Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili isključite način rada kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stiliziranja i JavaScripta.
Predlaže se novi mehanizam koji se temelji na selektivnom laserskom taljenju za kontrolu mikrostrukture proizvoda u proizvodnom procesu. Mehanizam se oslanja na generiranje ultrazvučnih valova visokog intenziteta u bazenu rastaljevine složenim laserskim zračenjem moduliranog intenziteta. Eksperimentalne studije i numeričke simulacije pokazuju da je ovaj kontrolni mehanizam tehnički izvediv i da se može učinkovito integrirati u dizajn modernih selektivnih laserskih strojeva za taljenje.
Aditivna proizvodnja (AM) dijelova složenih oblika značajno je porasla u posljednjim desetljećima. Međutim, unatoč raznolikosti aditivnih proizvodnih procesa, uključujući selektivno lasersko taljenje (SLM)1,2,3, izravno lasersko taloženje metala4,5,6, taljenje elektronskim snopom7,8 i drugi9,10, dijelovi mogu biti neispravni. To je uglavnom zbog specifičnih karakteristika procesa skrućivanja rastaljenog bazena povezanog s visokim toplinskim gradijentima, visoke brzine hlađenja i složenost ciklusa zagrijavanja kod taljenja i ponovnog taljenja materijala11, što dovodi do epitaksijalnog rasta zrna i značajne poroznosti12,13.Rezultati pokazuju da je potrebno kontrolirati toplinske gradijente, brzine hlađenja i sastav legure ili primijeniti dodatne fizičke udare kroz vanjska polja različitih svojstava (npr. ultrazvuk) kako bi se postigla fina jednakoosna zrnasta struktura.
Brojne publikacije bave se učinkom vibracijskog tretmana na proces skrućivanja u konvencionalnim procesima lijevanja14,15. Međutim, primjenom vanjskog polja na masovne taline ne proizvodi se željena mikrostruktura materijala. Ako je volumen tekuće faze mali, situacija se dramatično mijenja. U ovom slučaju, vanjsko polje značajno utječe na proces skrućivanja. Elektromagnetski učinci razmatrani su tijekom intenzivnih akustičnih polja16,17,18,19, 20,21,22,23,24,25,26,27, lučno miješanje28 i oscilacija29, pulsni plazma lukovi30,31 i druge metode32. Pričvrstite na podlogu pomoću vanjskog izvora ultrazvuka visokog intenziteta (na 20 kHz). Pročišćavanje zrna izazvano ultrazvukom pripisuje se povećanoj zoni pothlađenja sastava zbog smanjenog temperaturnog gradijenta i ultrazvuka i poboljšanje za stvaranje novih kristalita kroz kavitaciju.
U ovom smo radu istražili mogućnost mijenjanja zrnate strukture austenitnih nehrđajućih čelika ultrazvučnom sonikacijom rastaljenog bazena zvučnim valovima koje generira sam laser za taljenje. Modulacija intenziteta laserskog zračenja koje pada na medij koji apsorbira svjetlost rezultira stvaranjem ultrazvučnih valova, koji mijenjaju mikrostrukturu materijala. Ova modulacija intenziteta laserskog zračenja može se lako integrirati u postojeće SLM 3D pisače. Eksperimenti u ovaj rad je izveden na pločama od nehrđajućeg čelika čije su površine bile izložene intenzitetu moduliranog laserskog zračenja. Dakle, tehnički, laserska površinska obrada je učinjena. Međutim, ako se takav laserski tretman izvodi na površini svakog sloja, tijekom nadogradnje sloj po sloj, postižu se učinci na cijelom volumenu ili na odabranim dijelovima volumena. Drugim riječima, ako je dio konstruiran sloj po sloj, laserski tretman površine svakog sloja je ekvivalentan "laserskom tretmanu volumena".
Dok se u ultrazvučnoj terapiji temeljenoj na ultrazvučnom sirenju, ultrazvučna energija stojećeg zvučnog vala raspoređuje po cijeloj komponenti, dok je ultrazvučni intenzitet induciran laserom visoko koncentriran u blizini točke gdje se lasersko zračenje apsorbira. Korištenje sonotrode u stroju za fuziju s slojem praha SLM komplicirano je jer bi gornja površina sloja praha izložena laserskom zračenju trebala ostati nepomična. Osim toga, nema mehaničkog naprezanja na gornjoj površini dijela .Stoga je akustično naprezanje blizu nule, a brzina čestica ima maksimalnu amplitudu preko cijele gornje površine dijela. Zvučni tlak unutar cijele bazene rastaljevine ne može prijeći 0,1% maksimalnog tlaka koji stvara glava za zavarivanje, jer je valna duljina ultrazvučnih valova s ​​frekvencijom od 20 kHz u nehrđajućem čeliku \(\sim 0,3~\text {m}\), a dubina je obično manja od \ (\sim 0.3~\text {mm}\). Stoga učinak ultrazvuka na kavitaciju može biti mali.
Treba napomenuti da je uporaba laserskog zračenja moduliranog intenziteta u izravnom laserskom taloženju metala aktivno područje istraživanja35,36,37,38.
Toplinski učinak laserskog zračenja koji pada na medij temelj je za gotovo sve laserske tehnike 39, 40 za obradu materijala, kao što su rezanje 41, zavarivanje, kaljenje, bušenje 42, čišćenje površine, površinsko legiranje, poliranje površine 43 itd. Izum lasera potaknuo je novi razvoj u tehnikama obrade materijala, a preliminarni rezultati sažeti su u brojnim pregledima i monografijama 44,45,46.
Treba napomenuti da svako nestacionarno djelovanje na medij, uključujući djelovanje laserom na apsorbirajući medij, rezultira pobuđivanjem akustičnih valova u njemu s većom ili manjom učinkovitošću. U početku je glavni fokus bio na laserskom pobuđivanju valova u tekućinama i različitim mehanizmima toplinske pobude zvuka (toplinsko širenje, isparavanje, promjena volumena tijekom faznog prijelaza, kontrakcija itd.) 47, 48, 49. Brojne monografije. 50, 51, 52 daju teorijske analize ovog procesa i njegove moguće praktične primjene.
O tim se pitanjima naknadno raspravljalo na raznim konferencijama, a lasersko pobuđivanje ultrazvuka ima primjenu iu industrijskim primjenama laserske tehnologije53 iu medicini54. Stoga se može smatrati da je uspostavljen osnovni koncept procesa kojim pulsirajuće lasersko svjetlo djeluje na apsorbirajući medij. Laserska ultrazvučna inspekcija koristi se za otkrivanje nedostataka u uzorcima proizvedenim SLM-om55,56.
Učinak laserski generiranih udarnih valova na materijale osnova je laserskog udarnog peeninga57,58,59, koji se također koristi za površinsku obradu aditivno proizvedenih dijelova60. Međutim, lasersko ojačavanje udarnim valovima najučinkovitije je na nanosekundnim laserskim impulsima i mehanički opterećenim površinama (npr. sa slojem tekućine)59 jer mehaničko opterećenje povećava vršni tlak.
Provedeni su pokusi kako bi se istražili mogući učinci različitih fizičkih polja na mikrostrukturu skrutnutih materijala. Funkcionalni dijagram eksperimentalne postavke prikazan je na slici 1. Korišten je pulsirajući Nd:YAG kruti laser koji radi u slobodnom načinu rada (trajanje impulsa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Svaki laserski impuls prolazi kroz niz filtara neutralne gustoće i zraku sustav s razdjelnom pločom. Ovisno o kombinaciji filtara neutralne gustoće, energija pulsa na meti varira od \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) do \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Laserska zraka odbijena od razdjelnika snopa dovodi se do fotodiode za istovremeno prikupljanje podataka i dva kalorimetra (fotodiode s dugim vrijeme odziva veće od \(1~\text {ms}\)) koriste se za određivanje upada i reflektiranja od mete, a dva mjerača snage (fotodiode s kratkim vremenom odziva\(<10~\text {ns}\)) za određivanje upadne i reflektirane optičke snage. Kalorimetri i mjerači snage kalibrirani su da daju vrijednosti u apsolutnim jedinicama pomoću detektora termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 i dielektrika zrcalo montirano na mjestu uzorka. Usmjerite zraku na metu pomoću leće (antirefleksijski premaz na \(1,06 \upmu \text {m}\), žarišna duljina \(160~\text {mm}\)) i struka zrake na ciljnoj površini 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Funkcionalna shema eksperimentalnog uređaja: 1—laser;2—laserska zraka;3—filtar neutralne gustoće;4—sinkronizirana fotodioda;5—razdjelnik snopa;6—dijafragma;7—kalorimetar upadnog snopa;8 – kalorimetar reflektirane zrake;9 – mjerač snage upadnog snopa;10 – mjerač snage reflektirane zrake;11 – leća za fokusiranje;12 – ogledalo;13 – uzorak;14 – širokopojasni piezoelektrični pretvarač;15 – 2D pretvarač;16 – mikrokontroler za pozicioniranje;17 – jedinica za sinkronizaciju;18 – višekanalni digitalni akvizicijski sustav s različitim brzinama uzorkovanja;19 – osobno računalo.
Ultrazvučni tretman se provodi na sljedeći način. Laser radi u slobodnom načinu rada;stoga je trajanje laserskog pulsa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), što se sastoji od višestrukih trajanja od otprilike \(1,5~\upmu \text {s } \) svako. Vremenski oblik laserskog pulsa i njegov spektar sastoje se od niskofrekventne ovojnice i visokofrekventne modulacije, s prosječnom frekvencijom od oko \(0,7~\text {MHz}\ ), kao što je prikazano na slici 2.- Frekvencijska ovojnica osigurava zagrijavanje i naknadno taljenje i isparavanje materijala, dok visokofrekventna komponenta osigurava ultrazvučne vibracije zbog fotoakustičkog učinka. Valni oblik ultrazvučnog pulsa koji generira laser uglavnom je određen vremenskim oblikom intenziteta laserskog pulsa.Ona je od \(7~\text {kHz}\) do \ (2~\text {MHz}\), a središnja frekvencija je \(~ 0,7~\text {MHz}\). Akustični impulsi zbog fotoakustičkog efekta snimljeni su pomoću širokopojasnih piezoelektričnih pretvornika izrađenih od filmova poliviniliden fluorida. Snimljeni valni oblik i njegov spektar prikazani su na slici 2. Treba napomenuti da je oblik laserskih impulsa tipičan za laser u slobodnom načinu rada.
Vremenska raspodjela intenziteta laserskog pulsa (a) i brzine zvuka na stražnjoj površini uzorka (b), spektri laserskog pulsa (c) i ultrazvučnog pulsa (d) u ​​prosjeku preko 300 laserskih impulsa (crvena krivulja) za jedan laserski puls (plava krivulja).
Možemo jasno razlikovati niskofrekventne i visokofrekventne komponente akustičkog tretmana koje odgovaraju niskofrekventnoj ovojnici laserskog pulsa odnosno visokofrekventnoj modulaciji. Valne duljine akustičnih valova generiranih pomoću ovojnice laserskog pulsa prelaze \(40~\text {cm}\);stoga se očekuje glavni učinak širokopojasnih visokofrekventnih komponenti akustičkog signala na mikrostrukturu.
Fizički procesi u SLM-u su složeni i javljaju se istodobno na različitim prostornim i vremenskim ljestvicama. Stoga su višestruke metode najprikladnije za teorijsku analizu SLM.Matematičkih modela u početku bi trebale biti multifizičke. Mehanika i termofizika višenamjenskog atmosfera.
Brzine grijanja i hlađenja do \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ zbog lokaliziranog laserskog zračenja s gustoćom snage do \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ciklus taljenja-stvrdnjavanja traje između 1 i \(10~\text {ms}\), što pridonosi brzom skrućivanju zone taljenja tijekom hlađenja.
Brzo zagrijavanje površine uzorka dovodi do stvaranja visokih termoelastičnih naprezanja u površinskom sloju. Dovoljan (do 20%) dio sloja praha je snažno isparen63, što rezultira dodatnim opterećenjem tlaka na površini kao odgovor na lasersku ablaciju. Posljedično, inducirana deformacija značajno izobličuje geometriju dijela, posebno u blizini nosača i tankih strukturnih elemenata. Visoka brzina zagrijavanja kod pulsnog laserskog žarenja rezultira stvaranjem ultra zvučni valovi deformacije koji se šire od površine do supstrata. Kako bi se dobili točni kvantitativni podaci o lokalnom naprezanju i distribuciji deformacije, provodi se mezoskopska simulacija problema elastične deformacije konjugirane s prijenosom topline i mase.
Upravljačke jednadžbe modela uključuju (1) jednadžbe nestacionarnog prijenosa topline gdje toplinska vodljivost ovisi o faznom stanju (prah, talina, polikristal) i temperaturi, (2) fluktuacije u elastičnoj deformaciji nakon ablacije kontinuuma i jednadžbu termoelastične ekspanzije. Problem granične vrijednosti određen je eksperimentalnim uvjetima. Modulirani laserski tok definiran je na površini uzorka. Konvektivno hlađenje uključuje konduktivnu izmjenu topline i isparavajući tok x. Maseni tok definiran je na temelju izračuna tlaka zasićene pare materijala koji isparava. Odnos elastoplastičnog naprezanja i deformacije koristi se gdje je termoelastično naprezanje proporcionalno temperaturnoj razlici. Za nominalnu snagu \(300~\text {W}\), frekvenciju \(10^5~\text {Hz}\), intermitentni koeficijent 100 i \(200~\upmu \text {m}\ ) efektivnog promjera snopa.
Slika 3 prikazuje rezultate numeričke simulacije rastaljene zone korištenjem makroskopskog matematičkog modela. Promjer zone fuzije je \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) radijus) i \(40~\upmu \text {m}\) dubina. Rezultati simulacije pokazuju da površinska temperatura varira lokalno s vremenom kao \(100~\text {K} \) zbog visokog isprekidanog faktora modulacije impulsa. Brzine zagrijavanja \(V_h\) i hlađenja \(V_c\) su reda veličine \(10^7\) i \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respektivno. Ove vrijednosti su u dobrom skladu s našom prethodnom analizom64. Razlika reda veličine između \(V_h\) i \(V_c\) rezultira brzim pregrijavanjem površinskog sloja , gdje je toplinska vodljivost do podloge nedostatna za uklanjanje topline. Stoga, pri \(t=26~\upmu \text {s}\) površinska temperatura dostiže vrhunac do \(4800~\text {K}\). Snažno isparavanje materijala može uzrokovati da površina uzorka bude izložena prekomjernom pritisku i da se ljušti.
Rezultati numeričke simulacije zone taljenja žarenja s jednim laserskim pulsom na 316L ploči s uzorkom. Vrijeme od početka pulsa do dubine rastaljenog bazena koja doseže maksimalnu vrijednost je \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) predstavlja granicu između tekuće i čvrste faze. Izobare (žute linije) odgovaraju na granicu tečenja izračunatu kao funkciju temperature u sljedećem odjeljku. Prema tome, u domeni između dviju izolinija (izoterme\(T=T_L\) i izobare\(\sigma =\sigma _V(T)\)), čvrsta faza je izložena jakim mehaničkim opterećenjima, što može dovesti do promjena u mikrostrukturi.
Taj je učinak dodatno objašnjen na slici 4a, gdje je razina tlaka u rastaljenoj zoni ucrtana kao funkcija vremena i udaljenosti od površine. Prvo, ponašanje tlaka povezano je s modulacijom intenziteta laserskog pulsa opisanog na gornjoj slici 2. Maksimalni tlak \text{s}\) od oko \(10~\text {MPa}\) opažen je na oko \(t=26~\upmu). Drugo, fluktuacija lokalnog tlaka na upravljačkoj točka ima iste oscilacijske karakteristike kao frekvencija \(500~\text {kHz}\). To znači da ultrazvučni tlačni valovi nastaju na površini i zatim se šire u podlogu.
Izračunate karakteristike zone deformacije u blizini zone taljenja prikazane su na slici 4b. Laserska ablacija i termoelastično naprezanje generiraju elastične deformacijske valove koji se šire u podlogu. Kao što se može vidjeti na slici, postoje dva stupnja stvaranja naprezanja. Tijekom prve faze \(t < 40~\upmu \text {s}\), Misesovo naprezanje raste na \(8~\text {MPa}\) s modulacijom sličnom površinskom tlaku. Ovo naprezanje nastaje zbog laserske ablacije, a u kontrolnim točkama nije primijećeno termoelastično naprezanje jer je početna zona utjecaja topline bila premala. Kada se toplina rasipa u podlogu, kontrolna točka stvara visoko termoelastično naprezanje iznad \(40~\text {MPa}\).
Dobivene modulirane razine naprezanja imaju značajan utjecaj na sučelje kruto-tekuće i mogu biti kontrolni mehanizam koji upravlja putem skrućivanja. Veličina zone deformacije je 2 do 3 puta veća od one zone taljenja. Kao što je prikazano na slici 3, uspoređuje se lokacija izoterme taljenja i razina naprezanja koja je jednaka granici tečenja. To znači da pulsirajuće lasersko zračenje pruža visoka mehanička opterećenja u lokaliziranim područjima s efektivnim promjerom između 3 00 i \(800~\upmu \text {m}\) ovisno o trenutnom vremenu.
Stoga složena modulacija pulsirajućeg laserskog žarenja dovodi do ultrazvučnog učinka. Put odabira mikrostrukture drugačiji je u usporedbi s SLM-om bez ultrazvučnog opterećenja. Deformirana nestabilna područja dovode do periodičnih ciklusa kompresije i istezanja u čvrstoj fazi. Dakle, stvaranje novih granica zrna i granica podzrna postaje izvedivo. Stoga se mikrostrukturna svojstva mogu namjerno promijeniti, kao što je prikazano u nastavku. Dobiveno zaključci daju mogućnost dizajniranja prototipa SLM-a pokretanog ultrazvukom induciranog pulsnom modulacijom. U ovom slučaju, piezoelektrični induktor 26 koji se koristi drugdje može se isključiti.
(a) Tlak kao funkcija vremena, izračunat na različitim udaljenostima od površine 0, 20 i \(40~\upmu \text {m}\) duž osi simetrije. (b) Von Misesov napon ovisan o vremenu izračunat u čvrstoj matrici na udaljenostima 70, 120 i \(170~\upmu \text {m}\) od površine uzorka.
Eksperimenti su izvedeni na pločama od nehrđajućeg čelika AISI 321H dimenzija \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Nakon svakog laserskog impulsa, ploča se pomiče \(50~\upmu \text {m}\), a struk laserske zrake na ciljnoj površini je oko \(100~\upmu \text {m}\). Do pet uzastopnih prolaza zrake izvodi se duž iste staze do indu. ce pretaljivanje obrađenog materijala za pročišćavanje zrna. U svim slučajevima, pretopljena zona je sonikirana, ovisno o oscilatornoj komponenti laserskog zračenja. To rezultira više od 5 puta smanjenjem prosječne površine zrna. Slika 5 prikazuje kako se mikrostruktura laserski otopljenog područja mijenja s brojem sljedećih ciklusa taljenja (prolaza).
Podcrteži (a,d,g,j) i (b,e,h,k) – mikrostruktura laserski otopljenih područja, podgrafikoni (c,f,i,l) – površinska raspodjela obojenih zrnaca.Sjenčanje predstavlja čestice koje se koriste za izračunavanje histograma. Boje odgovaraju područjima zrna (pogledajte traku boja na vrhu histograma. Podgrafikoni (ac) odgovaraju neobrađenom nehrđajućem čeliku, a podgrafikoni (df), (gi), (jl) odgovaraju 1, 3 i 5 taljenjima.
Budući da se energija laserskog pulsa ne mijenja između sljedećih prolaza, dubina rastaljene zone je ista. Dakle, sljedeći kanal potpuno "pokriva" prethodni. Međutim, histogram pokazuje da se srednja vrijednost i srednja površina zrna smanjuje s povećanjem broja prolaza. To može značiti da laser djeluje na podlogu, a ne na talinu.
Usitnjavanje zrna može biti uzrokovano brzim hlađenjem bazena taline65. Proveden je još jedan niz eksperimenata u kojima su površine ploča od nehrđajućeg čelika (321H i 316L) bile izložene laserskom zračenju kontinuiranog vala u atmosferi (Sl. 6) i vakuumu (Sl. 7). Prosječna snaga lasera (300 W odnosno 100 W) i dubina bazena rastaline bliski su eksperimentalnim rezultatima Nd:Y AG laser u slobodnom načinu rada. Međutim, uočena je tipična stupna struktura.
Mikrostruktura laserski rastaljenog područja lasera s kontinuiranim valom (konstantna snaga 300 W, brzina skeniranja 200 mm/s, nehrđajući čelik AISI 321H).
(a) Mikrostruktura i (b) slike difrakcije povratnog raspršenja elektrona područja laserski rastaljenog u vakuumu s laserom s kontinuiranim valom (100 W konstantne snage, 200 mm/s brzina skeniranja, nehrđajući čelik AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Stoga je jasno pokazano da kompleksna modulacija intenziteta laserskog pulsa ima značajan učinak na rezultirajuću mikrostrukturu. Vjerujemo da je ovaj učinak mehaničke prirode i da se javlja zbog stvaranja ultrazvučnih vibracija koje se šire od ozračene površine taline duboko u uzorak. Slični rezultati dobiveni su u 13, 26, 34, 66, 67 uporabom vanjskih piezoelektričnih pretvarača i sonotroda koje osiguravaju visoke intenzitete nost ultrazvuka u različitim materijalima uključujući Ti-6Al-4V leguru 26 i nehrđajući čelik 34 kao rezultat. Mogući mehanizam nagađa se kako slijedi. Intenzivan ultrazvuk može uzrokovati akustičnu kavitaciju, kao što je pokazano ultrabrzim in situ sinkrotronskim rendgenskim snimanjem. Kolaps kavitacijskih mjehurića zauzvrat stvara udarne valove u rastaljenom materijalu, čiji prednji tlak doseže oko \(100~\text {MP a}\)69. Takvi udarni valovi mogu biti dovoljno jaki da promiču stvaranje jezgri čvrste faze kritične veličine u rasutim tekućinama, narušavajući tipičnu strukturu stupčastog zrna aditivne proizvodnje sloj po sloj.
Ovdje predlažemo još jedan mehanizam odgovoran za strukturnu modifikaciju intenzivnom sonikacijom. Odmah nakon skrućivanja, materijal je na visokoj temperaturi blizu tališta i ima izuzetno nisku granicu tečenja. Intenzivni ultrazvučni valovi mogu uzrokovati plastično strujanje da promijeni zrnastu strukturu vrućeg, tek skrutnutog materijala. Međutim, pouzdani eksperimentalni podaci o temperaturnoj ovisnosti granice tečenja dostupni su na \(T\lesssim 11 50~\text {K}\) (vidi sliku 8). Stoga smo, kako bismo testirali ovu hipotezu, izveli simulacije molekularne dinamike (MD) Fe-Cr-Ni sastava sličnog čeliku AISI 316 L kako bismo procijenili ponašanje granice tečenja blizu tališta. Za izračunavanje granice tečenja upotrijebili smo tehniku ​​relaksacije MD smičnog naprezanja detaljno opisanu u 70, 71, 72, 73. Za izračune međuatomskih interakcija koristili smo ugrađeni atomski model (EAM) iz 74. MD simulacije su izvedene pomoću LAMMPS kodova 75,76. Pojedinosti MD simulacija bit će objavljene drugdje. Rezultati MD izračuna napona tečenja kao funkcije temperature prikazani su na slici 8 zajedno s dostupnim eksperimentalnim podacima i drugim procjenama77,78,79,80,81,82.
Granica tečenja za austenitni nehrđajući čelik AISI stupnja 316 i sastav modela u odnosu na temperaturu za MD simulacije. Eksperimentalna mjerenja iz referenci: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. pogledajte (f)82 je empirijski model ovisnosti o granici tečenja i temperaturi za mjerenje naprezanja u liniji tijekom aditivna proizvodnja potpomognuta laserom. Rezultati MD simulacija velikih razmjera u ovoj studiji označeni su kao \(\vartriangleleft\) za beskonačni monokristal bez nedostataka i \(\vartriangleright\) za konačna zrna uzimajući u obzir prosječnu veličinu zrna putem Hall-Petchove relacije Dimenzije\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Može se vidjeti da pri \(T>1500~\text {K}\) granica tečenja pada ispod \(40~\text {MPa}\). S druge strane, procjene predviđaju da ultrazvučna amplituda generirana laserom premašuje \(40~\text {MPa}\) (vidi sliku 4b), što je dovoljno za induciranje plastičnog protoka u vrućem materijalu koji je upravo skrutnuo.
Formiranje mikrostrukture 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitnog nehrđajućeg čelika tijekom SLM-a eksperimentalno je ispitano korištenjem kompleksnog intenzitetom moduliranog pulsnog laserskog izvora.
Utvrđeno je smanjenje veličine zrna u zoni laserskog taljenja zbog kontinuiranog laserskog taljenja nakon 1, 3 ili 5 prolaza.
Makroskopsko modeliranje pokazuje da je procijenjena veličina područja u kojem ultrazvučna deformacija može pozitivno utjecati na frontu skrućivanja do \(1~\text {mm}\).
Mikroskopski MD model pokazuje da je granica razvlačenja austenitnog nehrđajućeg čelika AISI 316 značajno smanjena na \(40~\text {MPa}\) blizu tališta.
Dobiveni rezultati sugeriraju metodu upravljanja mikrostrukturom materijala korištenjem složene modulirane laserske obrade i mogu poslužiti kao osnova za stvaranje novih modifikacija pulsirajuće SLM tehnike.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturna evolucija i mehanička svojstva in situ kompozita TiB2/AlSi10Mg laserskim selektivnim taljenjem [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rekristalizacijski inženjering granica zrna laserskog selektivnog taljenja nehrđajućeg čelika 316L [J].Časopis Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ razvoj sendvič mikrostruktura s poboljšanom duktilnošću laserskim ponovnim zagrijavanjem laserski rastaljenih legura titana.science.Rep.10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Dodatna proizvodnja dijelova Ti-6Al-4V laserskim taloženjem metala (LMD): proces, mikrostruktura i mehanička svojstva.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturno modeliranje laserskog metalnog praha usmjerenog taloženja energije legure 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 Additive 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. Gradijentna mikrostruktura i mehanička svojstva Ti-6Al-4V aditivno proizvedenih taljenjem elektronskim snopom. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).