Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer). In de tussentijd zullen we de site zonder stijlen en JavaScript weergeven om voortdurende ondersteuning te garanderen.
Er wordt een nieuw mechanisme voorgesteld op basis van selectief lasersmelten om de microstructuur van producten in het fabricageproces te beheersen. Het mechanisme is gebaseerd op het genereren van ultrasone golven met hoge intensiteit in het smeltbad door complexe intensiteitsgemoduleerde laserbestraling. Experimentele studies en numerieke simulaties tonen aan dat dit controlemechanisme technisch haalbaar is en effectief kan worden geïntegreerd in het ontwerp van moderne selectieve lasersmeltmachines.
Additive manufacturing (AM) van complex gevormde onderdelen is de afgelopen decennia aanzienlijk gegroeid. Ondanks de verscheidenheid aan additive manufacturing-processen, waaronder selectief lasersmelten (SLM)1,2,3, directe lasermetaalafzetting4,5,6, smelten met elektronenbundels7,8 en andere9,10, kunnen de onderdelen echter defect zijn. Dit is voornamelijk te wijten aan de specifieke kenmerken van het smeltbad-stollingsproces dat gepaard gaat met hoge thermische gradiënten, hoge afkoelsnelheden en de complexiteit van verwarmingscycli bij het smelten en opnieuw smelten van het materiaal 11 , wat leidde tot epitaxiale korrelgroei en aanzienlijke porositeit.12,13 toonden aan dat het nodig is om thermische gradiënten, koelsnelheden en legeringssamenstelling te beheersen, of om extra fysieke schokken toe te passen door externe velden met verschillende eigenschappen, zoals ultrageluid, om fijne gelijkassige korrelstructuren te verkrijgen.
Talrijke publicaties hebben betrekking op het effect van trillingsbehandeling op het stollingsproces in conventionele gietprocessen14,15. Het aanbrengen van een extern veld op een bulksmelt produceert echter niet de gewenste microstructuur van het materiaal. Als het volume van de vloeibare fase klein is, verandert de situatie dramatisch. In dit geval heeft het externe veld een significante invloed op het stollingsproces. oscillatie29, elektromagnetische effecten tijdens gepulseerde plasmabogen30,31 en andere methoden32 zijn overwogen. Bevestig aan het substraat met behulp van een externe ultrasone bron met hoge intensiteit (bij 20 kHz). De door ultrageluid geïnduceerde korrelverfijning wordt toegeschreven aan de toegenomen constitutieve onderkoelzone vanwege de verminderde temperatuurgradiënt en ultrasone versterking om nieuwe kristallieten te genereren door cavitatie.
In dit werk hebben we de mogelijkheid onderzocht om de korrelstructuur van austenitisch roestvast staal te veranderen door het smeltbad te sonificeren met geluidsgolven die door de smeltlaser zelf worden gegenereerd. De intensiteitsmodulatie van de laserstraling die op het lichtabsorberende medium valt, resulteert in het genereren van ultrasone golven, die de microstructuur van het materiaal veranderen. Deze intensiteitsmodulatie van laserstraling kan eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande SLM 3D-printers. De experimenten in dit werk werden uitgevoerd op roestvrijstalen platen waarvan de oppervlakken werden blootgesteld aan intensiteitsgemoduleerde laserstraling. Dus technisch gezien wordt laseroppervlaktebehandeling uitgevoerd. Als een dergelijke laserbehandeling echter wordt uitgevoerd op het oppervlak van elke laag, worden tijdens laag-voor-laag opbouw effecten op het gehele volume of op geselecteerde delen van het volume bereikt. Met andere woorden, als het onderdeel laag voor laag wordt opgebouwd, is de laseroppervlaktebehandeling van elke laag gelijk aan "laservolumebehandeling".
Terwijl bij ultrasone hoorn-gebaseerde ultrasone therapie de ultrasone energie van de staande geluidsgolf door het onderdeel wordt verdeeld, terwijl de door laser geïnduceerde ultrasone intensiteit sterk geconcentreerd is nabij het punt waar de laserstraling wordt geabsorbeerd. Het gebruik van een sonotrode in een SLM poederbedfusiemachine is gecompliceerd omdat het bovenoppervlak van het poederbed dat wordt blootgesteld aan de laserstraling stationair moet blijven. Bovendien is er geen mechanische spanning op het bovenoppervlak van het onderdeel. Daarom is de akoestische spanning bijna nul en heeft de deeltjessnelheid een maximale amplitude over het gehele bovenoppervlak van het onderdeel. De geluidsdruk in het gehele smeltbad mag niet hoger zijn dan 0,1% van de maximale druk die door de laskop wordt gegenereerd, omdat de golflengte van ultrasone golven met een frequentie van 20 kHz in roestvrij staal \(\sim 0.3~\text {m}\) is, en de diepte meestal kleiner is dan \(\sim 0.3~\text {mm}\). Daarom kan het effect van ultrageluid op cavitatie klein zijn.
Opgemerkt moet worden dat het gebruik van intensiteitsgemoduleerde laserstraling bij directe lasermetaalafzetting een actief onderzoeksgebied is35,36,37,38.
De thermische effecten van laserstraling die op het medium valt, vormen de basis voor bijna alle lasertechnieken voor materiaalbewerking 39, 40, zoals snijden 41, lassen, harden, boren 42, oppervlaktereiniging, oppervlaktelegeringen, oppervlaktepolijsten 43, etc. materiaalverwerkingstechnologie en samengevatte voorlopige resultaten in vele recensies en monografieën 44, 45, 46.
Opgemerkt moet worden dat elke niet-stationaire actie op het medium, inclusief laserwerking op het absorberende medium, resulteert in de excitatie van akoestische golven erin met min of meer efficiëntie. Aanvankelijk lag de nadruk op de laserexcitatie van golven in vloeistoffen en de verschillende thermische excitatiemechanismen van geluid (thermische uitzetting, verdamping, volumeverandering tijdens faseovergang, contractie, enz.) 47, 48, 49. Talrijke monografieën50, 51, 52 bieden theoretische analyse s van dit proces en de mogelijke praktische toepassingen ervan.
Deze kwesties werden vervolgens op verschillende conferenties besproken, en laserexcitatie van ultrageluid heeft toepassingen in zowel industriële toepassingen van lasertechnologie53 als in de geneeskunde54. Daarom kan worden aangenomen dat het basisconcept van het proces waarbij gepulseerd laserlicht op een absorberend medium inwerkt, is vastgesteld. Ultrasone laserinspectie wordt gebruikt voor defectdetectie van door SLM vervaardigde monsters55,56.
Het effect van laser-gegenereerde schokgolven op materialen is de basis van lasershockpeening57,58,59, dat ook wordt gebruikt voor de oppervlaktebehandeling van additief vervaardigde onderdelen60. Lasershockversterking is echter het meest effectief op laserpulsen van nanoseconden en mechanisch belaste oppervlakken (bijvoorbeeld met een laag vloeistof)59 omdat mechanische belasting de piekdruk verhoogt.
Er werden experimenten uitgevoerd om de mogelijke effecten van verschillende fysieke velden op de microstructuur van gestolde materialen te onderzoeken. Het functionele diagram van de experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1. Er werd een gepulseerde Nd:YAG vastestoflaser gebruikt die in vrijlopende modus werkte (pulsduur \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). de pulsenergie op het doel varieert van \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) tot \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). De door de straalsplitser gereflecteerde laserstraal wordt naar een fotodiode geleid voor gelijktijdige gegevensverzameling, en twee calorimeters (fotodiodes met een lange responstijd van meer dan \(1~\text {ms}\)) worden gebruikt om het incident op en gereflecteerd door het doel te bepalen, en twee vermogensmeters (fotodiodes met korte responstijden\(<10~\text {ns}\)) om invallend en gereflecteerd optisch vermogen te bepalen. Calorimeters en vermogensmeters werden gekalibreerd om waarden in absolute eenheden te geven met behulp van een thermozuildetector Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 en een diëlektrische spiegel gemonteerd op de monsterlocatie. Focus de straal op het doel met behulp van een lens (antireflectiecoating op \(1.06 \upmu \text {m}\), brandpuntsafstand \(1 60~\text {mm}\)) en een bundeltaille op het doeloppervlak 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Functioneel schematisch diagram van de experimentele opstelling: 1 - laser;2 - laserstraal;3—filter met neutrale dichtheid;4 - gesynchroniseerde fotodiode;5 - bundelsplitser;6-diafragma;7 - calorimeter van invallende straal;8 – calorimeter van gereflecteerde straal;9 – vermogensmeter voor opvallende bundels;10 – vermogensmeter voor gereflecteerde bundels;11 – scherpstellens;12 – spiegel;13 – monster;14 - breedband piëzo-elektrische transducer;15 – 2D-omzetter;16 – positionering microcontroller;17 – synchronisatie-eenheid;18 - meerkanaals digitaal acquisitiesysteem met verschillende bemonsteringsfrequenties;19 – persoonlijke computer.
Ultrasone behandeling wordt als volgt uitgevoerd. De laser werkt in vrijlopende modus;daarom is de duur van de laserpuls \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), die bestaat uit meerdere tijdsduren van elk ongeveer \(1.5~\upmu \text {s} \). De temporele vorm van de laserpuls en zijn spectrum bestaat uit een laagfrequente omhulling en een hoogfrequente modulatie, met een gemiddelde frequentie van ongeveer \(0.7~\text {MHz}\), zoals weergegeven in figuur 2.- De frequentieomhulling biedt de verwarming en het daaropvolgende smelten en verdampen van het materiaal, terwijl de hoogfrequente component zorgt voor de ultrasone trillingen vanwege het fotoakoestische effect. De golfvorm van de ultrasone puls die door de laser wordt gegenereerd, wordt voornamelijk bepaald door de tijdvorm van de laserpulsintensiteit.Het is van \(7~\text {kHz}\) tot \ (2~\text {MHz}\), en de middenfrequentie is \(~ 0.7~\text {MHz}\). Akoestische pulsen als gevolg van het fotoakoestische effect werden opgenomen met behulp van breedband piëzo-elektrische transducers gemaakt van polyvinylideenfluoridefilms. De geregistreerde golfvorm en het spectrum worden weergegeven in figuur 2. Opgemerkt moet worden dat de vorm van de laserpulsen typerend is voor een vrijlopende laser.
Tijdelijke verdeling van laserpulsintensiteit (a) en geluidssnelheid (b) op het achteroppervlak van het monster, de spectra (blauwe curve) van een enkele laserpuls (c) en een ultrasone puls (d) gemiddeld over 300 laserpulsen (rode curve).
We kunnen duidelijk de laagfrequente en hoogfrequente componenten van de akoestische behandeling onderscheiden die overeenkomen met respectievelijk de laagfrequente omhulling van de laserpuls en de hoogfrequente modulatie. De golflengten van de akoestische golven die worden gegenereerd door de laserpulsomhulling overschrijden \(40~\text {cm}\);daarom wordt het belangrijkste effect van de breedbandige hoogfrequente componenten van het akoestische signaal op de microstructuur verwacht.
De fysische processen in SLM zijn complex en vinden gelijktijdig plaats op verschillende ruimtelijke en temporele schalen. Daarom zijn methoden op meerdere schaal het meest geschikt voor theoretische analyse van SLM. Wiskundige modellen moeten in eerste instantie multi-fysisch zijn. De mechanica en thermofysica van een meerfasige medium "vast-vloeibare smelt" die in wisselwerking staat met een inerte gasatmosfeer kan dan effectief worden beschreven. De kenmerken van materiële thermische belastingen in SLM zijn als volgt.
Verwarmings- en afkoelingssnelheden tot \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ dankzij lokale laserbestraling met vermogensdichtheden tot \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
De smelt-stollingscyclus duurt tussen 1 en \(10~\text {ms}\), wat bijdraagt ​​aan de snelle stolling van de smeltzone tijdens het afkoelen.
Snelle verwarming van het monsteroppervlak resulteert in de vorming van hoge thermo-elastische spanningen in de oppervlaktelaag. Een voldoende (tot 20%) deel van de poederlaag wordt sterk verdampt63, wat resulteert in een extra drukbelasting op het oppervlak als reactie op laserablatie. Bijgevolg vervormt de geïnduceerde rek de geometrie van het onderdeel aanzienlijk, vooral in de buurt van steunen en dunne structurele elementen. om nauwkeurige kwantitatieve gegevens te verkrijgen over de lokale spannings- en rekverdeling, wordt een mesoscopische simulatie van het elastische vervormingsprobleem geconjugeerd aan warmte- en massaoverdracht uitgevoerd.
De heersende vergelijkingen van het model omvatten (1) onstabiele warmteoverdrachtsvergelijkingen waarbij de thermische geleidbaarheid afhangt van de fasetoestand (poeder, smelt, polykristallijn) en temperatuur, (2) fluctuaties in elastische vervorming na continuumablatie en thermo-elastische expansievergelijking. Het grenswaardeprobleem wordt bepaald door experimentele omstandigheden. De gemoduleerde laserflux wordt gedefinieerd op het monsteroppervlak. Convectieve koeling omvat geleidende warmte-uitwisseling en verdampingsflux. De massaflux wordt gedefinieerd op basis van de berekening van de verzadigde dampdruk van verdampend materiaal. De elastoplastische spanning-rekrelatie wordt gebruikt wanneer de thermo-elastische spanning evenredig is met het temperatuurverschil. Voor nominaal vermogen \(300~\text {W}\), frequentie \(10^5~\text {Hz}\), intermitterende coëfficiënt 100 en \(200~\upmu \text {m}\ ) van de effectieve straaldiameter.
Figuur 3 toont de resultaten van numerieke simulatie van de gesmolten zone met behulp van een macroscopisch wiskundig model. De diameter van de fusiezone is \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) straal) en \(40~\upmu \text {m}\) diepte. De simulatieresultaten laten zien dat de oppervlaktetemperatuur plaatselijk varieert met de tijd als \(100~\text {K}\) vanwege de hoge intermitterende factor van de pulsmod. De verwarming \(V_h\) en koeling \(V_c\) snelheden zijn in de orde van respectievelijk \(10^7\) en \(10^6~\text {K}/\text {s}\. Deze waarden komen goed overeen met onze eerdere analyse64. Een orde van grootte verschil tussen \(V_h\) en \(V_c\) resulteert in een snelle oververhitting van de oppervlaktelaag, waarbij thermische geleiding naar het substraat onvoldoende is om de warmte af te voeren. (t=26~\upmu \text {s}\) de oppervlaktetemperatuur piekt zo hoog als \(4800~\text {K}\). Krachtige verdamping van het materiaal kan ervoor zorgen dat het monsteroppervlak wordt blootgesteld aan overmatige druk en loslaat.
Numerieke simulatieresultaten van de smeltzone van gloeien met een enkele laserpuls op een 316L-monsterplaat. De tijd vanaf het begin van de puls tot de diepte van het smeltbad dat de maximale waarde bereikt, is \(180~\upmu\text {s}\). De isotherm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) vertegenwoordigt de grens tussen de vloeibare en vaste fasen. De isobaren (gele lijnen) komen overeen met de vloeispanning berekend als een functie van de temperatuur in de volgende sectie. Daarom wordt in het domein tussen de twee isolijnen (isothermen\(T=T_L\) en isobaren\(\sigma =\sigma _V(T)\)) de vaste fase onderworpen aan sterke mechanische belastingen, wat kan leiden tot veranderingen in de microstructuur.
Dit effect wordt verder uitgelegd in figuur 4a, waar het drukniveau in de gesmolten zone is uitgezet als een functie van tijd en afstand tot het oppervlak. Ten eerste is het drukgedrag gerelateerd aan de modulatie van de laserpulsintensiteit zoals beschreven in figuur 2 hierboven. Een maximale druk \text{s}\) van ongeveer \(10~\text {MPa}\) werd waargenomen bij ongeveer \(t=26~\upmu). Ten tweede heeft de fluctuatie van de lokale druk op het controlepunt dezelfde oscillatiekarakteristieken als de frequentie van \(500~\text {kHz}\). Dit betekent dat ultrasone drukgolven aan het oppervlak worden gegenereerd en zich vervolgens voortplanten in het substraat.
De berekende kenmerken van de vervormingszone nabij de smeltzone worden getoond in Fig. 4b. Laserablatie en thermo-elastische spanning genereren elastische vervormingsgolven die zich voortplanten in het substraat. Zoals te zien is in de figuur, zijn er twee fasen van spanningsopwekking. Tijdens de eerste fase van \(t < 40~\upmu \text {s}\), stijgt de Mises-spanning tot \(8~\text {MPa}\) met een modulatie die vergelijkbaar is met de oppervlaktedruk. Deze spanning treedt op als gevolg van laserablatie, en er werd geen thermo-elastische spanning waargenomen in de controlepunten omdat de initiële door warmte beïnvloede zone te klein was. Wanneer warmte wordt afgevoerd in het substraat, genereert het controlepunt een hoge thermo-elastische spanning boven \(40~\text {MPa}\).
De verkregen gemoduleerde spanningsniveaus hebben een significante invloed op de vast-vloeistofinterface en kunnen het controlemechanisme zijn dat het stollingspad regelt. De grootte van de vervormingszone is 2 tot 3 keer groter dan die van de smeltzone. Zoals weergegeven in figuur 3, worden de locatie van de smeltisotherm en het spanningsniveau gelijk aan de vloeispanning vergeleken. {m}\) afhankelijk van de ogenblikkelijke tijd.
Daarom leidt de complexe modulatie van de gepulseerde laseruitgloeiing tot het ultrasone effect. De microstructuurselectieroute is anders in vergelijking met de SLM zonder ultrasone belasting. Vervormde onstabiele gebieden leiden tot periodieke cycli van compressie en uitrekking in de vaste fase. Zo wordt de vorming van nieuwe korrelgrenzen en subkorrelgrenzen mogelijk. Daarom kunnen de microstructurele eigenschappen opzettelijk worden gewijzigd, zoals hieronder getoond. De verkregen conclusies bieden de mogelijkheid om een ​​door pulsmodulatie geïnduceerd ultrasoon aangedreven SLM-prototype te ontwerpen. elders gebruikte piëzo-elektrische inductor 26 kan worden uitgesloten.
(a) Druk als functie van de tijd, berekend op verschillende afstanden van het oppervlak 0, 20 en \(40~\upmu \text {m}\) langs de symmetrieas. (b) Tijdsafhankelijke Von Mises-spanning berekend in een vaste matrix op afstanden 70, 120 en \(170~\upmu \text {m}\) van het monsteroppervlak.
Er werden experimenten uitgevoerd op AISI 321H roestvrijstalen platen met de afmetingen \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Na elke laserpuls beweegt de plaat \(50~\upmu \text {m}\), en de laserstraaltaille op het doeloppervlak is ongeveer \(100~\upmu \text {m}\). Tot vijf opeenvolgende bundelpassages worden langs hetzelfde spoor uitgevoerd om het opnieuw smelten van het verwerkte materiaal te induceren voor korrelverfijning. de gesmolten zone werd gesoniceerd, afhankelijk van de oscillerende component van de laserstraling. Dit resulteert in een meer dan 5-voudige reductie van het gemiddelde korreloppervlak. Figuur 5 laat zien hoe de microstructuur van het lasergesmolten gebied verandert met het aantal opeenvolgende hersmeltcycli (passages).
Subplots (a,d,g,j) en (b,e,h,k) - microstructuur van lasergesmolten gebieden, subplots (c,f,i,l) - gebiedsverdeling van gekleurde korrels.Shading vertegenwoordigt de deeltjes die worden gebruikt om het histogram te berekenen. Kleuren komen overeen met korrelgebieden (zie de kleurenbalk bovenaan het histogram. Subplots (ac) komen overeen met onbehandeld roestvrij staal en subplots (df), (gi), (jl) komen overeen met 1, 3 en 5 hersmeltingen.
Aangezien de energie van de laserpuls niet verandert tussen opeenvolgende doorgangen, is de diepte van de gesmolten zone hetzelfde. Het volgende kanaal "bedekt" het vorige kanaal dus volledig. Het histogram laat echter zien dat het gemiddelde en mediane korreloppervlak afneemt met toenemend aantal doorgangen. Dit kan erop wijzen dat de laser op het substraat inwerkt in plaats van op de smelt.
Korrelverfijning kan worden veroorzaakt door snelle afkoeling van het smeltbad65. Er werd nog een reeks experimenten uitgevoerd waarbij de oppervlakken van roestvrijstalen platen (321H en 316L) werden blootgesteld aan continue golflaserstraling in de atmosfeer (Fig. 6) en vacuüm (Fig. 7). Het gemiddelde laservermogen (respectievelijk 300 W en 100 W) en de diepte van het smeltbad liggen dicht bij de experimentele resultaten van de Nd:YAG-laser in vrijlopende modus. werd waargenomen.
Microstructuur van het lasergesmolten gebied van een continue golflaser (300 W constant vermogen, 200 mm/s scansnelheid, AISI 321H roestvrij staal).
(a) Microstructuur en (b) elektronenterugverstrooiingsdiffractiebeeld van de lasersmeltzone van vacuüm continue golflaser (constant vermogen 100 W, scansnelheid 200 mm/s, AISI 316L roestvrij staal) \ (\sim 2~\text {mbar}\).
Daarom is duidelijk aangetoond dat de complexe modulatie van de laserpulsintensiteit een significant effect heeft op de resulterende microstructuur. Wij geloven dat dit effect mechanisch van aard is en optreedt als gevolg van het genereren van ultrasone trillingen die zich voortplanten vanaf het bestraalde oppervlak van de smelt diep in het monster. Soortgelijke resultaten werden verkregen in 13, 26, 34, 66, 67 met behulp van externe piëzo-elektrische transducers en sonotrodes die ultrageluid met hoge intensiteit leveren in verschillende materialen, waaronder Ti-6Al-4V-legering 26 en roestvrij staal 34 het resultaat van. Het mogelijke mechanisme wordt als volgt gespeculeerd. Intens ultrageluid kan akoestische cavitatie veroorzaken, zoals aangetoond in ultrasnelle in situ synchrotron röntgenbeeldvorming. de typische zuilvormige korrelstructuur van laag-voor-laag additive manufacturing.
Hier stellen we een ander mechanisme voor dat verantwoordelijk is voor structurele modificatie door intense sonicatie. Het materiaal net na het stollen bevindt zich op een hoge temperatuur dicht bij het smeltpunt en heeft een extreem lage vloeispanning. Intense ultrasone golven kunnen ervoor zorgen dat plastic stroming de korrelstructuur van het hete materiaal dat net is gestold, verandert. Betrouwbare experimentele gegevens over de temperatuurafhankelijkheid van vloeispanning zijn echter beschikbaar op \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (zie figuur 8). Daarom hebben we om de hypothese te testen moleculaire dynamica uitgevoerd ( MD) simulaties van een Fe-Cr-Ni-samenstelling vergelijkbaar met AISI 316 L-staal om het vloeispanningsgedrag nabij het smeltpunt te evalueren. Om de vloeispanning te berekenen, gebruikten we de MD-afschuifspanningsrelaxatietechniek beschreven in 70, 71, 72, 73. Voor de interatomaire interactieberekeningen gebruikten we het Embedded Atomic Model (EAM) uit 74. MD-simulaties werden uitgevoerd met behulp van LAMMPS-codes 75,76. Details van de MD-simulatie zullen worden elders gepubliceerd. De MD-berekeningsresultaten van vloeispanning als functie van temperatuur worden getoond in Fig. 8 samen met beschikbare experimentele gegevens en andere evaluaties77,78,79,80,81,82.
Vloeispanning voor austenitisch roestvast staal AISI 316 en modelsamenstelling versus temperatuur voor MD-simulaties. Experimentele metingen uit referenties: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. verwijs naar. (f) 82 is een empirisch model van vloeispanning-temperatuurafhankelijkheid voor in-line spanningsmeting tijdens laserondersteunde additive manufacturing. ed als \(\vartriangleleft\) voor een defectvrij oneindig enkel kristal en \(\vartriangleright\) voor eindige korrels rekening houdend met de gemiddelde korrelgrootte via de Hall-Petch relatie Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Het is te zien dat bij \(T>1500~\text {K}\) de vloeispanning daalt tot onder \(40~\text {MPa}\). Aan de andere kant voorspellen schattingen dat de laser-gegenereerde ultrasone amplitude groter is dan \(40~\text {MPa}\) (zie figuur 4b), wat voldoende is om een ​​plastische stroming te induceren in het hete materiaal dat net is gestold.
De vorming van de microstructuur van 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitisch roestvrij staal tijdens SLM werd experimenteel onderzocht met behulp van een complexe intensiteitsgemoduleerde gepulseerde laserbron.
Verkleining van de korrelgrootte in de lasersmeltzone werd gevonden als gevolg van continu opnieuw smelten van de laser na 1, 3 of 5 passages.
Macroscopische modellering laat zien dat de geschatte grootte van het gebied waar ultrasone vervorming het stollingsfront positief kan beïnvloeden, maximaal \(1~\text {mm}\) is.
Het microscopische MD-model laat zien dat de vloeigrens van AISI 316 austenitisch roestvast staal aanzienlijk is verminderd tot \(40~\text {MPa}\) nabij het smeltpunt.
De verkregen resultaten suggereren een methode voor het beheersen van de microstructuur van materialen met behulp van complexe gemoduleerde laserverwerking en kunnen dienen als basis voor het creëren van nieuwe modificaties van de gepulseerde SLM-techniek.
Liu, Y. et al. Microstructurele evolutie en mechanische eigenschappen van in situ TiB2/AlSi10Mg-composieten door laserselectief smelten [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Herkristallisatiekorrelgrenstechniek van laserselectief smelten van 316L roestvrij staal [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 ontwikkeling van sandwich-microstructuren met verbeterde ductiliteit door laseropwarming van lasergesmolten titaniumlegeringen.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Additieve fabricage van Ti-6Al-4V-onderdelen door lasermetaalafzetting (LMD): proces, microstructuur en mechanische eigenschappen.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Microstructurele modellering van door lasermetaalpoeder gestuurde energiedepositie van Alloy 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametrische Neutron Bragg Edge Imaging-studie van additief vervaardigde monsters behandeld met laserschok Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradiëntmicrostructuur en mechanische eigenschappen van Ti-6Al-4V additief gefabriceerd door smelten van elektronenbundels.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).