Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, ви препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја прикажеме страницата без стил и JavaScript.
Се предлага нов механизам заснован на селективно ласерско топење за контрола на микроструктурата на производите во производниот процес. Механизмот се потпира на генерирање на ултразвучни бранови со висок интензитет во стопениот базен со сложено ласерско зрачење модулирано со интензитет. .
Производството на адитиви (AM) на делови со сложена форма значително порасна во последниве децении. Сепак, и покрај разновидните процеси на производство на адитиви, вклучително селективно ласерско топење (SLM)1,2,3, директно таложење на ласерски метал4,5,6, топење на електронски сноп7,8 и други9,10, овој процес може главно да се должи на високата специфичност на процесот на молтење. термички градиенти, високи стапки на ладење и сложеност на циклусите на загревање во материјалите што се топат и повторно се топат11, што доведува до епитаксијален раст на зрната и значителна порозност12,13.Резултатите покажуваат дека е неопходно да се контролираат термичките градиенти, стапките на ладење и составот на легура или да се применат дополнителни физички удари преку надворешни полиња со различни својства (на пр. ултразвук) за да се постигнат фини изедначени зрнести структури.
Бројни публикации се занимаваат со ефектот на обработката со вибрации врз процесот на зацврстување во конвенционалните процеси на леење14,15. Сепак, примената на надворешно поле на топените топчиња не ја произведува саканата микроструктура на материјалот. Доколку волуменот на течната фаза е мал, ситуацијата драматично се менува. ,19,20,21,22,23,24,25,26,27, лачно мешање28 и осцилација29, пулсирани плазма лакови30,31 и други методи32. Прикачете се на подлогата користејќи надворешен извор на ултразвук со висок интензитет (на 20 kHz, ултразвучната зона е намалена во рефлексијата на ултразвукот). до намалениот температурен градиент и подобрување на ултразвукот за да се генерираат нови кристалити преку кавитација.
Во оваа работа, ја истражувавме можноста за менување на структурата на зрната на аустенитичните нерѓосувачки челици со сончање на стопениот базен со звучни бранови генерирани од самиот ласер што се топи. Модулацијата на интензитетот на ласерското зрачење што спаѓа на медиумот што апсорбира светлина резултира со генерирање на ултразвучни бранови, кои лесно ја менуваат микроструктурата на ласерската интеграција на постојниот материјал. 3D печатачи. Експериментите во оваа работа беа изведени на плочи од не'рѓосувачки челик чии површини беа изложени на ласерско зрачење модулирано со интензитет. Така, технички е направена ласерска површинска обработка. Меѓутоа, ако се изврши таков ласерски третман на површината на секој слој, за време на наталожувањето слој по слој, ефектите на целиот волумен или на другиот дел од површинскиот слој се постигнуваат ефекти на целиот волумен или на другиот дел од површинскиот слој. слојот е еквивалентен на „ласерски волуменски третман“.
Додека кај ултразвучната терапија базирана на рог, ултразвучната енергија на стоечкиот звучен бран се дистрибуира низ компонентата, додека ласерски индуцираниот ултразвучен интензитет е високо концентриран во близина на точката каде што се апсорбира ласерското зрачење. каличен стрес на горната површина на делот. Затоа, акустичниот стрес е блиску до нула и брзината на честичките има максимална амплитуда на целата горната површина на делот. Звучниот притисок во целиот стопен базен не може да надмине 0,1% од максималниот притисок генериран од главата за заварување, бидејќи брановата должина на ултразвучните бранови со фреквенција на ултразвучни челик е . Длабочината е обично помала од \(\sim 0,3~\text {mm}\).Затоа, ефектот на ултразвукот врз кавитација може да биде мал.
Треба да се забележи дека употребата на ласерско зрачење модулирано со интензитет при директно таложење на ласерски метал е активна област на истражување35,36,37,38.
Термичкиот ефект на ласерското зрачење што спаѓа врз медиумот е основа за речиси сите ласерски техники 39, 40 за обработка на материјали, како што се сечење41, заварување, стврднување, дупчење42, чистење на површини, легирање на површини, полирање на површини43 итн.
Треба да се напомене дека секое нестационарно дејство на медиумот, вклучително и дејството на лазирање врз абсорбирачкиот медиум, резултира со побудување на акустични бранови во него со поголема или помала ефикасност. Првично, главниот фокус беше на ласерското возбудување на брановите во течности и на различните механизми за термичко возбудување на звукот (термичка експанзија, промена на испарување, 4, фаза на испарување, итн.4. Бројни монографии50, 51, 52 даваат теоретски анализи на овој процес и неговите можни практични примени.
Овие прашања последователно беа дискутирани на различни конференции, а ласерското возбудување на ултразвук има примена и во индустриските примени на ласерската технологија53 и во медицината54. Затоа, може да се смета дека е воспоставен основниот концепт на процесот со кој импулсната ласерска светлина делува на абсорбирачки медиум.
Ефектот на ласерски генерирани ударни бранови врз материјалите е основата на ласерскиот удар 57,58,59, кој исто така се користи за површинска обработка на адитивно произведени делови60. Сепак, зајакнувањето на ласерски удар е најефективно на наносекундните ласерски импулси и механички оптоварени површини (на пр., со слој на течност што го зголемува механичкиот притисок)59.
Беа спроведени експерименти за да се истражат можните ефекти од различни физички полиња врз микроструктурата на зацврстените материјали. Функционалниот дијаграм на експерименталното поставување е прикажан на слика 1. Импулсен Nd:YAG ласер со цврста состојба што работи во режим на слободно движење (времетраење на пулсот \(\tau _L \sim 150~\upmu \t) филтри и систем за разделување на зракот. Во зависност од комбинацијата на филтри со неутрална густина, пулсната енергија на целта варира од \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) до \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) . (фотодиоди со долго време на одговор што надминува \(1~\text {ms}\)) се користат за одредување на инцидентот до целта и рефлектирано од целта, а два мерача на моќност (фотодиоди со кратко време на одговор\(<10~\text {ns}\)) за одредување на инцидентот и рефлектираната оптичка моќност. 2-D0 и диелектрично огледало поставено на локацијата на примерокот. Фокусирајте го зракот на целта со помош на леќа (противрефлексна обвивка на \(1,06 \upmu \text {m}\), фокусна должина \(160~\text {mm}\)) и половината на зракот на целната површина 60~\(up).
Функционален шематски дијаграм на експерименталното поставување: 1-ласер;2 - ласерски зрак;3-филтер за неутрална густина;4-синхронизирана фотодиода;5 - разделувач на зрак;6 - дијафрагма;7-калориметар на упадниот зрак;8 – калориметар на рефлектираниот зрак;9 – мерач на моќност на упадниот зрак;10 – мерач на моќност на рефлектираниот зрак;11 – објектив за фокусирање;12 – огледало;13 – примерок;14 – широкопојасен пиезоелектричен трансдуцер;15 – 2D конвертор;16 – микроконтролер за позиционирање;17 – единица за синхронизација;18 – повеќеканален дигитален систем за аквизиција со различни стапки на земање примероци;19 – персонален компјутер.
Третманот со ултразвук се изведува на следниов начин. Ласерот работи во режим на слободно движење;затоа, времетраењето на ласерскиот пулс е \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), кое се состои од повеќекратно времетраење од приближно \(1,5~\upmu \text {s } \) секое. Временскиот облик на ласерскиот пулс и неговиот спектар се состојат од ниска фреквентна обвивка, со просечна фреквенција од околу 7 М. Hz}\), како што е прикажано на слика 2.- Обвивката на фреквенцијата обезбедува загревање и последователно топење и испарување на материјалот, додека високофреквентната компонента ги обезбедува ултразвучните вибрации поради фотоакустичниот ефект.Тоа е од \(7~\text {kHz}\) до \ (2~\text {MHz}\), а централната фреквенција е \(~ 0,7~\text {MHz}\). Акустичните пулсирања поради фотоакустичниот ефект се снимени со користење на широкопојасен пиезоелектричен трансдуктори. треба да се забележи дека обликот на ласерските импулси е типичен за ласерот со режим на слободно движење.
Временската дистрибуција на интензитетот на ласерскиот пулс (а) и брзината на звукот на задната површина на примерокот (б), спектрите на ласерскиот импулс (в) и ултразвучниот пулс (г) во просек изнесуваат над 300 ласерски импулси (црвена крива) за еден ласерски пулс (сина крива).
Можеме јасно да ги разликуваме нискофреквентните и високофреквентните компоненти на акустичниот третман што одговараат на обвивката со ниска фреквенција на ласерскиот пулс и високата фреквентна модулација, соодветно.затоа се очекува главниот ефект на широкопојасните високофреквентни компоненти на акустичниот сигнал врз микроструктурата.
Физичките процеси во SLM се сложени и се случуваат истовремено на различни просторни и временски размери. Затоа, методите со повеќе размери се најпогодни за теоретска анализа на SLM. SLM се како што следува.
Стапки на греење и ладење до \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ поради локализирано ласерско зрачење со густина на моќност до \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Циклусот на топење-зацврстување трае помеѓу 1 и \(10~\text {ms}\), што придонесува за брзо зацврстување на зоната на топење за време на ладењето.
Брзото загревање на површината на примерокот резултира со формирање на високи термоеластични напрегања во површинскиот слој. Доволно (до 20%) дел од слојот во прав е силно испаруван63, што резултира со дополнително оптоварување со притисок на површината како одговор на ласерската аблација. Сед ласерското жарење резултира со генерирање на ултразвучни бранови на напрегање кои се шират од површината до подлогата. Со цел да се добијат точни квантитативни податоци за локалната дистрибуција на напрегање и деформација, изведена е мезоскопска симулација на проблемот со еластичната деформација конјугиран со пренос на топлина и маса.
Управувачките равенки на моделот вклучуваат (1) равенки за нестабилен пренос на топлина каде што топлинската спроводливост зависи од фазната состојба (прав, топење, поликристална) и температурата, (2) флуктуации во еластичната деформација по континуирана аблација и равенка за термоеластична експанзија. Граничната вредност на проблемот се определува со експериментални услови за ладење на површината. спроводлива размена на топлина и испарувачки флукс. Масовниот флукс е дефиниран врз основа на пресметката на притисокот на заситената пареа на материјалот што испарува. Врската еластопластичен напон-напрегање се користи каде што термоеластичниот напон е пропорционален на температурната разлика. (200~\upmu \text {m}\ ) од ефективниот дијаметар на зракот.
Слика 3 ги прикажува резултатите од нумеричката симулација на стопената зона со помош на макроскопски математички модел. Дијаметарот на зоната на фузија е \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) радиус) и \(40~\upmu \текстуалното време ја покажува локалната температура како што варира времето за десимулација {0. 0~\text {K}\) поради високиот интермитентен фактор на пулсната модулација. Стапките на загревање \(V_h\) и ладење \(V_c\) се од редот на \(10^7\) и \(10^6~\text {K}/\text {s}\), соодветно. Овие анализи се добри во редоследот на нашата анализа. и \(V_c\) резултира со брзо прегревање на површинскиот слој, каде што топлинската спроводливост до подлогата е недоволна за да се отстрани топлината. Затоа, при \(t=26~\upmu \text {s}\) температурата на површината достигнува врвови до \(4800~\text {K}\).
Резултати од нумеричка симулација на зоната на топење на жарење со единечен ласерски импулс на плочата за примерок од 316L. Времето од почетокот на пулсот до длабочината на растопениот базен што ја достигнува максималната вредност е \(180~\upmu\text {s}\). жолтите линии) одговараат на напрегањето пресметува како функција од температурата во следниот дел. Затоа, во доменот помеѓу двете изолини (изотерми\(T=T_L\) и изобари\(\сигма =\сигма _V(T)\)), цврстата фаза е подложена на силни механички оптоварувања, што може да доведе до промени во микроструктурата.
Овој ефект е дополнително објаснет на слика 4а, каде што нивото на притисок во стопената зона е прикажано како функција на времето и растојанието од површината. Прво, однесувањето на притисокот е поврзано со модулацијата на интензитетот на ласерскиот пулс опишан на Слика 2 погоре. туцијата на локалниот притисок на контролната точка ги има истите осцилации како и фреквенцијата на \(500~\text {kHz}\).
Пресметаните карактеристики на зоната на деформација во близина на зоната на топење се прикажани на сл. 4б. Ласерската аблација и термоеластичниот напон генерираат еластични деформациски бранови кои се шират во подлогата. Како што може да се види од сликата, постојат две фази на создавање напрегање. Во првата фаза на \(t < 40~\upmu) напонот \(t < 40~\upmu\) со \(t < 40~\upmu) напрегање на \(t < 40~\upmu\text) , со погрешно зголемување на текстот модулација слична на површинскиот притисок. Овој стрес се јавува поради ласерска аблација и не е забележан термоеластичен стрес во контролните точки бидејќи почетната зона погодена од топлина беше премногу мала. Кога топлината се троши во подлогата, контролната точка генерира висок термоеластичен стрес над \(40~\text {MPa}\).
Добиените модулирани нивоа на напрегање имаат значително влијание врз интерфејсот цврсто-течност и може да бидат контролниот механизам што ја регулира патеката на зацврстување. Големината на зоната на деформација е 2 до 3 пати поголема од онаа на зоната на топење. Како што е прикажано на слика 3, локацијата на изотермата на топење и нивото на напрегање еднакво на подносливиот напон се споредуваат со високиот ефектен напон на подигање. дијаметар помеѓу 300 и \(800~\upmu \text {m}\) во зависност од моменталното време.
Затоа, сложената модулација на импулсното ласерско жарење доведува до ултразвучен ефект. Патеката за избор на микроструктура е различна ако се спореди со SLM без ултразвучно оптоварување. Деформираните нестабилни региони доведуваат до периодични циклуси на компресија и истегнување во цврстата фаза. Така, формирањето на нови граници на зрната. , како што е прикажано подолу.
(а) Притисок како функција на времето, пресметан на различни растојанија од површината 0, 20 и \(40~\upmu \text {m}\) долж оската на симетријата.
Експериментите беа изведени на плочи од не'рѓосувачки челик AISI 321H со димензии \(20\пати 20\пати 5~\text {mm}\).По секој ласерски пулс, плочата се движи \(50~\upmu \text {m}\), а половината на ласерскиот зрак на целната површина е околу \\(10000000000). по истата патека за да се поттикне повторно топење на обработениот материјал за префинетост на зрната. Во сите случаи, претопената зона беше звучна, во зависност од осцилаторната компонента на ласерското зрачење. Ова резултира со повеќе од 5 пати намалување на просечната површина на зрната. Слика 5 покажува како микроструктурата на ласерски топениот регион се менува со бројот на потциклусите на топење.
Парцели (a,d,g,j) и (b,e,h,k) – микроструктура на ласерски стопени региони, потпарци (c,f,i,l) – распределба на површината на обоените зрна.Засенчувањето ги претставува честичките што се користат за пресметување на хистограмот. Боите одговараат на областите на зрната (видете ја лентата за боја на врвот на хистограмот. Под-парцелите (ac) одговараат на нетретираниот нерѓосувачки челик, а потпловите (df), (gi), (jl) одговараат на 1, 3 и 5 претопувања.
Бидејќи енергијата на пулсот на ласерот не се менува помеѓу следните премини, длабочината на стопената зона е иста. Така, последователниот канал целосно го „покрива“ претходниот. Сепак, хистограмот покажува дека средната и средната површина на зрната се намалуваат со зголемување на бројот на премини. Ова може да укаже дека ласерот дејствува на подлогата наместо на супстратот.
Префинетоста на зрната може да биде предизвикана од брзото ладење на стопениот базен65. Беше изведен уште еден сет на експерименти во кои површините на плочите од не'рѓосувачки челик (321H и 316L) беа изложени на континуирано браново ласерско зрачење во атмосферата (слика 6) и вакуум (сл. 7). Просечната ласерска моќност се приближно 300 W. резултати од Nd:YAG ласерот во режим на слободно трчање. Сепак, беше забележана типична колонообразна структура.
Микроструктура на ласерски топениот регион на ласер со континуиран бран (300 W постојана моќност, брзина на скенирање 200 mm/s, нерѓосувачки челик AISI 321H).
(а) Микроструктура и (б) дифракциски слики од повратно расејување на електрони на ласерски топениот регион во вакуум со ласер со континуиран бран (100 W постојана моќност, брзина на скенирање 200 mm/s, нерѓосувачки челик AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Затоа, јасно е прикажано дека сложената модулација на интензитетот на ласерскиот импулс има значаен ефект врз добиената микроструктура. Ние веруваме дека овој ефект е механички по природа и се јавува поради генерирањето на ултразвучни вибрации кои се шират од озрачената површина на топењето длабоко во примерокот. обезбедувајќи ултразвук со висок интензитет во различни материјали, вклучително и Ti-6Al-4V легура 26 и нерѓосувачки челик 34 како резултат на. Можниот механизам се шпекулира на следниов начин. Интензивниот ултразвук може да предизвика акустична кавитација, како што е прикажано во ултрабрзата in situ синхротрон снимка со рендген. ~\text {MPa}\)69. Таквите ударни бранови може да бидат доволно силни за да го промовираат формирањето на јадра од цврста фаза со критична големина во рефус течности, нарушувајќи ја типичната колонообразна структура на зрнестите зрна во производството на адитиви слој по слој.
Овде, ние предлагаме друг механизам одговорен за структурна модификација со интензивна обработка со сончање. Веднаш по зацврстувањето, материјалот е на висока температура блиску до точката на топење и има исклучително низок напрегање. K}\) (види Слика 8). Затоа, за да ја тестираме оваа хипотеза, изведовме симулации на молекуларна динамика (MD) на состав Fe-Cr-Ni сличен на челик AISI 316 L со цел да го оцениме однесувањето на напрегањето во близина на точката на топење. Пресметките, го користевме Вградениот атомски модел (EAM) од 74. MD симулации се изведени со користење на LAMMPS кодови 75,76. Деталите за MD симулациите ќе бидат објавени на друго место.
Напрегање на попуштање за аустенитен нерѓосувачки челик AISI одделение 316 и состав на моделот наспроти температура за MD симулации. производство.Резултатите од големите MD симулации во оваа студија се означени како \(\vartriangleleft\) за бесконечен единечен кристал без дефекти и \(\vartriangleright\) за конечни зрна земајќи ја во предвид просечната големина на зрната преку релацијата Hall-Petch Димензии\~(dup =\t).
Може да се види дека при \(T>1500~\text {K}\) стресот на попуштање паѓа под \(40~\text {MPa}\). Од друга страна, проценките предвидуваат дека ултразвучната амплитуда генерирана од ласер надминува \(40~\text {MPa}\) (види Сл. 4b.
Формирањето на микроструктурата на 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) аустенитски нерѓосувачки челик за време на SLM беше експериментално истражено со користење на комплексен пулсен ласерски извор модулиран со интензитет.
Намалувањето на големината на зрната во зоната на ласерско топење беше пронајдено поради континуирано ласерско повторно топење по 1, 3 или 5 поминувања.
Макроскопското моделирање покажува дека проценетата големина на областа каде што ултразвучната деформација може позитивно да влијае на предниот дел на зацврстувањето е до \(1~\text {mm}\).
Микроскопскиот MD модел покажува дека јачината на отстапување на аустенитниот нерѓосувачки челик AISI 316 е значително намалена на \(40~\text {MPa}\) во близина на точката на топење.
Добиените резултати сугерираат метод за контролирање на микроструктурата на материјалите со користење на сложена модулирана ласерска обработка и би можеле да послужат како основа за создавање нови модификации на пулсираната SLM техника.
Liu, Y. et al.Микроструктурна еволуција и механички својства на in situ композитите TiB2/AlSi10Mg со ласерско селективно топење [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Инженеринг на границата на жито за рекристализација на ласерско селективно топење на нерѓосувачки челик 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ развој на сендвич микроструктури со зголемена еластичност со ласерско загревање на ласерски стопен легури на титаниум.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Адитивно производство на делови од Ti-6Al-4V со ласерско таложење на метал (LMD): процес, микроструктура и механички својства.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, C. и сор.
Busey, M. et al.Параметриско неутронско Bragg Edge Imaging Study of Additively 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.Градиентна микроструктура и механички својства на Ti-6Al-4V адитивно фабрикувани со топење на електронски зрак. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (201).