Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, obsługuje CSS w ograniczonym stopniu. Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy wyświetlać witrynę bez stylów i JavaScript.
Zaproponowano nowy mechanizm oparty na selektywnym topieniu laserowym do kontrolowania mikrostruktury produktów w procesie produkcyjnym. Mechanizm opiera się na generowaniu fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu w stopionym jeziorze przez napromieniowanie laserowe o złożonej modulacji natężenia. Badania eksperymentalne i symulacje numeryczne pokazują, że ten mechanizm kontrolny jest technicznie wykonalny i może być skutecznie zintegrowany z projektem nowoczesnych selektywnych maszyn do topienia laserowego.
Wytwarzanie addytywne (AM) części o skomplikowanych kształtach znacznie wzrosło w ostatnich dziesięcioleciach. Jednak pomimo różnorodności procesów wytwarzania addytywnego, w tym selektywnego topienia laserowego (SLM)1,2,3, bezpośredniego laserowego osadzania metalu4,5,6, topienia wiązką elektronów7,8 i innych9,10, części mogą być wadliwe. Wynika to głównie ze specyfiki procesu krzepnięcia roztopionego jeziorka związanego z wysokimi gradientami temperatury, dużymi szybkościami chłodzenia i złożonością cykli ogrzewania w materiałach topionych i przetapianych11 , co prowadzi do epitaksjalnego rozrostu ziaren i znacznej porowatości12,13.Wyniki pokazują, że konieczne jest kontrolowanie gradientów termicznych, szybkości chłodzenia i składu stopu lub stosowanie dodatkowych wstrząsów fizycznych przez zewnętrzne pola o różnych właściwościach (np. ultradźwięki), aby uzyskać drobnoziarniste struktury równoosiowe.
Liczne publikacje dotyczą wpływu obróbki wibracyjnej na proces krzepnięcia w konwencjonalnych procesach odlewania14,15. Jednak zastosowanie zewnętrznego pola do masowych stopów nie daje pożądanej mikrostruktury materiału. Jeśli objętość fazy ciekłej jest niewielka, sytuacja zmienia się diametralnie. W tym przypadku pole zewnętrzne znacząco wpływa na proces krzepnięcia. Efekty elektromagnetyczne zostały uwzględnione podczas intensywnych pól akustycznych16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27, mieszanie łukowe28 i oscylacja29, pulsacyjne łuki plazmowe30,31 i inne metody32. Przymocuj do podłoża za pomocą zewnętrznego źródła ultradźwięków o dużym natężeniu (przy 20 kHz). Rozdrobnienie ziarna indukowane ultradźwiękami przypisuje się zwiększonej strefie przechłodzenia kompozycji ze względu na zmniejszony gradient temperatury i wzmocnienie ultradźwięków w celu wytworzenia nowych krystalitów poprzez kawitację.
W tej pracy zbadaliśmy możliwość zmiany struktury ziaren austenitycznych stali nierdzewnych poprzez sonikację stopionego jeziorka falami dźwiękowymi generowanymi przez sam laser topiący. Modulacja intensywności promieniowania laserowego padającego na ośrodek pochłaniający światło powoduje generowanie fal ultradźwiękowych, które zmieniają mikrostrukturę materiału. Ta modulacja intensywności promieniowania laserowego może być łatwo zintegrowana z istniejącymi drukarkami 3D SLM. Technicznie rzecz biorąc, laserowa obróbka powierzchni jest wykonywana. Jednak jeśli taka obróbka laserowa jest wykonywana na powierzchni każdej warstwy, podczas narastania warstwa po warstwie, uzyskuje się efekty na całej objętości lub na wybranych częściach objętości. Innymi słowy, jeśli część jest konstruowana warstwa po warstwie, laserowa obróbka powierzchni każdej warstwy jest równoważna „laserowej obróbce objętościowej”.
Podczas gdy w terapii ultradźwiękowej opartej na tubie ultradźwiękowej energia ultradźwiękowa stojącej fali dźwiękowej jest rozprowadzana po całym komponencie, podczas gdy intensywność ultradźwięków indukowanych laserem jest silnie skoncentrowana w pobliżu punktu, w którym promieniowanie laserowe jest pochłaniane. Używanie sonotrody w maszynie do stapiania złoża proszku SLM jest skomplikowane, ponieważ górna powierzchnia złoża proszku wystawiona na promieniowanie laserowe powinna pozostać nieruchoma. Ponadto nie ma naprężeń mechanicznych na górnej powierzchni części. Dlatego naprężenie akustyczne jest bliskie zeru, a prędkość cząstek ma maksymalną amplitudę na całej górnej powierzchni części. Ciśnienie akustyczne wewnątrz całego jeziorka nie może przekroczyć 0,1% maksymalnego ciśnienia generowanego przez głowicę spawalniczą, ponieważ długość fali fal ultradźwiękowych o częstotliwości 20 kHz w stali nierdzewnej wynosi \(\sim 0,3~\text {m}\), a głębokość jest zwykle mniejsza niż \(\sim 0,3~\text {mm}\). Dlatego wpływ ultradźwięków na kawitację może być niewielki.
Należy zaznaczyć, że aktywnym obszarem badań jest wykorzystanie promieniowania laserowego o modulowanym natężeniu w bezpośrednim laserowym osadzaniu metali35,36,37,38.
Efekt termiczny promieniowania laserowego padającego na ośrodek jest podstawą prawie wszystkich technik laserowych 39, 40 obróbki materiałów, takich jak cięcie41, spawanie, hartowanie, wiercenie42, czyszczenie powierzchni, stapianie powierzchni, polerowanie powierzchni43 itp. Wynalazek lasera był impulsem do rozwoju nowych technik obróbki materiałów, a wstępne wyniki podsumowano w licznych recenzjach i monografiach44,45,46.
Należy zauważyć, że każde niestacjonarne oddziaływanie na ośrodek, w tym działanie lasera na ośrodek pochłaniający, powoduje wzbudzenie w nim z mniej lub bardziej wydajnie fal akustycznych. Początkowo główny nacisk kładziono na laserowe wzbudzanie fal w cieczach oraz różne termiczne mechanizmy wzbudzania dźwięku (rozszerzalność cieplna, parowanie, zmiana objętości podczas przejścia fazowego, kurczenie się itp.) 47, 48, 49. Liczne monografie50, 51, 52 dostarczają teorii analizy tego procesu i jego możliwych praktycznych zastosowań.
Kwestie te były następnie omawiane na różnych konferencjach, a laserowe wzbudzanie ultradźwięków ma zastosowanie zarówno w przemysłowych zastosowaniach technologii laserowej53, jak iw medycynie54. Można zatem uznać, że podstawowa koncepcja procesu oddziaływania impulsowego światła laserowego na ośrodek pochłaniający została ustalona. Laserowa kontrola ultradźwiękowa jest wykorzystywana do wykrywania defektów w próbkach wyprodukowanych metodą SLM55,56.
Wpływ fal uderzeniowych generowanych laserem na materiały jest podstawą kucia uderzeniowego laserem57,58,59, które jest również wykorzystywane do obróbki powierzchni części wytwarzanych addytywnie60. Jednak wzmocnienie uderzeniowe lasera jest najbardziej skuteczne w przypadku nanosekundowych impulsów laserowych i powierzchni obciążonych mechanicznie (np. warstwą cieczy)59, ponieważ obciążenie mechaniczne zwiększa szczytowe ciśnienie.
Eksperymenty przeprowadzono w celu zbadania możliwego wpływu różnych pól fizycznych na mikrostrukturę zestalonych materiałów. Schemat funkcjonalny układu eksperymentalnego przedstawiono na rysunku 1. Impulsowy laser na ciele stałym Nd:YAG, pracujący w trybie swobodnym (wykorzystywano czas trwania impulsu \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). , energia impulsu na celu zmienia się od \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) do \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Wiązka laserowa odbita od rozdzielacza wiązki jest podawana do fotodiody w celu jednoczesnego zbierania danych, a dwa kalorymetry (fotodiody o długim czasie reakcji przekraczającym \(1~\text {ms}\)) są używane do określenia padania na cel i odbicia od celu oraz dwa mierniki mocy (fot. diody o krótkich czasach odpowiedzi\(<10~\text {ns}\)) w celu określenia padającej i odbitej mocy optycznej. Kalorymetry i mierniki mocy skalibrowano, aby podawały wartości w jednostkach bezwzględnych, używając detektora termoelektrycznego Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 i dielektrycznego lustra zamontowanego w miejscu próbki. Skup wiązkę na celu za pomocą soczewki (powłoka antyrefleksyjna przy \(1,06 \upmu \text {m}\), ogniskowa \(16 0~\text {mm}\)) i przewężenie belki na powierzchni docelowej 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Funkcjonalny schemat ideowy układu eksperymentalnego: 1 — laser;2 — wiązka laserowa;3 — filtr o neutralnej gęstości;4 — zsynchronizowana fotodioda;5 — rozdzielacz wiązki;6 — membrana;7 — kalorymetr wiązki padającej;8 – kalorymetr wiązki odbitej;9 – miernik mocy wiązki padającej;10 – miernik mocy wiązki odbitej;11 – soczewka skupiająca;12 – lustro;13 – próbka;14 – szerokopasmowy przetwornik piezoelektryczny;15 – konwerter 2D;16 – mikrokontroler pozycjonujący;17 – jednostka synchronizacji;18 – wielokanałowy cyfrowy system akwizycji z różnymi częstotliwościami próbkowania;19 – komputer osobisty.
Obróbkę ultradźwiękową przeprowadza się w następujący sposób. Laser pracuje w trybie swobodnym;dlatego czas trwania impulsu laserowego wynosi \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), który składa się z wielu okresów trwania w przybliżeniu \(1,5~\upmu \text {s } \) każdy. Czasowy kształt impulsu laserowego i jego widmo składają się z obwiedni niskiej częstotliwości i modulacji wysokiej częstotliwości, ze średnią częstotliwością około \(0,7~\text {MHz}\), jak pokazano na rysunku 2.- Obwiednia częstotliwości zapewnia ogrzewanie, a następnie topienie i odparowanie materiału, podczas gdy składowa o wysokiej częstotliwości zapewnia wibracje ultradźwiękowe w wyniku efektu fotoakustycznego. Kształt fali impulsu ultradźwiękowego generowanego przez laser zależy głównie od kształtu czasowego intensywności impulsu laserowego.Jest to od \(7~\text {kHz}\) do \ (2~\text {MHz}\), a częstotliwość środkowa to \(~ 0,7~\text {MHz}\). Impulsy akustyczne wywołane efektem fotoakustycznym rejestrowano za pomocą szerokopasmowych przetworników piezoelektrycznych wykonanych z folii z polifluorku winylidenu. Zarejestrowany przebieg i jego widmo przedstawiono na rysunku 2. Należy zauważyć, że kształt impulsów laserowych jest typowy dla lasera pracującego w trybie swobodnym.
Rozkład czasowy natężenia impulsu laserowego (a) i prędkości dźwięku na tylnej powierzchni próbki (b), widma impulsu laserowego (c) i impulsu ultradźwiękowego (d) uśrednione dla 300 impulsów laserowych (krzywa czerwona) dla pojedynczego impulsu laserowego (krzywa niebieska).
Możemy wyraźnie rozróżnić składowe o niskiej i wysokiej częstotliwości obróbki akustycznej odpowiadające odpowiednio obwiedni niskiej częstotliwości impulsu laserowego i modulacji wysokiej częstotliwości. Długości fal akustycznych generowanych przez obwiednię impulsu laserowego przekraczają \(40~\text {cm}\);w związku z tym oczekuje się głównego wpływu składowych szerokopasmowych sygnału akustycznego o wysokiej częstotliwości na mikrostrukturę.
Procesy fizyczne w SLM są złożone i zachodzą jednocześnie w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Dlatego metody wieloskalowe są najbardziej odpowiednie do teoretycznej analizy SLM. Modele matematyczne powinny początkowo być wielofizyczne. Następnie można skutecznie opisać mechanikę i termofizykę ośrodka wielofazowego „roztopiony ciało stałe-ciecz” oddziałującego z atmosferą gazu obojętnego. Charakterystyka obciążeń termicznych materiału w SLM jest następująca.
Tempo ogrzewania i chłodzenia do \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ z powodu zlokalizowanego promieniowania laserowego o gęstości mocy do \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Cykl topnienia-krzepnięcia trwa od 1 do \(10~\text {ms}\), co przyczynia się do szybkiego krzepnięcia strefy topnienia podczas chłodzenia.
Szybkie nagrzewanie powierzchni próbki powoduje powstawanie dużych naprężeń termosprężystych w warstwie powierzchniowej. Wystarczająca (nawet do 20%) część warstwy proszku jest silnie odparowywana63, co skutkuje dodatkowym obciążeniem powierzchni w odpowiedzi na ablację laserową. W konsekwencji indukowane odkształcenie znacznie zniekształca geometrię części, zwłaszcza w pobliżu podpór i cienkich elementów konstrukcyjnych. aby uzyskać dokładne dane ilościowe dotyczące lokalnego rozkładu naprężeń i odkształceń, przeprowadza się mezoskopową symulację problemu deformacji sprężystej sprzężonej z przenoszeniem ciepła i masy.
Równania rządzące modelem obejmują (1) równania nieustalonej wymiany ciepła, w których przewodnictwo cieplne zależy od stanu fazowego (proszek, stop, polikrystaliczny) i temperatury, (2) fluktuacje odkształcenia sprężystego po ablacji kontinuum i równanie rozszerzalności termoelastycznej. Zagadnienie wartości brzegowych jest określone w warunkach eksperymentalnych. Modulowany strumień lasera jest definiowany na powierzchni próbki. parującego materiału. Elastoplastyczna zależność naprężenie-odkształcenie jest stosowana, gdy naprężenie termosprężyste jest proporcjonalne do różnicy temperatur. Dla mocy nominalnej \(300~\text {W}\), częstotliwości \(10^5~\text {Hz}\), współczynnika przerywanego 100 i \(200~\upmu \text {m}\ ) efektywnej średnicy belki.
Rysunek 3 przedstawia wyniki symulacji numerycznej strefy stopionej przy użyciu makroskopowego modelu matematycznego. Średnica strefy wtopienia wynosi \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) promień) i \(40~\upmu \text {m}\) głębokość. Wyniki symulacji pokazują, że temperatura powierzchni zmienia się lokalnie w czasie jako \(100~\text {K}\) ze względu na wysoki współczynnik przerywania modulacja impulsowa. Szybkości nagrzewania \(V_h\) i chłodzenia \(V_c\) są rzędu odpowiednio \(10^7\) i \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Wartości te dobrze zgadzają się z naszą poprzednią analizą64. Różnica rzędu wielkości między \(V_h\) a \(V_c\) powoduje szybkie przegrzanie warstwy powierzchniowej, gdzie przewodnictwo cieplne do podłoża jest niewystarczające do odprowadzenia ciepła.Dlatego e, przy \(t=26~\upmu \text {s}\) temperatura powierzchni sięga \(4800~\text {K}\). Gwałtowne odparowanie materiału może spowodować, że powierzchnia próbki zostanie poddana nadmiernemu naciskowi i złuszczy się.
Wyniki symulacji numerycznej strefy topnienia wyżarzania pojedynczego impulsu laserowego na płytce próbnej 316L. Czas od początku impulsu do osiągnięcia maksymalnej wartości jeziorka stopionego wynosi \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) reprezentuje granicę między fazą ciekłą i stałą. Izobary (żółte linie) odpowiadają granicy plastyczności obliczonej w funkcji temperatury w następny podrozdział. Dlatego w dziedzinie między dwiema izoliniami (izotermy\(T=T_L\) i izobary\(\sigma =\sigma _V(T)\)) faza stała jest poddawana silnym obciążeniom mechanicznym, które mogą prowadzić do zmian w mikrostrukturze.
Efekt ten jest dokładniej wyjaśniony na rycinie 4a, gdzie poziom ciśnienia w strefie stopionej jest wykreślony w funkcji czasu i odległości od powierzchni. Po pierwsze, zachowanie ciśnienia jest związane z modulacją intensywności impulsu laserowego opisaną na rycinie 2 powyżej. Maksymalne ciśnienie \text{s}\) wynoszące około \(10~\text {MPa}\) zaobserwowano przy około \(t=26~\upmu). Po drugie, wahania lokalnego ciśnienia w punkcie kontrolnym mają taką samą charakterystykę oscylacji jak częstotliwość \(500~\text {kHz}\). Oznacza to, że ultradźwiękowe fale ciśnienia są generowane na powierzchni, a następnie rozchodzą się w podłożu.
Obliczone charakterystyki strefy deformacji w pobliżu strefy topnienia pokazano na rys. 4b. Ablacja laserowa i naprężenia termosprężyste generują fale deformacji sprężystej, które rozchodzą się w głąb podłoża. Jak widać na rysunku, są dwa etapy generowania naprężeń. ablacji, aw punktach kontrolnych nie zaobserwowano naprężeń termosprężystych, ponieważ początkowa strefa wpływu ciepła była zbyt mała. Kiedy ciepło jest rozpraszane do podłoża, punkt kontrolny generuje duże naprężenia termosprężyste powyżej \(40~\text {MPa}\).
Otrzymane modulowane poziomy naprężeń mają znaczący wpływ na granicę faz ciało stałe-ciecz i mogą być mechanizmem kontrolnym regulującym ścieżkę krzepnięcia. Rozmiar strefy deformacji jest 2 do 3 razy większy niż strefy topnienia. Jak pokazano na rysunku 3, porównano położenie izotermy topnienia i poziom naprężenia równy granicy plastyczności. Oznacza to, że impulsowe promieniowanie laserowe zapewnia duże obciążenia mechaniczne w zlokalizowanych obszarach o efektywnej średnicy od 300 do \(800~\upmu \text {m}\) w zależności od chwilowego czasu.
Dlatego złożona modulacja impulsowego wyżarzania laserowego prowadzi do efektu ultradźwiękowego. Ścieżka wyboru mikrostruktury jest inna w porównaniu z SLM bez obciążenia ultradźwiękowego. Zdeformowane niestabilne regiony prowadzą do okresowych cykli ściskania i rozciągania w fazie stałej. W ten sposób tworzenie nowych granic ziaren i granic podziarnistych staje się możliwe. Dlatego właściwości mikrostrukturalne można celowo zmieniać, jak pokazano poniżej. w tym przypadku induktor piezoelektryczny 26 używany gdzie indziej może być wykluczony.
(a) Ciśnienie w funkcji czasu, obliczone dla różnych odległości od powierzchni 0, 20 i \(40~\upmu \text {m}\) wzdłuż osi symetrii.
Eksperymenty przeprowadzono na płytkach ze stali nierdzewnej AISI 321H o wymiarach \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Po każdym impulsie laserowym płytka porusza się \(50~\upmu \text {m}\), a szerokość wiązki laserowej na powierzchni docelowej wynosi około \(100~\upmu \text {m}\). Wzdłuż tej samej ścieżki wykonuje się do pięciu kolejnych przejść wiązki w celu wywołania ponownego stopienia przetworzonego materiału w celu rozdrobnienia ziarna. We wszystkich przypadkach przetopiona strefa była sonikowana, w zależności od składowej oscylacyjnej promieniowania laserowego. Skutkuje to ponad 5-krotnym zmniejszeniem średniej powierzchni ziarna. Rysunek 5 pokazuje, jak zmienia się mikrostruktura obszaru przetopionego laserem wraz z liczbą kolejnych cykli przetapiania (przejść).
Podploty (a,d,g,j) i (b,e,h,k) – mikrostruktura obszarów przetopionych laserowo, podploty (c,f,i,l) – rozkład powierzchni kolorowych ziaren.Cieniowanie reprezentuje cząstki użyte do obliczenia histogramu. Kolory odpowiadają obszarom ziaren (patrz pasek koloru na górze histogramu). Podploty (ac) odpowiadają nieobrobionej stali nierdzewnej, a podploty (df), (gi), (jl) odpowiadają 1, 3 i 5 przetapieniom.
Ponieważ energia impulsu lasera nie zmienia się pomiędzy kolejnymi przejściami, głębokość strefy stopionej pozostaje taka sama. W ten sposób kolejny kanał całkowicie „przykrywa” poprzedni. Jednak histogram pokazuje, że średnia i mediana powierzchni ziarna zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby przejść. Może to wskazywać, że laser działa na podłoże, a nie na stopiony materiał.
Rozdrobnienie ziarna może być spowodowane gwałtownym ochłodzeniem jeziorka stopionego materiału65. Przeprowadzono kolejny zestaw eksperymentów, w których powierzchnie płyt ze stali nierdzewnej (321H i 316L) poddano działaniu ciągłego promieniowania laserowego w atmosferze (rys. 6) i próżni (rys. 7). Średnia moc lasera (odpowiednio 300 W i 100 W) oraz głębokość jeziorka stopionego są zbliżone do wyników eksperymentalnych lasera Nd:YAG w trybie swobodnym. Jednak typowa struktura kolumnowa zaobserwowano.
Mikrostruktura stopionego laserowo obszaru lasera z falą ciągłą (moc stała 300 W, prędkość skanowania 200 mm/s, stal nierdzewna AISI 321H).
(a) Mikrostruktura i (b) obrazy dyfrakcji wstecznej elektronów obszaru stopionego laserem w próżni za pomocą lasera z falą ciągłą (stała moc 100 W, prędkość skanowania 200 mm/s, stal nierdzewna AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Wyraźnie widać zatem, że złożona modulacja natężenia impulsu laserowego ma znaczący wpływ na otrzymaną mikrostrukturę. Uważamy, że efekt ten ma charakter mechaniczny i występuje w wyniku generowania drgań ultradźwiękowych rozchodzących się od napromieniowanej powierzchni stopu w głąb próbki. Podobne wyniki uzyskano w 13, 26, 34, 66, 67 przy użyciu zewnętrznych przetworników piezoelektrycznych i sonotrod zapewniających ultradźwięki o dużym natężeniu w różnych materiałach, w tym Ti-6Al-4 Stop V 26 i stal nierdzewna 34 są wynikiem. Możliwy mechanizm jest następujący. Intensywne ultradźwięki mogą powodować kawitację akustyczną, jak wykazano w ultraszybkim synchrotronowym obrazowaniu rentgenowskim in situ. Z kolei zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych generuje fale uderzeniowe w stopionym materiale, którego ciśnienie przednie sięga około \(100~\text {MPa}\) 69. Takie fale uderzeniowe mogą być wystarczająco silne, aby sprzyjać tworzeniu jąder fazy stałej o krytycznej wielkości w cieczach masowych , zakłócając typową kolumnową strukturę ziarnistą wytwarzania dodatków warstwa po warstwie.
Tutaj proponujemy inny mechanizm odpowiedzialny za modyfikację strukturalną przez intensywną sonikację. Natychmiast po zestaleniu materiał ma wysoką temperaturę bliską temperaturze topnienia i ma wyjątkowo niską granicę plastyczności. Intensywne fale ultradźwiękowe mogą powodować przepływ plastyczny w celu zmiany struktury ziarna gorącego, właśnie zestalonego materiału. Jednak wiarygodne dane eksperymentalne dotyczące zależności granicy plastyczności od temperatury są dostępne w \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (patrz rysunek 8). Dlatego też, aby przetestować tę hipotezę , przeprowadziliśmy symulacje dynamiki molekularnej (MD) składu Fe-Cr-Ni podobnego do stali AISI 316 L w celu oceny zachowania granicy plastyczności w pobliżu temperatury topnienia. Aby obliczyć granicę plastyczności, wykorzystaliśmy technikę relaksacji naprężeń ścinających MD, opisaną szczegółowo w 70, 71, 72, 73. Do obliczeń interakcji międzyatomowych wykorzystaliśmy wbudowany model atomowy (EAM) z 74. Symulacje MD przeprowadzono przy użyciu kodów LAMMPS 75, 76. Szczegóły symulacji MD zostaną opublikowane w innym miejscu. Wyniki obliczeń MD granicy plastyczności w funkcji temperatury przedstawiono na ryc. 8 wraz z dostępnymi danymi eksperymentalnymi i innymi ocenami77,78,79,80,81,82.
Granica plastyczności dla austenitycznej stali nierdzewnej AISI klasy 316 i skład modelu w funkcji temperatury do symulacji MD. Pomiary eksperymentalne z pozycji literaturowych: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. odnoszą się do. (f) 82 to empiryczny model zależności granicy plastyczności od temperatury dla pomiaru naprężenia w linii podczas wytwarzania przyrostowego wspomaganego laserem. Wyniki wielkoskalowego Symulacje MD w tym badaniu są oznaczone jako \(\vartriangleleft\) dla wolnego od defektów nieskończonego monokryształu i \(\vartriangleright\) dla skończonych ziaren, biorąc pod uwagę średni rozmiar ziarna za pomocą relacji Halla-Petcha Wymiary\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Można zauważyć, że przy \(T>1500~\text {K}\) granica plastyczności spada poniżej \(40~\text {MPa}\). Z drugiej strony szacunki przewidują, że generowana laserowo amplituda ultradźwięków przekracza \(40~\text {MPa}\) (patrz rys. 4b), co jest wystarczające do wywołania płynięcia plastycznego w gorącym materiale, który właśnie zestalił się.
Tworzenie mikrostruktury austenitycznej stali nierdzewnej 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) podczas SLM badano eksperymentalnie przy użyciu pulsacyjnego źródła laserowego o złożonej modulacji intensywności.
Stwierdzono zmniejszenie wielkości ziarna w strefie topienia laserowego w wyniku ciągłego przetapiania laserowego po 1, 3 lub 5 przejściach.
Modelowanie makroskopowe pokazuje, że szacowany rozmiar obszaru, w którym deformacja ultradźwiękowa może pozytywnie wpłynąć na front krzepnięcia, wynosi do \(1~\text {mm}\).
Mikroskopijny model MD pokazuje, że granica plastyczności austenitycznej stali nierdzewnej AISI 316 jest znacznie zmniejszona do \(40~\text {MPa}\) w pobliżu temperatury topnienia.
Uzyskane wyniki sugerują metodę sterowania mikrostrukturą materiałów za pomocą złożonej modulowanej obróbki laserowej i mogą posłużyć jako podstawa do stworzenia nowych modyfikacji pulsacyjnej techniki SLM.
Liu, Y. i wsp. Ewolucja mikrostruktury i właściwości mechaniczne kompozytów TiB2/AlSi10Mg in situ metodą selektywnego topienia laserowego [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. i wsp. Inżynieria granic ziaren rekrystalizacji selektywnego topienia laserowego stali nierdzewnej 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Rozwój in situ mikrostruktur warstwowych o zwiększonej plastyczności przez ponowne ogrzewanie laserowe stopionych laserowo stopów tytanu.science.Rep.10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Wytwarzanie addytywne części Ti-6Al-4V metodą laserowego osadzania metalu (LMD): proces, mikrostruktura i właściwości mechaniczne. 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 powder ukierunkowane osadzanie energii stopu 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. i in.Parametryczne badanie obrazowania krawędzi neutronów Bragga próbek wytwarzanych addytywnie poddanych obróbce laserem Shock Peening.science.Rep.11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradientowa mikrostruktura i właściwości mechaniczne Ti-6Al-4V wytwarzane addytywnie przez topienie wiązką elektronów. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).