Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, vietne tiks rādīta bez stila un JavaScript.
Tiek piedāvāts jauns mehānisms, kura pamatā ir selektīva lāzera kausēšana, lai kontrolētu produktu mikrostruktūru ražošanas procesā. Mehānisms balstās uz augstas intensitātes ultraskaņas viļņu ģenerēšanu izkausētajā baseinā, izmantojot kompleksu intensitātes modulētu lāzera apstarošanu. Eksperimentālie pētījumi un skaitliskās simulācijas liecina, ka šis vadības mehānisms ir tehniski iespējams un to var efektīvi integrēt mūsdienu selektīvo lāzera kausēšanas iekārtu konstrukcijā.
Sarežģītas formas detaļu aditīvā ražošana (AM) pēdējās desmitgadēs ir ievērojami pieaudzis. Tomēr, neskatoties uz piedevu ražošanas procesu dažādību, tostarp selektīvo lāzerkausēšanu (SLM)1,2,3, tiešo lāzera metālu uzklāšanu4,5,6, elektronu staru kūstīšanu7,8 un citus9,10, daļām var būt defekti. Tas galvenokārt ir saistīts ar izkausētā baseina augsto sacietēšanas procesa īpatnējo termisko gradientu. sildīšanas ciklu kausēšanas un pārkausēšanas materiālos11, kas izraisa epitaksiālu graudu augšanu un ievērojamu porainību12,13.Rezultāti liecina, ka ir nepieciešams kontrolēt termiskos gradientus, dzesēšanas ātrumus un sakausējuma sastāvu vai pielietot papildu fiziskus triecienus caur dažādu īpašību ārējiem laukiem (piem., ultraskaņu), lai iegūtu smalkas līdzsvarotas graudu struktūras.
Daudzas publikācijas ir saistītas ar vibrācijas apstrādes ietekmi uz cietināšanas procesu tradicionālajos liešanas procesos14,15.Tomēr ārēja lauka pielietošana lielapjoma kausējumiem nerada vēlamo materiāla mikrostruktūru.Ja šķidrās fāzes tilpums ir mazs, situācija krasi mainās.Šajā gadījumā ārējais lauks būtiski ietekmē sacietēšanas procesu. ,20,21,22,23,24,25,26,27, loka maisīšana28 un svārstības29, pulsējošas plazmas loki30,31 un citas metodes32. Piestipriniet pie substrāta, izmantojot ārēju augstas intensitātes ultraskaņas avotu (pie 20 kHz). Ultraskaņas izraisītais paaugstinātas temperatūras sastāvs tiek attiecināts uz samazinātu ultraskaņas graudu zonu. kavitācijas ceļā radīt jaunus kristalītus.
Šajā darbā mēs pētījām iespēju mainīt austenīta nerūsējošā tērauda graudu struktūru, apstrādājot izkusušo baseinu ar skaņas viļņiem, ko rada pats kūstošais lāzers. Lāzera starojuma intensitātes modulācija, kas krīt uz gaismu absorbējošu vidi, rada ultraskaņas viļņus, kas izmaina esošās lāzera intensitātes modulācijas SLM eksperimentā. s šajā darbā tika veiktas uz nerūsējošā tērauda plāksnēm, kuru virsmas tika pakļautas intensitātes modulētam lāzera starojumam. Tātad tehniski tiek veikta lāzera virsmas apstrāde. Taču, ja šāda lāzerapstrāde tiek veikta katra slāņa virsmai, slāņa pa slāņa uzkrāšanās laikā tiek panākta ietekme uz visu tilpumu vai uz izvēlētām tilpuma daļām. Citiem vārdiem sakot, ja tiek konstruēta katra slāņa virsmas apstrāde ar lāzeru.
Turpretim ultraskaņas ragu ultraskaņas terapijā stāvoša skaņas viļņa ultraskaņas enerģija tiek sadalīta pa komponentu, savukārt lāzera izraisītā ultraskaņas intensitāte ir ļoti koncentrēta tuvu lāzera starojuma absorbcijas punktam. Sonotroda lietošana SLM pulvera slāņa saplūšanas iekārtā ir sarežģīta, jo pulvera slāņa augšējā virsma nedrīkst būt pakļauta stacionārajam lāzera starojumam. , akustiskais spriegums ir tuvu nullei un daļiņu ātrumam ir maksimālā amplitūda pa visu detaļas augšējo virsmu. Skaņas spiediens visā izkausētā baseinā nedrīkst pārsniegt 0,1% no maksimālā metināšanas galviņas radītā spiediena, jo ultraskaņas viļņu viļņa garums ar frekvenci 20 kHz nerūsējošajā tēraudā parasti ir mazāks par 0. 0,3~\teksts {mm}\).Tādēļ ultraskaņas ietekme uz kavitāciju var būt neliela.
Jāatzīmē, ka intensitātes modulēta lāzera starojuma izmantošana tiešā lāzera metālu uzklāšanā ir aktīva pētniecības joma35,36,37,38.
Lāzera starojuma termiskais efekts, kas krīt uz barotni, ir pamatā gandrīz visām lāzera tehnikām 39, 40 materiālu apstrādei, piemēram, griešanai41, metināšanai, rūdīšanai, urbšanai42, virsmu tīrīšanai, virsmu sakausēšanai, virsmas pulēšanai43 utt.Lāzera izgudrojums stimulēja jaunus materiālu apstrādes paņēmienus, un provizoriskie rezultāti ir apkopoti4, monogrāfijās4 un monogrāfijās4.
Jāņem vērā, ka jebkura nestacionāra iedarbība uz vidi, tai skaitā lāzera iedarbība uz absorbējošo vidi, rada tajā akustisko viļņu ierosmi ar lielāku vai mazāku efektivitāti.Sākotnēji galvenā uzmanība tika pievērsta viļņu ierosināšanai ar lāzeru šķidrumos un dažādiem skaņas termiskās ierosmes mehānismiem (termiskā izplešanās, iztvaikošana, fāzes pāreja, tilpuma maiņa,47, u.tml.,47,9. Daudzās monogrāfijas50, 51, 52 sniedz šī procesa teorētisko analīzi un tā iespējamos praktiskos pielietojumus.
Šie jautājumi pēc tam tika apspriesti dažādās konferencēs, un ultraskaņas lāzera ierosināšanai ir pielietojums gan lāzertehnoloģiju rūpniecībā53, gan medicīnā54. Līdz ar to var uzskatīt, ka ir izveidota procesa pamatkoncepcija, kurā impulsa lāzera gaisma iedarbojas uz absorbējošu vidi. Lāzera ultraskaņas pārbaude tiek izmantota SLM ražotu paraugu defektu noteikšanai55,56.
Lāzera ģenerēto triecienviļņu ietekme uz materiāliem ir lāzera triecienvilnošanas pamatā57,58,59, ko izmanto arī aditīvi ražotu detaļu virsmas apstrādei60.Tomēr lāzeršoka stiprināšana ir visefektīvākā uz nanosekundes lāzera impulsiem un mehāniski noslogotām virsmām (piem., ar šķidruma slāni)59, jo mehāniskā slodze palielina maksimālo spiedienu.
Tika veikti eksperimenti, lai izpētītu dažādu fizikālo lauku iespējamo ietekmi uz sacietējušu materiālu mikrostruktūru. Eksperimentālā iestatījuma funkcionālā diagramma parādīta 1. attēlā. Impulsējošais Nd:YAG cietvielu lāzers, kas darbojas brīvas darbības režīmā (impulsa ilgums \(\tau _L \sim 150~\upmu \) tika izmantota neitrāla pulsa sērija un lāzera blīvums. sadalītāja plākšņu sistēma.Atkarībā no neitrāla blīvuma filtru kombinācijas, mērķa impulsa enerģija svārstās no \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) līdz \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) .No staru sadalītāja atstarotais lāzera stars tiek padots ar vienlaicīgu fotometrisko un garo datu ieguvi. laiks, kas pārsniedz \(1~\text {ms}\)), tiek izmantoti, lai noteiktu incidentu uz mērķi un atstarošanos no tā, un divi jaudas mērītāji (fotodiodes ar īsu reakcijas laiku\(<10~\teksts {ns}\)), lai noteiktu krītošo un atstaroto optisko jaudu. Kalorimetri un jaudas mērītāji tika kalibrēti, lai iegūtu vērtības absolūtās vienībās, izmantojot Generālmateriālu detektoru 1 DEOc-eletric3H2D. uzstādīts parauga vietā. Fokusējiet staru uz mērķi, izmantojot objektīvu (pretatstarojuma pārklājums pie \(1,06 \upmu \text {m}\), fokusa attālums \(160~\text {mm}\)) un stara vidukli mērķa virsmā 60– \(100~\upmu\text {m}).
Eksperimentālās iekārtas funkcionālā shematiskā diagramma: 1-lāzers;2-lāzera stars;3-neitrāla blīvuma filtrs;4-sinhronizēta fotodiode;5-staru sadalītājs;6-diafragma;7-krītošā stara kalorimetrs;8 – atstarotā stara kalorimetrs;9 – krītošā stara jaudas mērītājs;10 – atstarotā stara jaudas mērītājs;11 – fokusēšanas lēca;12 – spogulis;13 – paraugs;14 – platjoslas pjezoelektriskais devējs;15 – 2D pārveidotājs;16 – pozicionēšanas mikrokontrolleris;17 – sinhronizācijas bloks;18 – daudzkanālu digitālās iegūšanas sistēma ar dažādiem diskretizācijas ātrumiem;19 – personālais dators.
Ultraskaņas apstrāde tiek veikta šādi.Lāzers darbojas brīvas darbības režīmā;tāpēc lāzera impulsa ilgums ir \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), kas sastāv no vairākiem aptuveni \(1.5~\upmu \text {s } \) ilgumiem. Lāzerimpulsa laika forma un tā spektrs sastāv no zemas frekvences modulācijas, aptuveni 0 vidējās frekvences ar apveltījumu 7 apvidus. teksts {MHz}\), kā parādīts 2. attēlā.- Frekvences apvalks nodrošina materiāla karsēšanu un sekojošu kušanu un iztvaikošanu, savukārt augstfrekvences komponents nodrošina ultraskaņas vibrācijas fotoakustiskā efekta dēļ. Lāzera ģenerētā ultraskaņas impulsa viļņu formu galvenokārt nosaka lāzera impulsa intensitātes laika forma.Tas ir no \(7~\text {kHz}\) līdz \ (2~\text {MHz}\), un centrālā frekvence ir \(~ 0,7~\text {MHz}\). Fotoakustiskā efekta akustiskie impulsi tika reģistrēti, izmantojot platjoslas pjezoelektriskos devējus, kas izgatavoti no polivinilidēna. lāzera impulsi ir raksturīgi brīvas darbības režīma lāzeram.
Lāzera impulsa intensitātes (a) un skaņas ātruma laika sadalījums parauga aizmugurējā virsmā (b), lāzera impulsa (c) un ultraskaņas impulsa (d) spektri vidēji 300 lāzera impulsiem (sarkanā līkne) vienam lāzera impulsam (zilā līkne).
Var skaidri atšķirt akustiskās apstrādes zemfrekvences un augstfrekvences komponentus, kas atbilst attiecīgi lāzera impulsa un augstfrekvences modulācijas zemfrekvences apvalkam.Lāzera impulsa apvalka radīto akustisko viļņu viļņu garumi pārsniedz \(40~\text {cm}\);tāpēc sagaidāma akustiskā signāla platjoslas augstfrekvences komponentu galvenā ietekme uz mikrostruktūru.
SLM fizikālie procesi ir sarežģīti un notiek vienlaicīgi dažādos telpiskos un laika mērogos.Tādēļ SLM teorētiskajai analīzei vispiemērotākās ir daudzpakāpju metodes. Matemātiskajiem modeļiem sākotnēji jābūt daudzfizikāliem. Daudzfāzu vides “cietā-šķidruma kausējuma” mehānika un termofizika, kas mijiedarbojas ar SLM raksturojošos raksturlielumus, ir efektīvas siltuma slodzes var sekot inertās gāzes atmosfērā.
Sildīšanas un dzesēšanas ātrums līdz \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ lokālas lāzera apstarošanas dēļ ar jaudas blīvumu līdz \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Kušanas-sacietēšanas cikls ilgst no 1 līdz \(10~\teksts {ms}\), kas veicina ātru kušanas zonas sacietēšanu dzesēšanas laikā.
Straujas parauga virsmas uzkarsēšanas rezultātā virsmas slānī veidojas lieli termoelastīgie spriegumi. Pietiekama (līdz 20%) pulvera slāņa daļa tiek spēcīgi iztvaicēta63, kā rezultātā, reaģējot uz lāzera ablāciju, uz virsmas tiek radīta papildu spiediena slodze. Līdz ar to inducētā deformācija būtiski izkropļo detaļas ģeometriju, īpaši uzkarsējot strukturālos elementus. deformācijas viļņi, kas izplatās no virsmas uz substrātu.Lai iegūtu precīzus kvantitatīvus datus par lokālo spriegumu un deformācijas sadalījumu, tiek veikta ar siltuma un masas pārnesi konjugētās elastīgās deformācijas problēmas mezoskopiskā simulācija.
Modeļa regulējošie vienādojumi ietver (1) nestabilas siltuma pārneses vienādojumi, kur siltumvadītspēja ir atkarīga no fāzes stāvokļa (pulveris, kausējums, polikristālisks) un temperatūras, (2) elastīgās deformācijas svārstības pēc kontinuuma ablācijas un termoelastīgās izplešanās vienādojums. Robežvērtības problēma ir noteikta, izmantojot modulētu siltuma apmaiņas eksperimentālos apstākļus. iztvaikošanas plūsma.Masas plūsma tiek noteikta, pamatojoties uz iztvaikojošā materiāla piesātinātā tvaika spiediena aprēķinu.Elastoplastisko spriegumu un deformācijas attiecību izmanto, ja termoelastīgais spriegums ir proporcionāls temperatūras starpībai.Nominālajai jaudai \(300~\text {W}\), frekvence \(10^5~\teksts {Hz}, intermitts 10 \teksts \ koeficients } } no faktiskā stara diametra.
3. attēlā parādīti izkausētās zonas skaitliskās simulācijas rezultāti, izmantojot makroskopisku matemātisko modeli. Sapludināšanas zonas diametrs ir \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) rādiuss) un \(40~\upmu \text {m}\) teksts rāda 0 virsmas temperatūru, kā arī 0 laika {m}\) dziļumu. {K}\) pulsa modulācijas augstā intermitējošā faktora dēļ. Sildīšanas \(V_h\) un dzesēšanas \(V_c\) ātrums ir attiecīgi \(10^7\) un \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Šīs vērtības labi sakrīt ar mūsu iepriekšējo analīzi (V) c\h\4. izraisa virsmas slāņa strauju pārkaršanu, kur siltuma vadīšana uz pamatni nav pietiekama, lai noņemtu siltumu.Tāpēc pie \(t=26~\upmu \text {s}\) virsmas temperatūra sasniedz maksimumu līdz \(4800~\text {K}\).Materiāla enerģiska iztvaikošana var izraisīt parauga virsmas pārmērīgu spiedienu un nolobīšanos.
Viena lāzerimpulsa rūdīšanas kušanas zonas skaitliskās simulācijas rezultāti uz 316L parauga plāksnes. Laiks no impulsa sākuma līdz izkausētā baseina dziļumam, kas sasniedz maksimālo vērtību, ir \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\teksts {K}\) attēlo šķidruma un cietās fāzes līnijas. tecēšanas spriegums, kas aprēķināts kā temperatūras funkcija nākamajā sadaļā. Līdz ar to apgabalā starp divām izolīnām (izotermām\(T=T_L\) un izobārēm\(\sigma =\sigma _V(T)\)) cietā fāze tiek pakļauta spēcīgai mehāniskai slodzei , kas var izraisīt izmaiņas mikrostruktūrā.
Šis efekts ir sīkāk izskaidrots 4.a attēlā, kur spiediena līmenis izkausētajā zonā ir attēlots kā laika funkcija un attālums no virsmas. Pirmkārt, spiediena uzvedība ir saistīta ar lāzera impulsa intensitātes modulāciju, kas aprakstīta iepriekš 2. attēlā. Maksimālais spiediens \text{s}\) aptuveni \(10~\text {MPa}\) tika novērots aptuveni pie lokālā spiediena pieauguma \text{s}\). kontrolpunktam ir tādas pašas svārstību īpašības kā \(500~\text {kHz}\) frekvencei. Tas nozīmē, ka ultraskaņas spiediena viļņi tiek ģenerēti uz virsmas un pēc tam izplatās substrātā.
Aprēķinātie deformācijas zonas raksturlielumi pie kušanas zonas ir parādīti 4.b attēlā. Lāzera ablācija un termoelastīgais spriegums rada elastīgas deformācijas viļņus, kas izplatās substrātā. Kā redzams no attēla, ir divas sprieguma ģenerēšanas stadijas. Pirmajā \(t < 40~\upmu \text\textes {s}\) modulācijas fāzē ar sprieguma pieaugumu līdz tekstam {s}. virsmas spiediens.Šis spriegums rodas lāzera ablācijas dēļ, un kontrolpunktos netika novērots termoelastīgais spriegums, jo sākotnējā siltuma ietekmētā zona bija pārāk maza.Kad siltums tiek izkliedēts substrātā, kontroles punkts rada augstu termoelastīgo spriegumu virs \(40~\text {MPa}\).
Iegūtie modulētie spriegumu līmeņi būtiski ietekmē cieta-šķidruma saskarni un var būt kontroles mehānisms, kas regulē sacietēšanas ceļu. Deformācijas zonas izmērs ir 2 līdz 3 reizes lielāks nekā kušanas zonai. Kā parādīts 3. attēlā, tiek salīdzināta kušanas izotermas atrašanās vieta un sprieguma līmenis, kas vienāds ar tecēšanas spriegumu. Tas nozīmē, ka impulsa lāzera apstarošana ar efektīvu mehānisko apstarošanu starp \0 diametru nodrošina lokālu lielu \0 diametru. mu \text {m}\) atkarībā no momentānā laika.
Tāpēc impulsa lāzera atlaidināšanas kompleksā modulācija rada ultraskaņas efektu. Mikrostruktūras izvēles ceļš ir atšķirīgs, ja salīdzina ar SLM bez ultraskaņas slodzes. Deformēti nestabili apgabali izraisa periodiskus saspiešanas un stiepšanās ciklus cietajā fāzē. Līdz ar to jaunu graudu robežu un apakšgraudu robežu veidošanās var būt iespējama. nodrošināt iespēju izstrādāt impulsu modulācijas izraisītu ultraskaņas vadītu SLM prototipu. Šajā gadījumā citur izmantoto pjezoelektrisko induktors 26 var izslēgt.
(a) Spiediens kā laika funkcija, kas aprēķināts dažādos attālumos no virsmas 0, 20 un \(40~\upmu \text {m}\) pa simetrijas asi. (b) No laika atkarīgs fon Mises spriegums, kas aprēķināts cietā matricā 70, 120 un \(170~\upmu) \text the parauga virsmas.
Eksperimenti tika veikti ar AISI 321H nerūsējošā tērauda plāksnēm ar izmēriem \(20\reizes 20\reizes 5~\teksts {mm}\).Pēc katra lāzera impulsa plāksne kustas \(50~\upmu \text {m}\), un lāzera stara viduklis uz mērķa virsmas tiek veikts aptuveni no {up} \(100 am) līdz pieci \\ teksts. sliežu ceļu, lai izraisītu apstrādātā materiāla pārkausēšanu graudu rafinēšanai.Visos gadījumos pārkausētā zona tika apstrādāta ar ultraskaņu atkarībā no lāzera starojuma svārstību komponentes.Tā rezultātā tiek samazināts vidējais graudu laukums vairāk nekā 5 reizes. 5. attēlā parādīts, kā mainās lāzera izkausētā apgabala mikrostruktūra līdz ar nākamo pārkausēšanas ciklu skaitu (pārkausēšanas ciklu skaits).
Apakšlaukumi (a,d,g,j) un (b,e,h,k) – lāzerkausētu apgabalu mikrostruktūra, apakšparauglaukumi (c,f,i,l) – krāsaino graudu platību sadalījums.Ēnojums apzīmē histogrammas aprēķināšanai izmantotās daļiņas. Krāsas atbilst graudu apgabaliem (skatiet krāsu joslu histogrammas augšpusē. Apakšgrafiki (ac) atbilst neapstrādātam nerūsējošajam tēraudam, bet apakšgrafiki (df), (gi), (jl) atbilst 1, 3 un 5 pārkausējumiem.
Tā kā lāzera impulsa enerģija nemainās starp nākamajiem piegājieniem, izkausētās zonas dziļums ir vienāds. Tādējādi nākamais kanāls pilnībā “nosedz” iepriekšējo. Tomēr histogramma parāda, ka vidējais un vidējais graudu laukums samazinās, palielinoties gājienu skaitam. Tas var norādīt, ka lāzers iedarbojas uz substrātu, nevis uz kausējumu.
Graudu rafinēšanu var izraisīt izkausētā baseina strauja atdzišana65. Tika veikts vēl viens eksperimentu kopums, kurā nerūsējošā tērauda plākšņu (321H un 316L) virsmas tika pakļautas nepārtraukta viļņa lāzera starojuma iedarbībai atmosfērā (6. att.) un vakuumā (7. att.). Vidējā lāzera jauda (300 W, attiecīgi eksperimenta dziļums un 10 AG) ir tuvu izkausētam baseinam. lāzers brīvas darbības režīmā.Tomēr tika novērota tipiska kolonnu struktūra.
Nepārtraukta viļņa lāzera lāzerkausētā apgabala mikrostruktūra (300 W nemainīga jauda, ​​200 mm/s skenēšanas ātrums, AISI 321H nerūsējošais tērauds).
(a) Mikrostruktūra un (b) elektronu atpakaļizkliedes difrakcijas attēli no lāzera izkausētā apgabala vakuumā ar nepārtrauktu viļņu lāzeru (100 W nemainīga jauda, ​​200 mm/s skenēšanas ātrums, AISI 316L nerūsējošais tērauds)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Līdz ar to ir skaidri parādīts, ka lāzera impulsa intensitātes kompleksai modulācijai ir būtiska ietekme uz iegūto mikrostruktūru.Uzskatām, ka šim efektam ir mehānisks raksturs un tas rodas ultraskaņas vibrāciju ģenerēšanas dēļ, kas izplatās no kausējuma apstarotās virsmas dziļi paraugā. Līdzīgi rezultāti tika iegūti 13., 26., 34., 66. un 66., augstelektroinstrodes, izmantojot tik augstas elektroinstalācijas dažādu materiālu, tostarp Ti-6Al-4V sakausējuma 26 un nerūsējošā tērauda 34 rezultāts.Iespējamais mehānisms tiek spekulēts šādi.Intensīva ultraskaņa var izraisīt akustisku kavitāciju, kā to parāda ultraātrā in situ sinhrotrona rentgena attēlveidošana.Kavitācijas burbuļu sabrukšana savukārt rada {molenes materiāla triecienviļņus\0,kura tekstā\1MP) 9. Šādi triecienviļņi var būt pietiekami spēcīgi, lai veicinātu kritiska izmēra cietās fāzes kodolu veidošanos beztaras šķidrumos, izjaucot slāņa pa slāņa piedevu ražošanas tipisko kolonnu graudu struktūru.
Šeit mēs piedāvājam citu mehānismu, kas ir atbildīgs par struktūras modifikācijām, izmantojot intensīvu apstrādi ar ultraskaņu. Tūlīt pēc sacietēšanas materiāls atrodas augstā temperatūrā, kas ir tuvu kušanas temperatūrai, un tam ir ārkārtīgi zems tecēšanas spriegums. Intensīvi ultraskaņas viļņi var izraisīt plastmasas plūsmu, lai mainītu karstā, tikko sacietējušā materiāla graudu struktūru. Tomēr ticami eksperimentālie dati par tecēšanas sprieguma atkarību no temperatūras ir pieejami {1T \text 8(attēls \teksts 1K) ).Tāpēc, lai pārbaudītu šo hipotēzi, mēs veicām molekulārās dinamikas (MD) simulācijas Fe-Cr-Ni sastāvam, kas ir līdzīgs AISI 316 L tēraudam, lai novērtētu tecēšanas sprieguma uzvedību kušanas punkta tuvumā. Lai aprēķinātu tecēšanas spriegumu, mēs izmantojām MD bīdes sprieguma relaksācijas paņēmienu, kas detalizēti aprakstīts 70, 71, 72. 74.MD simulācijas tika veiktas, izmantojot LAMMPS kodus 75,76. Sīkāka informācija par MD simulācijām tiks publicēta citur. MD aprēķinu rezultāti tecēšanas spriegumam kā temperatūras funkcijai ir parādīti 8. attēlā kopā ar pieejamajiem eksperimentālajiem datiem un citiem novērtējumiem77,78,79,80,81,82.
AISI 316. klases austenīta nerūsējošā tērauda ražības spriegums un modeļa sastāvs pret temperatūru MD simulācijām.Eksperimentālie mērījumi no atsaucēm: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.skatiet. (f) 82 ir ražošanas sprieguma empīriskās atkarības sprieguma-temperatūras mērījumu empīriskais modelis. Liela mēroga MD simulāciju rezultāti šajā pētījumā ir apzīmēti kā \(\vartriangleft\) bezdefektu bezgalīgam monokristālam un \(\vartriangleright\) ierobežotiem graudiem, ņemot vērā vidējo graudu izmēru, izmantojot Halla-Peča relāciju Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}).
Redzams, ka pie \(T>1500~\text {K}\) tecēšanas spriegums nokrītas zem \(40~\text {MPa}\). No otras puses, aprēķini paredz, ka lāzera ģenerētā ultraskaņas amplitūda pārsniedz \(40~\text {MPa}\) (sk. 4.b att.), kas ir pietiekama, lai karstā materiāla plastmasas plūsmu izraisītu tikko cieta.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenīta nerūsējošā tērauda mikrostruktūras veidošanās SLM laikā tika eksperimentāli pētīta, izmantojot kompleksu intensitātes modulētu impulsa lāzera avotu.
Graudu izmēra samazināšanās lāzera kausēšanas zonā tika konstatēta nepārtrauktas lāzera pārkausēšanas dēļ pēc 1, 3 vai 5 piegājieniem.
Makroskopiskā modelēšana parāda, ka aptuvenais apgabala izmērs, kurā ultraskaņas deformācija var pozitīvi ietekmēt sacietēšanas fronti, ir līdz \(1~\text {mm}\).
Mikroskopiskais MD modelis parāda, ka AISI 316 austenīta nerūsējošā tērauda tecēšanas robeža ir ievērojami samazināta līdz \(40~\text {MPa}\) tuvu kušanas temperatūrai.
Iegūtie rezultāti liecina par materiālu mikrostruktūras kontroles metodi, izmantojot kompleksu modulētu lāzerapstrādi un varētu kalpot par pamatu jaunu impulsu SLM tehnikas modifikāciju radīšanai.
Liu, Y. et al.In situ TiB2/AlSi10Mg kompozītu mikrostrukturālā evolūcija un mehāniskās īpašības ar lāzera selektīvo kausēšanu [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Pārkristalizācijas graudu robežu inženierija 316L nerūsējošā tērauda lāzera selektīvai kausēšanai [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Sviestmaižu mikrostruktūru ar uzlabotu elastību in situ izstrāde ar lāzera izkausētu titāna sakausējumu atkārtotu uzsildīšanu.zinātne.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Ti-6Al-4V detaļu aditīvā ražošana ar metālu lāzerpārklāšanu (LMD): process, mikrostruktūra un mehāniskās īpašības.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Microstructural modeling of laser metal pulverdirected energy deposition of Alloy 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametriskā neitronu Brega malu attēlveidošanas pētījums par aditīvi ražotiem paraugiem, kas apstrādāti ar lāzera triecienu Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al.Ti-6Al-4V gradienta mikrostruktūra un mehāniskās īpašības, kas aditīvi izgatavotas, kausējot elektronu starā. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).