है। विकृत अस्थिर क्षेत्र ठोस चरण में संपीड़न और खिंचाव के आवधिक चक्र का कारण बनते हैं। इस प्रकार, नई अनाज सीमाओं और सबग्रेन सीमाओं का गठन संभव हो जाता है। इसलिए, माइक्रोस्ट्रक्चरल गुणों को जानबूझकर बदला जा सकता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है। प्राप्त निष्कर्ष पल्स मॉड्यूलेशन-प्रेरित अल्ट्रासाउंड-संचालित एसएलएम को डिजाइन करने की संभावना प्रदान करते हैं। प्रोटोटाइप। इस मामले में, अन्यत्र उपयोग किए जाने वाले पीजोइलेक्ट्रिक प्रारंभ करनेवाला 26 को बाहर रखा जा सकता है।
(ए) समय के एक फ़ंक्शन के रूप में दबाव, समरूपता के अक्ष के साथ सतह 0, 20 और \(40~\upmu \text {m}\) से अलग दूरी पर गणना की जाती है। (बी) समय-निर्भर वॉन मिज़ तनाव की गणना नमूना सतह से 70, 120 और \(170~\upmu \text {m}\) की दूरी पर एक ठोस मैट्रिक्स में की जाती है।
प्रयोग AISI 321H स्टेनलेस स्टील प्लेटों पर \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) आयामों के साथ किए गए। प्रत्येक लेजर पल्स के बाद, प्लेट \(50~\upmu \text {m}\) चलती है, और लक्ष्य सतह पर लेजर बीम कमर लगभग \(100~\upmu \text {m}\) होती है। अनाज शोधन के लिए संसाधित सामग्री को फिर से पिघलने के लिए प्रेरित करने के लिए एक ही ट्रैक के साथ पांच बाद के बीम पास किए जाते हैं। सभी मामलों में, लेज़र विकिरण के दोलन घटक के आधार पर, रीमेल्टेड ज़ोन को सोनिकेट किया गया था। इसके परिणामस्वरूप औसत अनाज क्षेत्र में 5 गुना से अधिक की कमी आई है। चित्र 5 से पता चलता है कि लेज़र-मेल्टेड क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना बाद के रीमेल्टिंग चक्रों (पास) की संख्या के साथ कैसे बदलती है।
सबप्लॉट (ए, डी, जी, जे) और (बी, ई, एच, के) - लेजर पिघले हुए क्षेत्रों की सूक्ष्म संरचना, सबप्लॉट (सी, एफ, आई, एल) - रंगीन अनाज का क्षेत्र वितरण।शेडिंग हिस्टोग्राम की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कणों का प्रतिनिधित्व करता है। रंग अनाज क्षेत्रों के अनुरूप होते हैं (हिस्टोग्राम के शीर्ष पर रंग पट्टी देखें। सबप्लॉट्स (एसी) अनुपचारित स्टेनलेस स्टील के अनुरूप होते हैं, और सबप्लॉट्स (डीएफ), (जीआई), (जेएल) 1, 3 और 5 रीमेल्ट के अनुरूप होते हैं।
चूंकि लेजर पल्स ऊर्जा बाद के पासों के बीच नहीं बदलती है, पिघले हुए क्षेत्र की गहराई समान होती है। इस प्रकार, बाद वाला चैनल पिछले वाले को पूरी तरह से "कवर" करता है। हालांकि, हिस्टोग्राम से पता चलता है कि माध्य और माध्यिका अनाज क्षेत्र पास की बढ़ती संख्या के साथ घटता है। यह संकेत दे सकता है कि लेजर पिघल के बजाय सब्सट्रेट पर कार्य कर रहा है।
अनाज का शोधन पिघले हुए पूल के तेजी से ठंडा होने के कारण हो सकता है65। प्रयोगों का एक और सेट किया गया जिसमें स्टेनलेस स्टील प्लेटों (321H और 316L) की सतहों को वायुमंडल में निरंतर तरंग लेजर विकिरण (चित्र 6) और वैक्यूम (चित्र 7) के संपर्क में लाया गया। औसत लेजर शक्ति (क्रमशः 300 W और 100 W) और पिघले हुए पूल की गहराई फ्री-रनिंग मोड में Nd:YAG लेजर के प्रयोगात्मक परिणामों के करीब है। हालांकि, एक विशिष्ट स्तंभ संरचना का अवलोकन किया गया।
एक सतत तरंग लेजर के लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना (300 डब्ल्यू निरंतर शक्ति, 200 मिमी/सेकेंड स्कैन गति, एआईएसआई 321एच स्टेनलेस स्टील)।
(ए) माइक्रोस्ट्रक्चर और (बी) निरंतर तरंग लेजर (100 डब्ल्यू निरंतर शक्ति, 200 मिमी/सेकेंड स्कैन गति, एआईएसआई 316एल स्टेनलेस स्टील)\ (\सिम 2~\टेक्स्ट {एमबार}\) के साथ वैक्यूम में लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटर विवर्तन छवियां।
इसलिए, यह स्पष्ट रूप से दिखाया गया है कि लेजर पल्स तीव्रता के जटिल मॉड्यूलेशन का परिणामी माइक्रोस्ट्रक्चर पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। हमारा मानना ​​​​है कि यह प्रभाव प्रकृति में यांत्रिक है और नमूने में गहरे पिघल की विकिरणित सतह से फैलने वाले अल्ट्रासोनिक कंपन की पीढ़ी के कारण होता है। इसी तरह के परिणाम 13, 26, 34, 66, 67 में बाहरी पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर और सोनोट्रोड का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे जो Ti-6Al-4 सहित विभिन्न सामग्रियों में उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड प्रदान करते हैं। वी मिश्र धातु 26 और स्टेनलेस स्टील 34 का परिणाम। संभावित तंत्र का अनुमान इस प्रकार लगाया गया है। तीव्र अल्ट्रासाउंड ध्वनिक गुहिकायन का कारण बन सकता है, जैसा कि अल्ट्राफास्ट इन सीटू सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे इमेजिंग में दिखाया गया है। गुहिकायन बुलबुले के ढहने से पिघले हुए पदार्थ में शॉक तरंगें उत्पन्न होती हैं, जिसका सामने का दबाव लगभग \(100~\text {MPa}\)69 तक पहुंच जाता है। ऐसी शॉक तरंगें महत्वपूर्ण आकार के ठोस-चरण नाभिक के गठन को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकती हैं। थोक तरल पदार्थ, परत-दर-परत योज्य निर्माण की विशिष्ट स्तंभ अनाज संरचना को बाधित करते हैं।
यहां, हम गहन सोनिकेशन द्वारा संरचनात्मक संशोधन के लिए जिम्मेदार एक और तंत्र का प्रस्ताव करते हैं। जमने के तुरंत बाद, सामग्री पिघलने बिंदु के करीब उच्च तापमान पर होती है और इसमें बेहद कम उपज तनाव होता है। तीव्र अल्ट्रासोनिक तरंगें गर्म, बस ठोस सामग्री की अनाज संरचना को बदलने के लिए प्लास्टिक प्रवाह का कारण बन सकती हैं। हालांकि, उपज तनाव की तापमान निर्भरता पर विश्वसनीय प्रयोगात्मक डेटा \(T\lessim 1150~\text {K}\) पर उपलब्ध हैं (चित्र 8 देखें)। इसलिए, इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, हमने पिघलने बिंदु के पास उपज तनाव व्यवहार का मूल्यांकन करने के लिए एआईएसआई 316 एल स्टील के समान Fe-Cr-Ni संरचना के आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन का प्रदर्शन किया। उपज तनाव की गणना करने के लिए, हमने 70, 71, 72, 73 में विस्तृत एमडी कतरनी तनाव विश्राम तकनीक का उपयोग किया। इंटरएटॉमिक इंटरैक्शन गणना के लिए, हमने 74 से एंबेडेड परमाणु मॉडल (ईएएम) का उपयोग किया। एमडी सिमुलेशन LAMMPS कोड 75,76.De का उपयोग करके किया गया था। एमडी सिमुलेशन के विवरण अन्यत्र प्रकाशित किए जाएंगे। तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में उपज तनाव के एमडी गणना परिणाम उपलब्ध प्रयोगात्मक डेटा और अन्य मूल्यांकन77,78,79,80,81,82 के साथ चित्र 8 में दिखाए गए हैं।
एआईएसआई ग्रेड 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के लिए उपज तनाव और एमडी सिमुलेशन के लिए मॉडल संरचना बनाम तापमान। संदर्भों से प्रायोगिक माप: (ए) 77, (बी) 78, (सी) 79, (डी) 80, (ई) 81। देखें। (एफ)82 लेजर-असिस्टेड एडिटिव विनिर्माण के दौरान इन-लाइन तनाव माप के लिए उपज तनाव-तापमान निर्भरता का एक अनुभवजन्य मॉडल है। बड़े पैमाने पर परिणाम इस अध्ययन में एमडी सिमुलेशन को दोष-मुक्त अनंत एकल क्रिस्टल के लिए \(\vartriangleft\) और हॉल-पेच संबंध आयामों के माध्यम से औसत अनाज के आकार को ध्यान में रखते हुए परिमित अनाज के लिए \(\vartriangleft\) के रूप में दर्शाया गया है\(d = 50~\upmu \text {m}\)।
यह देखा जा सकता है कि \(T>1500~\text {K}\) पर उपज तनाव \(40~\text {MPa}\) से नीचे चला जाता है। दूसरी ओर, अनुमान का अनुमान है कि लेजर-जनित अल्ट्रासोनिक आयाम \(40~\text {MPa}\) से अधिक है (चित्र 4 बी देखें), जो अभी-अभी जमने वाली गर्म सामग्री में प्लास्टिक के प्रवाह को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है।
SLM के दौरान 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के माइक्रोस्ट्रक्चर गठन की एक जटिल तीव्रता-संग्राहक स्पंदित लेजर स्रोत का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से जांच की गई थी।
1, 3 या 5 पास के बाद लगातार लेजर रीमेल्टिंग के कारण लेजर पिघलने वाले क्षेत्र में अनाज के आकार में कमी पाई गई।
मैक्रोस्कोपिक मॉडलिंग से पता चलता है कि उस क्षेत्र का अनुमानित आकार जहां अल्ट्रासोनिक विरूपण जमने के मोर्चे को सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है, \(1~\text {mm}\) तक है।
सूक्ष्म एमडी मॉडल से पता चलता है कि एआईएसआई 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील की उपज शक्ति पिघलने बिंदु के करीब \(40~\text {MPa}\) तक काफी कम हो जाती है।
प्राप्त परिणाम जटिल मॉड्यूलेटेड लेजर प्रसंस्करण का उपयोग करके सामग्रियों की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने के लिए एक विधि का सुझाव देते हैं और स्पंदित एसएलएम तकनीक के नए संशोधन बनाने के आधार के रूप में काम कर सकते हैं।
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