Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակը սահմանափակ աջակցություն ունի CSS-ի համար: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Առաջարկվում է արտադրական գործընթացում արտադրանքի միկրոկառուցվածքը կառավարելու համար ընտրողական լազերային հալեցման վրա հիմնված նոր մեխանիզմ: Մեխանիզմը հիմնված է բարդ ինտենսիվությամբ մոդուլացված լազերային ճառագայթման միջոցով հալված ավազանում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքների առաջացման վրա: Փորձարարական ուսումնասիրությունները և թվային մոդելավորումները ցույց են տալիս, որ այս կառավարման մեխանիզմը տեխնիկապես իրագործելի է և կարող է արդյունավետորեն ինտեգրվել ժամանակակից ընտրողական լազերային հալեցման մեքենաների նախագծման մեջ:
Վերջին տասնամյակներում բարդ ձևի մասերի հավելումային արտադրությունը (ԱԱ) զգալիորեն աճել է։ Այնուամենայնիվ, հավելումային արտադրության գործընթացների բազմազանությանը չնայած, ներառյալ ընտրողական լազերային հալեցումը (ԸԼՀ)1,2,3, մետաղի ուղղակի լազերային նստեցումը4,5,6, էլեկտրոնային ճառագայթային հալեցումը7,8 և այլն9,10, մասերը կարող են թերի լինել։ Սա հիմնականում պայմանավորված է հալված լողավազանի պնդացման գործընթացի առանձնահատկություններով, որոնք կապված են բարձր ջերմային գրադիենտների, բարձր սառեցման արագությունների և նյութի հալեցման և վերահալեցման ընթացքում տաքացման ցիկլերի բարդության հետ11, որոնք հանգեցնում են էպիտաքսիալ հատիկների աճի և զգալի ծակոտկենության։12,13 ցույց տվեցին, որ անհրաժեշտ է վերահսկել ջերմային գրադիենտները, սառեցման արագությունները և համաձուլվածքի կազմը կամ կիրառել լրացուցիչ ֆիզիկական ցնցումներ տարբեր հատկությունների արտաքին դաշտերով, ինչպիսիք են ուլտրաձայնը,՝ նուրբ հավասար առանցքային հատիկային կառուցվածքներ ստանալու համար։
Բազմաթիվ հրապարակումներ վերաբերում են ավանդական ձուլման գործընթացներում թրթռումային մշակման ազդեցությանը պնդացման գործընթացի վրա14,15: Այնուամենայնիվ, արտաքին դաշտի կիրառումը զանգվածային հալույթի վրա չի առաջացնում ցանկալի նյութական միկրոկառուցվածք: Եթե հեղուկ փուլի ծավալը փոքր է, իրավիճակը կտրուկ փոխվում է: Այս դեպքում արտաքին դաշտը զգալիորեն ազդում է պնդացման գործընթացի վրա: Հաշվի են առնվել ինտենսիվ ձայնային դաշտերը16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, աղեղային խառնումը28 և տատանումները29, իմպուլսային պլազմային աղեղների ժամանակ էլեկտրամագնիսական ազդեցությունները30,31 և այլ մեթոդներ32: Կցեք հիմքին՝ օգտագործելով արտաքին բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային աղբյուր (20 կՀց հաճախականությամբ): Ուլտրաձայնային ազդեցությամբ հատիկների մաքրումը պայմանավորված է կոնստիտուցիոնալ ենթասառեցման գոտու աճով՝ ջերմաստիճանի գրադիենտի նվազման և ուլտրաձայնային ուժեղացման պատճառով՝ կավիտացիայի միջոցով նոր բյուրեղներ առաջացնելու համար:
Այս աշխատանքում մենք ուսումնասիրել ենք աուստենիտային չժանգոտվող պողպատների հատիկների կառուցվածքը փոխելու հնարավորությունը հալված լողավազանը ուլտրաձայնային եղանակով հալեցնող լազերի կողմից առաջացած ձայնային ալիքներով մշակելու միջոցով: Լույս կլանող միջավայրի վրա ընկնող լազերային ճառագայթման ինտենսիվության մոդուլյացիան հանգեցնում է ուլտրաձայնային ալիքների առաջացմանը, որոնք փոխում են նյութի միկրոկառուցվածքը: Լազերային ճառագայթման այս ինտենսիվության մոդուլյացիան կարող է հեշտությամբ ինտեգրվել առկա SLM 3D տպիչների մեջ: Այս աշխատանքի փորձերը կատարվել են չժանգոտվող պողպատե թիթեղների վրա, որոնց մակերեսները ենթարկվել են ինտենսիվությամբ մոդուլացված լազերային ճառագայթման: Այսպիսով, տեխնիկապես, լազերային մակերեսային մշակում է իրականացվում: Այնուամենայնիվ, եթե նման լազերային մշակում է իրականացվում յուրաքանչյուր շերտի մակերեսի վրա, շերտ առ շերտ կուտակման ընթացքում ազդեցություն է ձեռք բերվում ամբողջ ծավալի կամ ծավալի ընտրված մասերի վրա: Այլ կերպ ասած, եթե մասը կառուցվում է շերտ առ շերտ, ապա յուրաքանչյուր շերտի լազերային մակերեսային մշակումը համարժեք է «լազերային ծավալային մշակմանը»:
Մինչդեռ ուլտրաձայնային եղջյուրի վրա հիմնված ուլտրաձայնային թերապիայի դեպքում, կանգնած ձայնային ալիքի ուլտրաձայնային էներգիան բաշխվում է ամբողջ բաղադրիչի վրա, մինչդեռ լազերային ինդուկցված ուլտրաձայնային ինտենսիվությունը խիստ կենտրոնացված է այն կետի մոտ, որտեղ լազերային ճառագայթումը կլանվում է: SLM փոշու շերտի միաձուլման մեքենայում սոնոտրոդի օգտագործումը բարդ է, քանի որ լազերային ճառագայթմանը ենթարկվող փոշու շերտի վերին մակերեսը պետք է մնա անշարժ: Բացի այդ, մասի վերին մակերեսի վրա մեխանիկական լարվածություն չկա: Հետևաբար, ակուստիկ լարվածությունը մոտ է զրոյի, և մասնիկների արագությունն ունի առավելագույն ամպլիտուդ մասի ամբողջ վերին մակերեսի վրա: Ամբողջ հալված լողավազանի ներսում ձայնային ճնշումը չի կարող գերազանցել եռակցման գլխիկի կողմից առաջացած առավելագույն ճնշման 0.1%-ը, քանի որ չժանգոտվող պողպատում 20 կՀց հաճախականությամբ ուլտրաձայնային ալիքների ալիքի երկարությունը \(\sim 0.3~\text {m}\) է, իսկ խորությունը սովորաբար պակաս է \(\sim 0.3~\text {mm}\): Հետևաբար, ուլտրաձայնի ազդեցությունը կավիտացիայի վրա կարող է փոքր լինել:
Պետք է նշել, որ ինտենսիվությամբ մոդուլացված լազերային ճառագայթման կիրառումը մետաղի լազերային ուղղակի նստեցման մեջ հետազոտության ակտիվ ոլորտ է35,36,37,38:
Լազերային ճառագայթման միջավայրի վրա ընկնող ջերմային ազդեցությունը հիմք է հանդիսանում գրեթե բոլոր նյութերի մշակման լազերային տեխնիկաների 39, 40 համար, ինչպիսիք են կտրումը 41, եռակցումը, կարծրացումը, հորատումը 42, մակերեսի մաքրումը, մակերեսի համաձուլումը, մակերեսի հղկումը 43 և այլն։ Նյութերի մշակման տեխնոլոգիան և նախնական արդյունքները ամփոփված են բազմաթիվ ակնարկներում և մենագրություններում 44, 45, 46:
Պետք է նշել, որ միջավայրի վրա ցանկացած ոչ ստացիոնար ազդեցություն, այդ թվում՝ կլանող միջավայրի վրա լազերային ազդեցությունը, հանգեցնում է դրանում ակուստիկ ալիքների գրգռման՝ ավելի կամ պակաս արդյունավետությամբ: Սկզբնապես հիմնական ուշադրությունը կենտրոնացած էր հեղուկներում ալիքների լազերային գրգռման և ձայնի տարբեր ջերմային գրգռման մեխանիզմների վրա (ջերմային ընդարձակում, գոլորշիացում, ծավալի փոփոխություն փուլային անցման ժամանակ, կծկում և այլն)47, 48, 49: Այս գործընթացի և դրա հնարավոր գործնական կիրառությունների տեսական վերլուծությունները ներկայացված են բազմաթիվ մենագրություններում50, 51, 52:
Այս հարցերը հետագայում քննարկվել են տարբեր կոնֆերանսներում, և ուլտրաձայնի լազերային գրգռումը կիրառություն ունի ինչպես լազերային տեխնոլոգիայի արդյունաբերական կիրառություններում53, այնպես էլ բժշկության մեջ54: Հետևաբար, կարելի է համարել, որ ստեղծվել է այն գործընթացի հիմնական հայեցակարգը, որի միջոցով իմպուլսային լազերային լույսը ազդում է կլանող միջավայրի վրա: Լազերային ուլտրաձայնային ստուգումն օգտագործվում է SLM-ով պատրաստված նմուշների թերությունների հայտնաբերման համար55,56:
Լազերային հարվածային ալիքների նյութերի վրա ազդեցությունը լազերային հարվածային ալիքների մշակման հիմքն է57,58,59, որը նաև օգտագործվում է հավելումներով պատրաստված մասերի մակերեսային մշակման համար60: Այնուամենայնիվ, լազերային հարվածային ուժեղացումն առավել արդյունավետ է նանովայրկյանային լազերային իմպուլսների և մեխանիկորեն բեռնված մակերեսների վրա (օրինակ՝ հեղուկի շերտով)59, քանի որ մեխանիկական բեռնվածությունը մեծացնում է գագաթնակետային ճնշումը:
Փորձեր են իրականացվել՝ տարբեր ֆիզիկական դաշտերի հնարավոր ազդեցությունը կարծրացված նյութերի միկրոկառուցվածքի վրա ուսումնասիրելու համար: Փորձարարական կառուցվածքի ֆունկցիոնալ դիագրամը ներկայացված է նկար 1-ում: Օգտագործվել է ազատ ռեժիմով աշխատող իմպուլսային Nd:YAG պինդ վիճակի լազեր (իմպուլսի տևողությունը՝ ≤ ... անգամ\(<10~\text {ns}\))՝ միջադեպային և անդրադարձված օպտիկական հզորությունը որոշելու համար։ Կալորիմետրերը և հզորության չափիչները տրամաչափվել են բացարձակ միավորներով արժեքներ տալու համար՝ օգտագործելով Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ջերմապտույտ դետեկտորը և նմուշի տեղում տեղադրված դիէլեկտրիկ հայելին։ Ճառագայթը կենտրոնացրեք թիրախի վրա՝ օգտագործելով ոսպնյակ (հականդրադարձնող ծածկույթ \(1.06 մկմ), ֆոկուսային հեռավորություն \(160 մմ)) և ճառագայթի իրան թիրախի մակերեսին 60– \(100 մկմ)։
Փորձարարական կառուցվածքի ֆունկցիոնալ սխեմատիկ դիագրամ՝ 1 — լազեր; 2 — լազերային փունջ; 3 — չեզոք խտության ֆիլտր; 4 — սինխրոնացված ֆոտոդիոդ; 5 — փնջի բաժանիչ; 6 — դիաֆրագմա; 7 — միջադեպային փնջի կալորիմետր; 8 — անդրադարձված փնջի կալորիմետր; 9 — միջադեպային փնջի հզորության չափիչ; 10 — անդրադարձված փնջի հզորության չափիչ; 11 — ֆոկուսային ոսպնյակ; 12 — հայելի; 13 — նմուշ; 14 — լայնաշերտ պիեզոէլեկտրական փոխարկիչ; 15 — 2D փոխարկիչ; 16 — դիրքավորման միկրոկառավարիչ; 17 — սինխրոնացման բլոկ; 18 — բազմալիք թվային ձեռքբերման համակարգ՝ տարբեր նմուշառման հաճախականություններով; 19 — անձնական համակարգիչ։
Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվում է հետևյալ կերպ։ Լազերը գործում է ազատ ռեժիմով, հետևաբար լազերային իմպուլսի տևողությունը կազմում է \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), որը բաղկացած է մոտավորապես \(1.5~\upmu \text {s}\) տևողություններից։ Լազերային իմպուլսի ժամանակային ձևը և դրա սպեկտրը բաղկացած են ցածր հաճախականության ծրարից և բարձր հաճախականության մոդուլյացիայից, որի միջին հաճախականությունը կազմում է մոտ \(0.7~\text {MHz}\), ինչպես ցույց է տրված նկար 2-ում։ Հաճախականության ծրարը ապահովում է նյութի տաքացումը, հետագա հալումն ու գոլորշիացումը, մինչդեռ բարձր հաճախականության բաղադրիչը ապահովում է ուլտրաձայնային տատանումները՝ ֆոտոակուստիկ էֆեկտի պատճառով։ Լազերի կողմից առաջացած ուլտրաձայնային իմպուլսի ալիքային ձևը հիմնականում որոշվում է լազերային իմպուլսի ինտենսիվության ժամանակային ձևով։ Այն տատանվում է 7 կՀց-ից մինչև 2 ՄՀց, իսկ կենտրոնական հաճախականությունը՝ 0.7 ՄՀց։ Ֆոտոակուստիկ էֆեկտի պատճառով առաջացած ակուստիկ իմպուլսները գրանցվել են պոլիվինիլիդեն-ֆտորիդային թաղանթներից պատրաստված լայնաշերտ պիեզոէլեկտրական փոխակերպիչների միջոցով։ Գրանցված ալիքի ձևը և դրա սպեկտրը ներկայացված են նկար 2-ում։ Պետք է նշել, որ լազերային իմպուլսների ձևը բնորոշ է ազատ ռեժիմով լազերին։
Լազերային իմպուլսի ինտենսիվության (ա) և ձայնի արագության (բ) ժամանակային բաշխումը նմուշի հետևի մակերեսին, մեկ լազերային իմպուլսի (գ) և ուլտրաձայնային իմպուլսի (դ) սպեկտրները (կապույտ կոր) միջինացված էին 300 լազերային իմպուլսի (կարմիր կոր):
Մենք կարող ենք հստակ տարբերակել ակուստիկ մշակման ցածր հաճախականության և բարձր հաճախականության բաղադրիչները, որոնք համապատասխանում են համապատասխանաբար լազերային իմպուլսի ցածր հաճախականության ծրարին և բարձր հաճախականության մոդուլյացիային։ Լազերային իմպուլսի ծրարով առաջացած ակուստիկ ալիքների ալիքի երկարությունները գերազանցում են \(40~\text {սմ}\), հետևաբար, սպասվում է ակուստիկ ազդանշանի լայնաշերտ բարձր հաճախականության բաղադրիչների հիմնական ազդեցությունը միկրոկառուցվածքի վրա։
SLM-ում ֆիզիկական պրոցեսները բարդ են և տեղի են ունենում միաժամանակ տարբեր տարածական և ժամանակային մասշտաբներում: Հետևաբար, բազմամասշտաբ մեթոդները առավել հարմար են SLM-ի տեսական վերլուծության համար: Մաթեմատիկական մոդելները սկզբում պետք է լինեն բազմաֆիզիկական: Այնուհետև կարելի է արդյունավետորեն նկարագրել բազմաֆազ միջավայրի՝ «պինդ-հեղուկ հալույթի» մեխանիկան և ջերմաֆիզիկան, որը փոխազդում է իներտ գազի մթնոլորտի հետ: SLM-ում նյութական ջերմային բեռների բնութագրերը հետևյալն են:
Մինչև \(10^{13}~\text {W} սմ}^2\) հզորության խտությամբ տեղայնացված լազերային ճառագայթման պատճառով տաքացման և սառեցման արագությունը մինչև \(10^{13}~\text {W} սմ}^2\) է։
Հալման-պնդացման ցիկլը տևում է 1-ից մինչև 10 մվրկ, ինչը նպաստում է հալման գոտու արագ պնդացմանը սառեցման ընթացքում։
Նմուշի մակերեսի արագ տաքացումը հանգեցնում է մակերեսային շերտում բարձր ջերմաառաձգական լարումների առաջացմանը: Փոշու շերտի բավարար (մինչև 20%) մասը ուժեղ գոլորշիանում է63, ինչը լազերային աբլյացիայի ազդեցության տակ մակերեսի վրա լրացուցիչ ճնշման բեռ է առաջացնում: Հետևաբար, առաջացրած լարվածությունը զգալիորեն աղավաղում է մասի երկրաչափությունը, հատկապես հենարանների և բարակ կառուցվածքային տարրերի մոտ: Իմպուլսային լազերային թրծման ժամանակ բարձր տաքացման արագությունը հանգեցնում է ուլտրաձայնային լարվածության ալիքների առաջացմանը, որոնք տարածվում են մակերեսից դեպի հիմք: Տեղային լարվածության և լարվածության բաշխման վերաբերյալ ճշգրիտ քանակական տվյալներ ստանալու համար իրականացվում է ջերմության և զանգվածի փոխանցման հետ կապված առաձգական դեֆորմացիայի խնդրի մեզոսկոպիկ մոդելավորում:
Մոդելի կառավարող հավասարումները ներառում են (1) անկայուն ջերմափոխանակման հավասարումներ, որտեղ ջերմահաղորդականությունը կախված է փուլային վիճակից (փոշի, հալույթ, պոլիկրիստալ) և ջերմաստիճանից, (2) անընդհատ աբլյացիայից և ջերմաառաձգական ընդարձակման հավասարումից հետո առաձգական դեֆորմացիայի տատանումները։ Սահմանային արժեքի խնդիրը որոշվում է փորձարարական պայմաններով։ Մոդուլացված լազերային հոսքը սահմանվում է նմուշի մակերեսին։ Կոնվեկտիվ սառեցումը ներառում է հաղորդիչ ջերմափոխանակում և գոլորշիացնող հոսք։ Զանգվածային հոսքը սահմանվում է գոլորշիացող նյութի հագեցած գոլորշիների ճնշման հաշվարկի հիման վրա։ Էլաստոպլաստիկ լարվածություն-դեֆորմացիա կապը կիրառվում է, որտեղ ջերմաառաձգական լարվածությունը համեմատական ​​է ջերմաստիճանի տարբերությանը։ Անվանական հզորության համար՝ (300~\text {W}\), հաճախականությունը՝ (10^5~\text {Hz}\), ընդհատվող գործակիցը՝ 100 և արդյունավետ փնջի տրամագծի (200~\upmu \text {m}\) համար։
Նկար 3-ը ցույց է տալիս հալված գոտու թվային մոդելավորման արդյունքները՝ օգտագործելով մակրոսկոպիկ մաթեմատիկական մոդել։ Միաձուլման գոտու տրամագիծը ≤200~≤մ մ (≤100~≤մ մ շառավղով) և ≤40~≤մ մ խորությամբ է։ Սիմուլյացիայի արդյունքները ցույց են տալիս, որ մակերևույթի ջերմաստիճանը ժամանակի ընթացքում տատանվում է 100~≤K-ի հետ՝ իմպուլսային մոդուլյացիայի բարձր ընդհատվող գործակցի պատճառով։ Տաքացման (V_h) և սառեցման (V_c) արագությունները համապատասխանաբար ≤10^7 և ≤10^6~≤K/s կարգի են։ Այս արժեքները լավ համապատասխանում են մեր նախորդ վերլուծությանը64։ (V_h) և (V_c) միջև մեծության կարգի տարբերությունը հանգեցնում է մակերևութային շերտի արագ գերտաքացման, որտեղ ջերմային հաղորդունակությունը հիմքին բավարար չէ ջերմությունը հեռացնելու համար։ Հետևաբար, t=26~≤մ մ {s}\) մակերեսի ջերմաստիճանը հասնում է մինչև \(4800~\text {K}\): Նյութի ուժեղ գոլորշիացումը կարող է հանգեցնել նմուշի մակերեսի չափազանց ճնշմանը և պոկմանը:
316L նմուշային թիթեղի վրա մեկ լազերային իմպուլսային թրծման հալման գոտու թվային մոդելավորման արդյունքներ: Իմպուլսի սկզբից մինչև հալված ավազանի խորության առավելագույն արժեքին հասնելը ժամանակը կազմում է \(180~\upmu\text {s}\): Իզոթերմը\(T = T_L = 1723~\text {K}\) ներկայացնում է հեղուկ և պինդ փուլերի միջև սահմանը: Իզոբարները (դեղին գծեր) համապատասխանում են հաջորդ բաժնում ջերմաստիճանի ֆունկցիայի տեսքով հաշվարկված հոսունության լարմանը: Հետևաբար, երկու իզոլերի (իզոթերմներ\(T=T_L\) և իզոբարներ\(\sigma =\sigma _V(T)\)) միջև ընկած տիրույթում պինդ փուլը ենթարկվում է ուժեղ մեխանիկական բեռների, որոնք կարող են հանգեցնել միկրոկառուցվածքի փոփոխությունների:
Այս էֆեկտը ավելի մանրամասն բացատրվում է նկար 4ա-ում, որտեղ հալված գոտում ճնշման մակարդակը գծագրվում է որպես ժամանակի և մակերեսից հեռավորության ֆունկցիա։ Նախ, ճնշման վարքագիծը կապված է վերևում նկար 2-ում նկարագրված լազերային իմպուլսի ինտենսիվության մոդուլյացիայի հետ։ Մոտ 10~\text {MPa}\ առավելագույն ճնշումը (s) դիտվել է մոտ 10~\text {MPa}\ մոտ t=26~\upmu-ի դեպքում։ Երկրորդ, կառավարման կետում տեղային ճնշման տատանումն ունի նույն տատանողական բնութագրերը, ինչ 500~\text {kHz}\ հաճախականությունը։ Սա նշանակում է, որ մակերեսին առաջանում են ուլտրաձայնային ճնշման ալիքներ, որոնք այնուհետև տարածվում են հիմքի մեջ։
Հալման գոտու մոտ գտնվող դեֆորմացիոն գոտու հաշվարկված բնութագրերը ներկայացված են Նկար 4բ-ում: Լազերային աբլացիան և ջերմաառաձգական լարումը առաջացնում են առաձգական դեֆորմացիոն ալիքներ, որոնք տարածվում են հիմքի մեջ: Ինչպես երևում է նկարից, լարման առաջացման երկու փուլ կա: \(t < 40~\upmu \text {s}\) առաջին փուլում Միզեսի լարումը բարձրանում է մինչև \(8~\text {MPa}\)՝ մակերևութային ճնշմանը նման մոդուլյացիայով: Այս լարումը առաջանում է լազերային աբլացիայի պատճառով, և կառավարման կետերում ջերմաառաձգական լարում չի դիտվել, քանի որ սկզբնական ջերմային ազդեցության գոտին չափազանց փոքր էր: Երբ ջերմությունը ցրվում է հիմքի մեջ, կառավարման կետը առաջացնում է \(40~\text {MPa}\)-ից բարձր բարձր ջերմաառաձգական լարում:
Ստացված մոդուլացված լարման մակարդակները զգալի ազդեցություն ունեն պինդ-հեղուկ միջերեսի վրա և կարող են լինել պնդացման ուղին կարգավորող կառավարման մեխանիզմ։ Դեֆորմացիայի գոտու չափը 2-3 անգամ մեծ է հալման գոտու չափից։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 3-ում, համեմատվում են հալման իզոթերմի դիրքը և հոսունության լարմանը հավասար լարման մակարդակը։ Սա նշանակում է, որ իմպուլսային լազերային ճառագայթումը տեղայնացված տարածքներում ապահովում է բարձր մեխանիկական բեռներ՝ 300-ից մինչև 800 մ արդյունավետ տրամագծով՝ կախված ակնթարթային ժամանակից։
Հետևաբար, իմպուլսային լազերային թրծման բարդ մոդուլյացիան հանգեցնում է ուլտրաձայնային էֆեկտի: Միկրոկառույցի ընտրության ուղին տարբեր է ուլտրաձայնային բեռնվածություն չունեցող SLM-ի համեմատ: Դեֆորմացված անկայուն շրջանները հանգեցնում են սեղմման և ձգման պարբերական ցիկլերի պինդ փուլում: Այսպիսով, նոր հատիկների սահմանների և ենթահատիկների սահմանների ձևավորումը դառնում է հնարավոր: Հետևաբար, միկրոկառուցվածքային հատկությունները կարող են միտումնավոր փոխվել, ինչպես ցույց է տրված ստորև: Ստացված եզրակացությունները հնարավորություն են տալիս նախագծել իմպուլսային մոդուլյացիայով ինդուկցված ուլտրաձայնային կառավարվող SLM նախատիպ: Այս դեպքում, կարելի է բացառել այլուր օգտագործվող պիեզոէլեկտրական ինդուկտոր 26-ը:
(ա) Ճնշումը որպես ժամանակի ֆունկցիա, հաշվարկված 0, 20 և 40 մ մակերևույթից տարբեր հեռավորությունների վրա՝ համաչափության առանցքի երկայնքով։ (բ) Ժամանակից կախված Ֆոն Միզեսի լարումը, հաշվարկված պինդ մատրիցում նմուշի մակերևույթից 70, 120 և 170 մ հեռավորությունների վրա։
Փորձերը կատարվել են AISI 321H չժանգոտվող պողպատե թիթեղների վրա՝ ≤(20x20x5~mm) չափսերով։ Յուրաքանչյուր լազերային իմպուլսից հետո թիթեղը շարժվում է ≤50մմ, և լազերային ճառագայթի շրջանը թիրախային մակերեսի վրա կազմում է մոտ ≤100մմ։ Նույն հետագծով կատարվում է մինչև հինգ հաջորդական ճառագայթային անցում՝ հատիկների մաքրման համար մշակված նյութի վերահալեցումը խթանելու համար։ Բոլոր դեպքերում, վերահալված գոտին ենթարկվել է ուլտրաձայնային մշակման՝ կախված լազերային ճառագայթման տատանողական բաղադրիչից։ Սա հանգեցնում է հատիկների միջին մակերեսի ավելի քան 5 անգամ կրճատման։ Նկար 5-ը ցույց է տալիս, թե ինչպես է լազերային հալված շրջանի միկրոկառուցվածքը փոխվում հետագա վերահալեցման ցիկլերի (անցումների) քանակի հետ։
Ենթահոդվածներ (a, d, g, j) և (b, e, h, k)՝ լազերային հալված շրջանների միկրոկառուցվածքը, ենթահոդվածներ (c, f, i, l)՝ գունավոր հատիկների մակերեսային բաշխումը: Ստվերացումը ներկայացնում է հիստոգրամը հաշվարկելու համար օգտագործված մասնիկները: Գույները համապատասխանում են հատիկների շրջաններին (տե՛ս հիստոգրամի վերևի մասում գտնվող գունային գոտին): Ենթահոդվածներ (ac)-ը համապատասխանում է չմշակված չժանգոտվող պողպատին, իսկ ենթահոդվածներ (df), (gi), (jl)-ը՝ 1, 3 և 5 վերահալվածքներին:
Քանի որ լազերային իմպուլսի էներգիան հաջորդող անցումների միջև չի փոխվում, հալված գոտու խորությունը նույնն է։ Այսպիսով, հաջորդող ալիքն ամբողջությամբ «ծածկում» է նախորդը։ Սակայն, հիստոգրամը ցույց է տալիս, որ միջին և միջնարժեքային հատիկների մակերեսը նվազում է անցումների թվի աճին զուգընթաց։ Սա կարող է ցույց տալ, որ լազերը ազդում է հիմքի, այլ ոչ թե հալույթի վրա։
Հատիկների մաքրումը կարող է պայմանավորված լինել հալված ավազանի արագ սառեցմամբ65: Կատարվել է փորձերի մեկ այլ շարք, որոնցում չժանգոտվող պողպատե թիթեղների (321H և 316L) մակերեսները ենթարկվել են անընդհատ ալիքային լազերային ճառագայթման մթնոլորտում (Նկար 6) և վակուումում (Նկար 7): Լազերի միջին հզորությունը (համապատասխանաբար 300 Վտ և 100 Վտ) և հալված ավազանի խորությունը մոտ են Nd:YAG լազերի ազատ ռեժիմով փորձարկման արդյունքներին: Այնուամենայնիվ, դիտարկվել է տիպիկ սյունաձև կառուցվածք:
Անընդհատ ալիքային լազերի լազերային հալված հատվածի միկրոկառուցվածքը (300 Վտ հաստատուն հզորություն, 200 մմ/վ սկանավորման արագություն, AISI 321H չժանգոտվող պողպատ):
(ա) Վակուումային անընդհատ ալիքային լազերի (հաստատուն հզորություն 100 Վտ, սկանավորման արագություն 200 մմ/վ, AISI 316L չժանգոտվող պողպատ) միկրոկառուցվածքը և (բ) էլեկտրոնային հետցրման դիֆրակցիոն պատկերը լազերային հալման գոտուց \ (\sim 2~\text {mbar}\):
Հետևաբար, հստակ ցույց է տրված, որ լազերային իմպուլսի ինտենսիվության բարդ մոդուլյացիան զգալի ազդեցություն ունի ստացված միկրոկառուցվածքի վրա: Մենք կարծում ենք, որ այս ազդեցությունը մեխանիկական բնույթ ունի և առաջանում է հալույթի ճառագայթված մակերեսից նմուշի խորքում տարածվող ուլտրաձայնային տատանումների առաջացման պատճառով: Նմանատիպ արդյունքներ են ստացվել 13, 26, 34, 66, 67-ում՝ օգտագործելով արտաքին պիեզոէլեկտրական փոխակերպիչներ և սոնոտրոդներ, որոնք ապահովում են բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայն տարբեր նյութերում, այդ թվում՝ Ti-6Al-4V համաձուլվածքում 26 և չժանգոտվող պողպատում 34: Հնարավոր մեխանիզմը ենթադրվում է հետևյալ կերպ: Ինտենսիվ ուլտրաձայնը կարող է առաջացնել ակուստիկ կավիտացիա, ինչպես ցույց է տրվել գերարագ in situ սինխրոտրոնային ռենտգենյան պատկերման մեջ: Կավիտացիոն փուչիկների փլուզումը, իր հերթին, առաջացնում է ցնցող ալիքներ հալված նյութում, որոնց ճակատային ճնշումը հասնում է մոտ \(100~\text {MPa}\)69-ի: Նման ցնցող ալիքները կարող են բավականաչափ ուժեղ լինել՝ խթանելու կրիտիկական չափի պինդ փուլային միջուկների ձևավորումը զանգվածային հեղուկներում՝ խաթարելով շերտ առ շերտ սյունաձև հատիկային կառուցվածքը: հավելանյութերի արտադրություն:
Այստեղ մենք առաջարկում ենք կառուցվածքային փոփոխության համար պատասխանատու մեկ այլ մեխանիզմ՝ ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակմամբ: Նյութը պնդացումից անմիջապես հետո գտնվում է բարձր ջերմաստիճանում՝ հալման կետին մոտ, և ունի չափազանց ցածր հոսունության լարում: Ինտենսիվ ուլտրաձայնային ալիքները կարող են պլաստիկ հոսքի պատճառով փոխել հենց նոր պնդացած տաք նյութի հատիկի կառուցվածքը: Այնուամենայնիվ, հոսունության լարման ջերմաստիճանային կախվածության վերաբերյալ հուսալի փորձարարական տվյալներ հասանելի են \(T\lesssim 1150~\text {K}\)-ում (տե՛ս նկար 8): Հետևաբար, վարկածը ստուգելու համար մենք իրականացրեցինք AISI 316 L պողպատին նման Fe-Cr-Ni կազմի մոլեկուլային դինամիկայի (MD) մոդելավորումներ՝ հալման կետին մոտ հոսունության լարման վարքագիծը գնահատելու համար: Հոսունության լարումը հաշվարկելու համար մենք օգտագործեցինք MD սղման լարման թուլացման տեխնիկան, որը մանրամասն նկարագրված է 70, 71, 72, 73-ում: Միջատոմային փոխազդեցության հաշվարկների համար մենք օգտագործեցինք 74-ից ներդրված ատոմային մոդելը (EAM): MD մոդելավորումները կատարվել են LAMMPS կոդերի 75, 76 միջոցով: MD մոդելավորման մանրամասները կհրապարակվեն այլուր: Հոսունության լարման MD հաշվարկման արդյունքները՝ որպես ֆունկցիա Ջերմաստիճանը ներկայացված է Նկար 8-ում՝ առկա փորձարարական տվյալների և այլ գնահատականների հետ միասին77,78,79,80,81,82:
AISI 316 կարգի աուստենիտային չժանգոտվող պողպատի հոսունության լարումը և մոդելի կազմը ջերմաստիճանից կախվածությունը MD մոդելավորման համար: Փորձարարական չափումներ հղումներից՝ (ա) 77, (բ) 78, (գ) 79, (դ) 80, (ե) 81: Տես՝ (զ)82-ը հոսունության լարումից ջերմաստիճան կախվածության էմպիրիկ մոդել է լազերային օժանդակությամբ հավելանյութերի արտադրության ընթացքում գծային լարման չափման համար: Այս ուսումնասիրության մեջ MD մոդելավորման մեծածավալ արդյունքները նշանակվում են որպես \(\vartriangleleft\)՝ արատներից զերծ անվերջ միաբյուրեղի համար և \(\vartriangleright\)՝ վերջավոր հատիկների համար՝ հաշվի առնելով հատիկների միջին չափը՝ Հոլ-Պեչի հարաբերության միջոցով: Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\):
Կարելի է տեսնել, որ \(T>1500~\text {K}\) դեպքում հոսունության լարումը իջնում ​​է \(40~\text {MPa}\)-ից ցածր։ Մյուս կողմից, գնահատականները կանխատեսում են, որ լազերային ուլտրաձայնային ամպլիտուդը գերազանցում է \(40~\text {MPa}\)-ը (տե՛ս Նկար 4բ), որը բավարար է հենց նոր պնդացած տաք նյութում պլաստիկ հոսք առաջացնելու համար։
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) աուստենիտային չժանգոտվող պողպատի միկրոկառուցվածքի ձևավորումը SLM-ի ընթացքում փորձարարականորեն ուսումնասիրվել է բարդ ինտենսիվությամբ մոդուլացված իմպուլսային լազերային աղբյուրի միջոցով։
Լազերային հալման գոտում հատիկի չափի նվազում է հայտնաբերվել 1, 3 կամ 5 անցումից հետո լազերային անընդհատ վերահալման պատճառով։
Մակրոսկոպիկ մոդելավորումը ցույց է տալիս, որ այն տարածքի գնահատված չափը, որտեղ ուլտրաձայնային դեֆորմացիան կարող է դրականորեն ազդել պնդացման ճակատի վրա, մինչև \(1~\text {մմ}\) է։
Մանրադիտակային MD մոդելը ցույց է տալիս, որ AISI 316 աուստենիտային չժանգոտվող պողպատի հոսունության սահմանը զգալիորեն նվազում է մինչև \(40~\text {MPa}\) հալման կետին մոտ։
Ստացված արդյունքները ենթադրում են նյութերի միկրոկառուցվածքը կառավարելու մեթոդ՝ օգտագործելով բարդ մոդուլացված լազերային մշակում և կարող են հիմք հանդիսանալ իմպուլսային SLM տեխնիկայի նոր մոդիֆիկացիաներ ստեղծելու համար։
Լյու, Յ. և այլք։ TiB2/AlSi10Mg կոմպոզիտների միկրոկառուցվածքային էվոլյուցիան և մեխանիկական հատկությունները լազերային ընտրողական հալեցման միջոցով [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021)։
Գաո, Ս. և այլք։ 316L չժանգոտվող պողպատի լազերային ընտրողական հալման հատիկների սահմանային վերակրիստալացման մեթոդաբանություն [J]։ Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020)։
Չեն, Շ. և Ցյու, Ս. Լազերային հալված տիտանի համաձուլվածքների լազերային վերատաքացման միջոցով բարձրացված ճկունությամբ սենդվիչ միկրոկառուցվածքների տեղում մշակում: Science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020):
Ազարնիա, Ա. և այլք։ Ti-6Al-4V մասերի ադիտիվ արտադրություն լազերային մետաղի նստեցման (LMD) միջոցով. գործընթաց, միկրոկառուցվածք և մեխանիկական հատկություններ։ J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019)։
Կումարա, Ս. և այլք։ Համաձուլվածք 718-ի լազերային մետաղական փոշու ուղղված էներգիայի նստեցման միկրոկառուցվածքային մոդելավորում։ Ավելացնել.manufacture.25, 357–364։ https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019)։
Բյուսի, Մ. և այլք։ Լազերային շոկային պինինգով մշակված հավելումային եղանակով ստացված նմուշների պարամետրիկ նեյտրոնային Բրեգի եզրային պատկերման ուսումնասիրություն։ Science.Rep. 11, 14919։ https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021)։
Տան, Շ. և այլք։ Էլեկտրոնային փնջի հալեցմամբ հավելումային եղանակով պատրաստված Ti-6Al-4V-ի գրադիենտային միկրոկառուցվածքը և մեխանիկական հատկությունները։ Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015)։