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제조 공정에서 제품의 미세 구조를 제어하기 위해 선택적 레이저 용융을 기반으로 하는 새로운 메커니즘이 제안됩니다. 이 메커니즘은 복잡한 강도 변조 레이저 조사에 의해 용융 풀에서 고강도 초음파의 생성에 의존합니다. 실험 연구 및 수치 시뮬레이션은 이 제어 메커니즘이 기술적으로 실현 가능하며 현대 선택적 레이저 용융 기계의 설계에 효과적으로 통합될 수 있음을 보여줍니다.
복잡한 모양의 부품의 적층 가공(AM)은 최근 수십 년 동안 크게 성장했습니다. 그러나 선택적 레이저 용융(SLM)1,2,3, 직접 레이저 금속 증착4,5,6, 전자 빔 용융7,8 및 기타9,10을 포함한 다양한 적층 제조 공정에도 불구하고 부품에 결함이 있을 수 있습니다. 이는 주로 높은 열 구배, 높은 냉각 속도, 용융 및 재용융 재료의 가열 주기의 복잡성과 관련된 용융 풀 응고 공정의 특정 특성으로 인해 에피트가 발생합니다11. 축 방향 입자 성장 및 상당한 다공성12,13.결과는 열 구배, 냉각 속도 및 합금 조성을 제어하거나 다양한 특성(예: 초음파)의 외부 필드를 통해 추가적인 물리적 충격을 가하여 미세 등축 결정립 구조를 달성하는 것이 필요함을 보여줍니다.
기존 주조 공정14,15에서 응고 공정에 대한 진동 처리의 영향에 관한 수많은 간행물이 있습니다. 그러나 벌크 용융물에 외부 장을 적용하면 원하는 재료 미세 구조가 생성되지 않습니다. 액상의 부피가 작으면 상황이 극적으로 바뀝니다. 27, 아크 교반28 및 진동29, 펄스 플라즈마 아크30,31 및 기타 방법32. 외부 고강도 초음파 소스(20kHz에서)를 사용하여 기판에 부착합니다. 초음파 유도 결정립 미세화는 감소된 온도 구배 및 초음파 향상으로 인해 구성 과냉 영역이 증가하여 캐비테이션을 통해 새로운 결정을 생성하기 때문입니다.
본 연구에서는 용융 레이저 자체에서 생성된 음파로 용융 풀을 초음파 처리하여 오스테나이트계 스테인리스강의 결정립 구조를 변경할 가능성을 조사했습니다. 광흡수 매체에 입사되는 레이저 방사선의 강도 변조는 재료의 미세 구조를 변경하는 초음파의 생성을 초래합니다. 이러한 레이저 방사선의 강도 변조는 기존 SLM 3D 프린터에 쉽게 통합될 수 있습니다. 이 작업의 실험은 표면이 강도 변조 레이저 방사선에 노출된 스테인리스 강판에서 수행되었습니다. , 레이저 표면 처리가 이루어집니다. 그러나 이러한 레이저 처리가 각 레이어의 표면에 수행되면 층별 빌드 업시 전체 볼륨 또는 볼륨의 일부에 대한 효과가 나타납니다.
초음파 혼 기반 초음파 치료에서는 정상 음파의 초음파 에너지가 구성 요소 전체에 분포되는 반면 레이저 유도 초음파 강도는 레이저 방사선이 흡수되는 지점 근처에 매우 집중됩니다. SLM 분말 베드 융합 기계에서 소노트로드를 사용하는 것은 레이저 방사선에 노출된 분말 베드의 상단 표면이 정지 상태로 유지되어야 하기 때문에 복잡합니다. 또한 부품의 상단 표면에 기계적 응력이 없습니다. 전체 용융 풀 내부의 음압은 용접 헤드에서 생성된 최대 압력의 0.1%를 초과할 수 없습니다. 스테인리스 스틸에서 주파수 20kHz의 초음파 파장은 \(\sim 0.3~\text {m}\)이고 깊이는 일반적으로 \(\sim 0.3~\text {mm}\)보다 작기 때문입니다. 따라서 초음파가 캐비테이션에 미치는 영향은 적을 수 있습니다.
직접 레이저 금속 증착에서 강도 변조 레이저 방사선의 사용은 연구의 활성 영역이라는 점에 유의해야 합니다35,36,37,38.
매체에 입사되는 레이저 방사선의 열 효과는 절단41, 용접, 경화, 드릴링42, 표면 청소, 표면 합금화, 표면 연마43 등과 같은 재료 가공을 위한 거의 모든 레이저 기술39, 40의 기초입니다. 레이저의 발명은 재료 가공 기술의 새로운 개발을 자극했으며 예비 결과는 수많은 리뷰와 모노그래프44,45,46에 요약되었습니다.
흡수 매질에 대한 레이징 작용을 포함하여 매질에 대한 모든 비정적 작용은 다소 효율적으로 음파의 여기를 초래한다는 점에 유의해야 합니다. 초기에는 액체 내 파동의 레이저 여기와 소리의 다양한 열 여기 메커니즘(열팽창, 증발, 상전이 중 부피 변화, 수축 등)에 중점을 두었습니다. 47, 48, 49. 수많은 논문50, 51, 52 이 프로세스와 가능한 실제 응용 프로그램에 대한 이론적 분석을 제공합니다.
이러한 문제는 이후 여러 회의에서 논의되었으며 초음파의 레이저 여기는 레이저 기술53 및 의학54의 산업적 응용 분야 모두에 적용됩니다. 따라서 펄스 레이저 광이 흡수 매체에 작용하는 프로세스의 기본 개념이 확립되었다고 볼 수 있습니다. 레이저 초음파 검사는 SLM으로 제조된 샘플55,56의 결함 검출에 사용됩니다.
레이저로 생성된 충격파가 재료에 미치는 영향은 레이저 충격 피닝57,58,59의 기초이며 적층 가공된 부품60의 표면 처리에도 사용됩니다.
응고된 재료의 미세 구조에 대한 다양한 물리적 필드의 가능한 영향을 조사하기 위해 실험을 수행했습니다. 실험 설정의 기능 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 자유 실행 모드(펄스 지속 시간 \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ ))에서 작동하는 펄스 Nd:YAG 고체 레이저가 사용되었습니다. 각 레이저 펄스는 일련의 중성 밀도 필터와 빔 분할판 시스템을 통과합니다. 중성 밀도 필터의 조합에 따라, 타겟에 대한 펄스 에너지는 \(E_L \sim 20~\text {mJ}\)에서 \(E_L \sim 100~\text {mJ}\)까지 다양합니다. 빔 스플리터에서 반사된 레이저 빔은 동시 데이터 수집을 위해 포토다이오드로 공급되고 두 개의 열량계(\(1~\text {ms}\)를 초과하는 긴 응답 시간을 가진 포토다이오드)는 대상에 대한 입사 및 반사를 결정하는 데 사용되며 두 개의 파워 미터(포토다이오드 짧은 응답 시간\(<10~\text{ns}\)) 입사 및 반사된 광학 전력을 결정합니다. 열전퇴 감지기 Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 및 샘플 위치에 장착된 유전체 거울을 사용하여 절대 단위로 값을 제공하도록 열량계 및 전력계를 보정했습니다. 렌즈(\(1.06 \upmu \text {m}\)의 반사 방지 코팅, 초점 거리 \(160~\ text {mm}\)) 및 타겟 표면에서의 빔 웨이스트 60– \(100~\upmu\text {m}\).
실험 설정의 기능 개략도: 1 - 레이저;2 - 레이저 빔;3 - 중립 밀도 필터;4 - 동기화된 포토다이오드;5 - 빔 스플리터;6 - 다이어프램;7 - 입사 빔의 열량계;8 - 반사광의 열량계;9 – 입사 빔 파워 미터;10 – 반사 빔 파워 미터;11 – 초점 렌즈;12 - 거울;13 – 샘플;14 - 광대역 압전 변환기;15 – 2D 변환기;16 – 포지셔닝 마이크로컨트롤러;17 – 동기화 장치;18 - 다양한 샘플링 속도의 다중 채널 디지털 수집 시스템;19 – 개인용 컴퓨터.
초음파 처리는 다음과 같이 수행됩니다. 레이저는 자유 실행 모드에서 작동합니다.따라서 레이저 펄스의 지속 시간은 \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)이며, 이는 각각 약 \(1.5~\upmu \text {s } \)의 여러 지속 시간으로 구성됩니다. 레이저 펄스의 시간적 모양과 그 스펙트럼은 그림 2와 같이 평균 주파수가 약 \(0.7~\text {MHz}\)인 저주파 포락선과 고주파 변조로 구성됩니다. 재료의 용융 및 증발, 고주파 성분은 광 음향 효과로 인해 초음파 진동을 제공합니다. 레이저에 의해 생성된 초음파 펄스의 파형은 주로 레이저 펄스 강도의 시간 형태에 의해 결정됩니다.\(7~\text {kHz}\) ~ (2~\text {MHz}\)이고 중심 주파수는 \(~ 0.7~\text {MHz}\)입니다. 광음향 효과에 의한 음향 펄스는 폴리비닐리덴 플루오라이드 필름으로 만든 광대역 압전 트랜스듀서를 사용하여 기록했습니다. 기록된 파형과 스펙트럼은 그림 2에 나와 있습니다. 레이저 펄스의 모양은 자유 실행 모드 레이저의 일반적인 형태입니다.
단일 레이저 펄스(청색 곡선)에 대해 300개 이상의 레이저 펄스(적색 곡선)에 대해 평균화된 레이저 펄스 강도(a) 및 샘플 후면에서의 음속(b), 레이저 펄스(c) 및 초음파 펄스(d)의 스펙트럼의 시간 분포.
레이저 펄스의 저주파 포락선과 고주파 변조에 해당하는 음향 처리의 저주파 및 고주파 성분을 각각 명확하게 구분할 수 있습니다. 레이저 펄스 포락선에 의해 생성된 음향파의 파장은 \(40~\text {cm}\)를 초과합니다.따라서 미세 구조에 대한 음향 신호의 광대역 고주파 성분의 주요 효과가 예상됩니다.
SLM의 물리적 프로세스는 복잡하고 서로 다른 공간 및 시간 규모에서 동시에 발생합니다. 따라서 다중 규모 방법은 SLM의 이론적 분석에 가장 적합합니다. 수학적 모델은 초기에 다중 물리적이어야 합니다. 그러면 불활성 기체 대기와 상호 작용하는 다중상 매체 "고체-액체 용융물"의 역학 및 열물리학을 효과적으로 설명할 수 있습니다. SLM의 재료 열 부하 특성은 다음과 같습니다.
최대 \(10^{13}~\text {W} cm}^2\)의 전력 밀도로 국소화된 레이저 조사로 인해 최대 \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{까지 가열 및 냉각 속도.
용융-응고 주기는 1과 \(10~\text {ms}\) 사이에서 지속되며, 이는 냉각 중에 용융 영역의 빠른 응고에 기여합니다.
시료 표면을 빠르게 가열하면 표면층에 높은 열탄성 응력이 형성됩니다. 분말층의 충분한 부분(최대 20%)이 강하게 증발되어63 레이저 제거에 대한 반응으로 표면에 추가적인 압력 부하가 발생합니다. 결과적으로 유도된 변형은 특히 지지대 및 얇은 구조 요소 근처에서 부품 형상을 크게 왜곡합니다. 펄스 레이저 어닐링의 높은 가열 속도는 표면에서 기판으로 전파되는 초음파 변형파를 생성합니다. 순서대로 국소 응력 및 변형률 분포에 대한 정확한 정량적 데이터를 얻기 위해 열 및 물질 전달과 결합된 탄성 변형 문제의 mesoscopic 시뮬레이션이 수행됩니다.
모델의 지배 방정식에는 (1) 열전도율이 상 상태(분말, 용융물, 다결정질) 및 온도에 따라 달라지는 비정상 열 전달 방정식, (2) 연속체 절제 후 탄성 변형의 변동 및 열탄성 팽창 방정식이 포함됩니다. 경계 값 문제는 실험 조건에 의해 결정됩니다. 변조된 레이저 플럭스는 샘플 표면에서 정의됩니다. 대류 냉각에는 전도성 열 교환 및 증발 플럭스가 포함됩니다. .탄소성 응력-변형 관계는 열탄성 응력이 온도 차이에 비례하는 경우에 사용됩니다. 공칭 출력 \(300~\text {W}\), 주파수 \(10^5~\text {Hz}\), 간헐 계수 100 및 유효 빔 직경의 \(200~\upmu \text {m}\ )에 대해.
그림 3은 거시적 수학적 모델을 사용하여 용융 구역의 수치 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 융합 구역의 직경은 \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) 반경) 및 \(40~\upmu \text {m}\) 깊이입니다. 시뮬레이션 결과는 펄스 변조의 높은 간헐적 요인으로 인해 표면 온도가 시간에 따라 국부적으로 \(100~\text{K}\)로 변하는 것을 보여줍니다. 가열 \(V_h\) 및 냉각 \(V_c\) 속도는 각각 \(10^7\) 및 \(10^6~\text {K}/\text {s}\) 정도입니다. 이러한 값은 이전 분석과 잘 일치합니다. \(t=26~\upmu \text {s}\) 표면 온도는 \(4800~\text {K}\)까지 최고조에 달합니다. 재료의 격렬한 증발로 인해 샘플 표면이 과도한 압력을 받고 벗겨질 수 있습니다.
316L 샘플 플레이트에서 단일 레이저 펄스 어닐링의 용융 영역에 대한 수치 시뮬레이션 결과. 펄스 시작부터 최대값에 도달하는 용융 풀의 깊이까지의 시간은 \(180~\upmu\text {s}\)입니다. 등온선\(T = T_L = 1723~\text {K}\)은 액체와 고체 사이의 경계를 나타냅니다. 등압선(노란색 선)은 다음 섹션에서 온도의 함수로 계산된 항복 응력에 해당합니다. .따라서 두 등온선(등온선\(T=T_L\) 및 등압선\(\sigma =\sigma _V(T)\)) 사이의 영역에서 고체상은 강한 기계적 부하를 받게 되며, 이는 미세 구조의 변화로 이어질 수 있습니다.
이 효과는 용융 영역의 압력 수준이 표면으로부터 시간과 거리의 함수로 표시된 그림 4a에서 더 설명됩니다. 첫째, 압력 거동은 위의 그림 2에서 설명한 레이저 펄스 강도의 변조와 관련이 있습니다. 약 \(10~\text{MPa}\)의 최대 압력 \text{s}\)가 약 \(t=26\upmu)에서 관찰되었습니다. \(500~\text {kHz}\)의 주파수. 이는 초음파 압력파가 표면에서 생성된 다음 기판으로 전파됨을 의미합니다.
용융 영역 근처의 변형 영역의 계산된 특성은 그림 4b에 표시됩니다. 레이저 제거 및 열탄성 응력은 기판으로 전파되는 탄성 변형 파동을 생성합니다. 그림에서 볼 수 있듯이 응력 생성에는 두 단계가 있습니다. \(t < 40~\upmu \text{s}\)의 첫 번째 단계 동안 Mises 응력은 표면 압력과 유사한 변조로 \(8\\text{MPa}\)로 상승합니다. 이 응력은 레이저 절삭으로 인해 발생하며, 초기 열영향부가 너무 작았기 때문에 제어점에서 열탄성 응력이 관찰되지 않았습니다. 기판으로 열이 분산되면 제어점은 \(40~\text{MPa}\) 이상의 높은 열탄성 응력을 생성합니다.
얻어진 변조 응력 수준은 고체-액체 계면에 상당한 영향을 미치며 응고 경로를 제어하는 ​​제어 메커니즘일 수 있습니다. 변형 영역의 크기는 용융 영역보다 2~3배 더 큽니다. 그림 3에서와 같이 용융 등온선의 위치와 항복 응력과 동일한 응력 수준을 비교합니다. 이는 펄스 레이저 조사가 300과 \(800~\upmu \text {m} 사이의 유효 직경을 가진 국부 영역에 높은 기계적 부하를 제공한다는 것을 의미합니다. \) 순간 시간에 따라 다릅니다.
따라서 펄스 레이저 어닐링의 복잡한 변조는 초음파 효과로 이어집니다. 미세 구조 선택 경로는 초음파 부하가 없는 SLM과 비교할 때 다릅니다. 변형된 불안정한 영역은 고체상에서 주기적인 압축 및 스트레칭 주기로 이어집니다. 따라서 새로운 입자 경계 및 하위 입자 경계의 형성이 가능해집니다. 따라서 미세 구조 특성은 아래와 같이 의도적으로 변경될 수 있습니다. 얻은 결론은 펄스 변조 유도 초음파 구동 SLM 프로토타입을 설계할 수 있는 가능성을 제공합니다. 다른 곳에서 사용되는 덕트(26)는 제외될 수 있습니다.
(a) 대칭축을 따라 표면 0, 20 및 \(40~\upmu \text {m}\)로부터 서로 다른 거리에서 계산된 시간 함수로서의 압력.(b) 샘플 표면으로부터 거리 70, 120 및 \(170~\upmu \text {m}\)에서 솔리드 매트릭스에서 계산된 시간 종속 Von Mises 응력.
실험은 \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) 크기의 AISI 321H 스테인리스 강판에서 수행되었습니다. 각 레이저 펄스 후 판은 \(50~\upmu \text {m}\) 이동하고 대상 표면의 레이저 빔 웨이스트는 약 \(100~\upmu \text {m}\)입니다. 최대 5개의 후속 빔 통과가 동일한 트랙을 따라 수행되어 결정립 미세화를 위해 처리된 재료의 재용융을 유도합니다. 모든 경우에 , 재용융 영역은 레이저 방사선의 진동 성분에 따라 초음파 처리되었습니다. 그 결과 평균 입자 면적이 5배 이상 감소했습니다. 그림 5는 레이저 용융 영역의 미세 구조가 후속 재용융 주기(통과) 횟수에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다.
서브플롯 (a,d,g,j) 및 (b,e,h,k) – 레이저 용융 영역의 미세 구조, 서브플롯 (c,f,i,l) – 유색 입자의 면적 분포.음영은 히스토그램을 계산하는 데 사용되는 입자를 나타냅니다. 색상은 그레인 영역에 해당합니다(히스토그램 상단의 색상 막대 참조. 서브플롯(ac)은 처리되지 않은 스테인리스 스틸에 해당하고 서브플롯(df), (gi), (jl)은 1, 3 및 5 재용융에 해당합니다.
레이저 펄스 에너지는 후속 패스 간에 변경되지 않기 때문에 용융 영역의 깊이는 동일합니다. 따라서 후속 채널은 이전 채널을 완전히 "덮습니다". 그러나 히스토그램은 평균 및 중앙 입자 영역이 패스 수가 증가함에 따라 감소함을 보여줍니다. 이는 레이저가 용융물이 아닌 기판에 작용하고 있음을 나타낼 수 있습니다.
결정립 미세화는 용융 풀의 급속한 냉각으로 인해 발생할 수 있습니다. ar 구조를 보였다.
연속파 레이저(300W 정출력, 200mm/s 스캔 속도, AISI 321H 스테인리스 스틸)의 레이저 용융 영역의 미세 구조.
(a) 미세 구조 및 (b) 연속파 레이저(100W 정출력, 200mm/s 스캔 속도, AISI 316L 스테인레스 스틸)를 사용하여 진공에서 레이저 용융 영역의 전자 후방 산란 회절 이미지(\sim 2~\text {mbar}\).
따라서 레이저 펄스 강도의 복잡한 변조가 결과적인 미세 구조에 상당한 영향을 미친다는 것이 명확하게 나타납니다. 우리는 이 효과가 본질적으로 기계적이며 조사된 용융물 표면에서 샘플 깊숙이 전파되는 초음파 진동의 생성으로 인해 발생한다고 믿습니다. Ti-6Al-4V 합금을 포함한 다양한 재료에서 고강도 초음파를 제공하는 외부 압전 변환기 및 소노트로드를 사용하여 13, 26, 34, 66, 67에서 유사한 결과가 얻어졌습니다. 26 및 스테인레스 스틸 34의 결과. 가능한 메커니즘은 다음과 같이 추측됩니다. 강렬한 초음파는 초고속 싱크로트론 X-레이 이미징에서 입증된 것처럼 음향 캐비테이션을 유발할 수 있습니다. 캐비테이션 기포의 붕괴는 차례로 용융된 재료에 충격파를 생성하며, 그 전면 압력은 약 \(100~\text{MPa}\)69에 도달합니다. 이러한 충격파는 벌크 액체에서 임계 크기의 고체상 핵의 형성을 촉진할 만큼 충분히 강할 수 있습니다. 층별 적층 제조의 기둥형 입자 구조.
여기에서 우리는 강력한 초음파 처리에 의한 구조적 수정을 담당하는 또 다른 메커니즘을 제안합니다. 응고 직후, 재료는 융점에 가까운 고온에 있고 매우 낮은 항복 응력을 갖습니다. 강한 초음파는 소성 유동이 뜨겁고 방금 응고된 재료의 입자 구조를 변경하도록 할 수 있습니다. 그러나 항복 응력의 온도 의존성에 대한 신뢰할 수 있는 실험 데이터는 \(T\lesssim 1150~\text {K}\)에서 사용할 수 있습니다(그림 8 참조). 용융점 근처에서 항복 응력 거동을 평가하기 위해 AISI 316 L 강과 유사한 Fe-Cr-Ni 조성의 s(MD) 시뮬레이션 항복 응력을 계산하기 위해 70, 71, 72, 73에 자세히 설명된 MD 전단 응력 완화 기술을 사용했습니다. 원자 간 상호 작용 계산을 위해 74의 EAM(Embedded Atomic Model)을 사용했습니다. MD 시뮬레이션은 LAMMPS 코드 75,76을 사용하여 수행되었습니다. MD 시뮬레이션의 세부 정보는 게시될 예정입니다 온도의 함수로서 항복 응력의 MD 계산 결과는 사용 가능한 실험 데이터 및 기타 평가와 함께 그림 8에 나와 있습니다.
AISI 등급 316 오스테나이트계 스테인리스강의 항복 응력 및 MD 시뮬레이션을 위한 모델 조성 대 온도. 참고 문헌의 실험 측정: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81 참조. (f)82는 레이저 보조 적층 가공 중 인라인 응력 측정에 대한 항복 응력-온도 의존성의 경험적 모델입니다. 이 연구에서 대규모 MD 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다. d는 결함이 없는 무한 단결정의 경우 \(\vartriangleleft\)로, Hall-Petch 관계 치수\(d = 50~\upmu \text {m}\)를 통해 평균 입자 크기를 고려한 유한 입자의 경우 \(\vartriangleright\)입니다.
\(T>1500~\text {K}\)에서 항복 응력이 \(40~\text {MPa}\) 아래로 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 반면에 레이저 생성 초음파 진폭이 \(40~\text {MPa}\)를 초과하는 것으로 예측됩니다(그림 4b 참조). 이는 방금 응고된 뜨거운 재료에서 소성 유동을 유도하기에 충분합니다.
SLM 동안 12Cr18Ni10Ti(AISI 321H) 오스테나이트 스테인리스강의 미세구조 형성은 복합 강도 변조 펄스 레이저 소스를 사용하여 실험적으로 조사되었습니다.
레이저 용융 구역의 입자 크기 감소는 1, 3 또는 5회 통과 후 연속적인 레이저 재용융으로 인해 발견되었습니다.
거시적 모델링은 초음파 변형이 응고 전면에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 영역의 추정 크기가 최대 \(1~\text {mm}\)임을 보여줍니다.
미세한 MD 모델은 AISI 316 오스테나이트 스테인리스 강의 항복 강도가 녹는점 근처에서 \(40~\text {MPa}\)로 크게 감소함을 보여줍니다.
얻은 결과는 복잡한 변조 레이저 가공을 사용하여 재료의 미세 구조를 제어하는 ​​방법을 제안하고 펄스 SLM 기술의 새로운 변형을 만들기 위한 기초 역할을 할 수 있습니다.
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