Vă mulțumim că vizitați Nature.com.Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom afișa site-ul fără stil și JavaScript.
Este propus un nou mecanism bazat pe topirea selectivă cu laser pentru a controla microstructura produselor în procesul de fabricație. Mecanismul se bazează pe generarea de unde ultrasunete de mare intensitate în bazinul de topire prin iradiere laser cu intensitate modulată complexă. Studiile experimentale și simulările numerice arată că acest mecanism de control este fezabil din punct de vedere tehnic și poate fi integrat eficient în proiectarea mașinilor moderne de topire cu laser.
Fabricația aditivă (AM) a pieselor în formă complexă a crescut semnificativ în ultimele decenii. Cu toate acestea, în ciuda varietății de procese de fabricație aditivă, inclusiv topirea selectivă cu laser (SLM)1,2,3, depunerea directă a metalului cu laser4,5,6, topirea cu fascicul de electroni7,8 și altele9,10, procesul de topire a părților poate fi asociat în principal cu caracteristicile defectuoase ale procesului de topire. gradienți termici înalți, viteze mari de răcire și complexitatea ciclurilor de încălzire în topirea și retopirea materialelor11, care duc la creșterea granulelor epitaxiale și la o porozitate semnificativă12,13.Rezultatele arată că este necesar să se controleze gradienții termici, vitezele de răcire și compoziția aliajului sau să se aplice șocuri fizice suplimentare prin câmpuri externe cu diferite proprietăți (de exemplu, ultrasunete) pentru a obține structuri fine echiaxiale.
Numeroase publicații sunt preocupate de efectul tratamentului prin vibrații asupra procesului de solidificare în procesele convenționale de turnare14,15. Cu toate acestea, aplicarea unui câmp extern la topituri în vrac nu produce microstructura materialului dorită. Dacă volumul fazei lichide este mic, situația se schimbă dramatic. În acest caz, câmpul extern afectează semnificativ procesul de solidificare. ,20,21,22,23,24,25,26,27, agitarea arcului28 și oscilație29, arcuri cu plasmă pulsată30,31 și alte metode32. Atașați la substrat folosind o sursă externă de ultrasunete de mare intensitate (la 20 kHz). cristalite prin cavitaţie.
În această lucrare, am investigat posibilitatea modificării structurii granulare a oțelurilor inoxidabile austenitice prin sonicarea bazinului topit cu undele sonore generate de laserul în topire în sine. Modularea intensității radiației laser incidente pe mediul absorbant de lumină are ca rezultat generarea de unde ultrasunete, care modifică microstructura materialului. Acest lucru poate fi integrat cu ușurință în experimentele de intensitate a radiației existente în experimentele laser existente. este realizată pe plăci de oțel inoxidabil ale căror suprafețe au fost expuse la radiații laser cu intensitate modulată. Deci, din punct de vedere tehnic, se face tratarea suprafeței cu laser. Cu toate acestea, dacă se efectuează un astfel de tratament cu laser pe suprafața fiecărui strat, în timpul formării strat cu strat, se realizează efecte asupra întregului volum sau asupra părților selectate ale volumului.
În timp ce în terapia ultrasonică bazată pe corn cu ultrasunete, energia ultrasonică a undei sonore staționare este distribuită în întreaga componentă, în timp ce intensitatea ultrasonică indusă de laser este foarte concentrată în apropierea punctului în care radiația laser este absorbită. Folosirea unui sonotrod într-o mașină de fuziune cu strat de pulbere SLM este complicată, deoarece suprafața superioară a patului de pulbere nu este expusă la suprafața de radiație. e, stresul acustic este aproape de zero, iar viteza particulelor are o amplitudine maximă pe toată suprafața superioară a piesei. Presiunea sonoră din interiorul întregului bazin topit nu poate depăși 0,1% din presiunea maximă generată de capul de sudură, deoarece lungimea de undă a undelor ultrasonice cu o frecvență de 20 kHz în oțel inoxidabil este de obicei \(\sim Thesm {0.3\sim{1}), iar textul este mai mic decât 0.3 p. ~\text {mm}\). Prin urmare, efectul ultrasunetelor asupra cavitației poate fi mic.
Trebuie remarcat faptul că utilizarea radiației laser cu intensitate modulată în depunerea directă a metalelor cu laser este un domeniu activ de cercetare35,36,37,38.
Efectul termic al radiației laser incidente asupra mediului este baza pentru aproape toate tehnicile laser 39, 40 pentru prelucrarea materialelor, cum ar fi tăierea41, sudarea, călirea, găurirea42, curățarea suprafețelor, alierea suprafețelor, lustruirea suprafețelor43 etc.
Trebuie remarcat faptul că orice acțiune non-staționară asupra mediului, inclusiv acțiunea laser asupra mediului absorbant, are ca rezultat excitarea undelor acustice în acesta cu o eficiență mai mare sau mai puțină. 0, 51, 52 oferă analize teoretice ale acestui proces și posibilele sale aplicații practice.
Aceste probleme au fost discutate ulterior la diferite conferințe, iar excitarea cu laser a ultrasunetelor are aplicații atât în ​​aplicațiile industriale ale tehnologiei laser53, cât și în medicină54. Prin urmare, se poate considera că a fost stabilit conceptul de bază al procesului prin care lumina laser pulsată acționează pe un mediu absorbant.
Efectul undelor de șoc generate cu laser asupra materialelor stă la baza șocării cu laser57,58,59, care este folosită și pentru tratarea suprafeței pieselor fabricate aditiv60. Cu toate acestea, întărirea șocului cu laser este cea mai eficientă pe pulsurile laser nanosecunde și pe suprafețele încărcate mecanic (de exemplu, cu un strat de lichid)59 deoarece presiunea mecanică crește.
Au fost efectuate experimente pentru a investiga efectele posibile ale diferitelor câmpuri fizice asupra microstructurii materialelor solidificate. Diagrama funcțională a configurației experimentale este prezentată în Figura 1. Un laser cu stare solidă Nd:YAG în impulsuri care funcționează în modul de rulare liberă (durata impulsului \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ ) a fost folosită o serie de filtri de puls împărțite printr-o serie de filtre neutre și a fost divizată printr-o serie de impulsuri neutre. În funcție de combinația de filtre cu densitate neutră, energia pulsului de pe țintă variază de la \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) la \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Fasciculul laser reflectat de divizorul de fascicul este alimentat la o fotodiodă pentru achiziția de date lungă, timp de răspuns lung de două calorii. }\)) sunt utilizate pentru a determina incidentul și reflectat de la țintă și două contoare de putere (fotodiode cu timpi de răspuns scurti\(<10~\text {ns}\)) pentru a determina puterea optică incidentă și reflectată. Calorimetrele și contoarele de putere au fost calibrate pentru a da valori în unități absolute folosind un detector cu termopilă Gentec-EO XLP12-3S-am montat pe o țintă dielectrică și montate pe o țintă dielectrică. o lentilă (acoperire antireflexie la \(1,06 \upmu \text {m}\), distanța focală \(160~\text {mm}\)) și o talie a fasciculului la suprafața țintă 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schema schematică funcțională a montajului experimental: 1—laser;2 — fascicul laser;3—filtru de densitate neutră;4—fotodioda sincronizata;5—divizor fascicul;6—diafragma;7 — calorimetrul fasciculului incident;8 – calorimetrul fasciculului reflectat;9 – contor de putere al fasciculului incident;10 – contor de putere fascicul reflectat;11 – lentila de focalizare;12 – oglindă;13 – proba;14 – traductor piezoelectric de bandă largă;15 – convertor 2D;16 – microcontroler de poziționare;17 – unitate de sincronizare;18 – sistem de achiziție digitală multicanal cu diverse rate de eșantionare;19 – calculator personal.
Tratamentul cu ultrasunete se efectuează după cum urmează. Laserul funcționează în modul de rulare liberă;prin urmare, durata pulsului laser este \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), care constă din mai multe durate de aproximativ \(1,5~\upmu \text {s} \) fiecare. Forma temporală a impulsului laser și spectrul său constau dintr-o anvelopă de joasă frecvență și o modulație de frecvență înaltă a \(0,5~\upmu \text {s } \), cu aproximativ \(An MH7} în figura de frecvență medie. - Învelișul de frecvență asigură încălzirea și topirea și evaporarea ulterioară a materialului, în timp ce componenta de înaltă frecvență asigură vibrațiile ultrasonice datorate efectului fotoacustic. Forma de undă a impulsului ultrasonic generat de laser este determinată în principal de forma de timp a intensității impulsului laser.Este de la \(7~\text {kHz}\) la \ (2~\text {MHz}\), iar frecvența centrală este \(~ 0,7~\text {MHz}\). Impulsurile acustice datorate efectului fotoacustic au fost înregistrate folosind traductoare piezoelectrice de bandă largă din pelicule de fluorură de poliviniliden. a unui laser în mod liber.
Distribuția temporală a intensității impulsului laser (a) și viteza sunetului la suprafața din spate a probei (b), spectrele pulsului laser (c) și impulsului ultrasonic (d) au avut o medie de peste 300 de impulsuri laser (curbă roșie) pentru un singur impuls laser (curbă albastră).
Putem distinge clar componentele de joasă frecvență și de înaltă frecvență ale tratamentului acustic corespunzătoare anvelopei de joasă frecvență a impulsului laser și, respectiv, modulației de înaltă frecvență. Lungimile de undă ale undelor acustice generate de anvelopa impulsului laser depășesc \(40~\text {cm}\);prin urmare, este de așteptat efectul principal al componentelor de bandă largă de înaltă frecvență ale semnalului acustic asupra microstructurii.
Procesele fizice din SLM sunt complexe și au loc simultan la diferite scări spațiale și temporale. Prin urmare, metodele multi-scale sunt cele mai potrivite pentru analiza teoretică a SLM. Modelele matematice ar trebui să fie inițial multi-fizice. Mecanica și termofizica unui mediu multifazic „topitură solid-lichid” care interacționează cu o atmosferă de gaz inert.
Rate de încălzire și răcire de până la \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ datorită iradierii laser localizate cu densități de putere de până la \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ciclul de topire-solidificare durează între 1 și \(10~\text {ms}\), ceea ce contribuie la solidificarea rapidă a zonei de topire în timpul răcirii.
Încălzirea rapidă a suprafeței probei are ca rezultat formarea unor tensiuni termoelastice mari în stratul de suprafață. O porțiune suficientă (până la 20%) a stratului de pulbere este puternic evaporată63, ceea ce are ca rezultat o sarcină suplimentară de presiune pe suprafață ca răspuns la ablația cu laser. În consecință, deformarea indusă distorsionează semnificativ geometria piesei și are ca rezultat o rată de căldură ridicată a elementelor de susținere. generarea de unde ultrasunete de deformare care se propagă de la suprafață la substrat. Pentru a obține date cantitative precise privind distribuția locală a tensiunii și a deformarii, se realizează o simulare mezoscopică a problemei deformației elastice conjugată cu transferul de căldură și masă.
Ecuațiile de guvernare ale modelului includ (1) ecuații de transfer de căldură instabile în care conductivitatea termică depinde de starea de fază (pulbere, topitură, policristalină) și temperatură, (2) fluctuații ale deformației elastice după ablația continuă și ecuația de expansiune termoelastică. Problema valorii limită este determinată de condițiile experimentale. fluxul este definit pe baza calculului presiunii de vapori saturați a materialului care se evaporă. Relația stres-deformație elastoplastică este utilizată în cazul în care stresul termoelastic este proporțional cu diferența de temperatură. Pentru puterea nominală \(300~\text {W}\), frecvența \(10^5~\text {Hz}\), coeficientul intermitent 100 și \\\mu)dimetru efectiv 100~\text {W}\.
Figura 3 prezintă rezultatele simulării numerice a zonei topite folosind un model matematic macroscopic. Diametrul zonei de fuziune este \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) rază) și \(40~\upmu \text {m}\) adâncimea. ) datorită factorului intermitent ridicat al modulării impulsului. Ratele de încălzire \(V_h\) și de răcire \(V_c\) sunt de ordinul \(10^7\) și respectiv \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Aceste valori sunt în acord cu analiza noastră anterioară64. , unde conducția termică la substrat este insuficientă pentru a îndepărta căldura. Prin urmare, la \(t=26~\upmu \text {s}\) temperatura suprafeței atinge vârfurile la \(4800~\text {K}\). Evaporarea viguroasă a materialului poate face ca suprafața probei să fie supusă unei presiuni excesive și să se desprindă.
Rezultatele simulării numerice ale zonei de topire a recoacerii cu un singur impuls laser pe o placă de probă de 316L. Timpul de la începutul pulsului până la adâncimea bazinului de topire care atinge valoarea maximă este \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) reprezintă liniile izobare lichide și linia solidă (limita corespunzătoare a fazei) lichide. d efort calculat în funcție de temperatură în secțiunea următoare. Prin urmare, în domeniul dintre cele două izolinii (izoterme\(T=T_L\) și izobare\(\sigma =\sigma _V(T)\)), faza solidă este supusă unor sarcini mecanice puternice, care pot duce la modificări ale microstructurii.
Acest efect este explicat în continuare în Figura 4a, unde nivelul presiunii în zona topită este reprezentat în funcție de timp și distanță de la suprafață. În primul rând, comportamentul presiunii este legat de modularea intensității pulsului laser descrisă în Figura 2 de mai sus. O presiune maximă \text{s}\) de aproximativ \(10~\text {MPa}\) a fost observată la aproximativ \(t = 2) de control local. caracteristici de vibrație ca frecvența \(500~\text {kHz}\). Aceasta înseamnă că undele de presiune ultrasonice sunt generate la suprafață și apoi se propagă în substrat.
Caracteristicile calculate ale zonei de deformare din apropierea zonei de topire sunt prezentate în Fig. 4b. Ablația cu laser și stresul termoelastic generează unde elastice de deformare care se propagă în substrat. După cum se poate observa din figură, există două etape de generare a tensiunii. presiunea suprafeței. Acest stres apare datorită ablației cu laser și nu s-a observat nicio stres termoelastic în punctele de control deoarece zona inițială afectată de căldură a fost prea mică. Când căldura este disipată în substrat, punctul de control generează stres termoelastic ridicat peste \(40~\text {MPa}\).
Nivelurile de stres modulate obținute au un impact semnificativ asupra interfeței solid-lichid și pot fi mecanismul de control care guvernează traseul de solidificare. Mărimea zonei de deformare este de 2 până la 3 ori mai mare decât cea a zonei de topire. După cum se arată în Figura 3, se compară locația izotermei de topire și nivelul de stres egal cu efortul de curgere. 300 și \(800~\upmu \text {m}\) în funcție de timpul instantaneu.
Prin urmare, modularea complexă a recoacerii cu laser pulsat duce la efectul ultrasonic. Calea de selecție a microstructurii este diferită în comparație cu SLM fără încărcare ultrasonică. Regiunile instabile deformate duc la cicluri periodice de compresie și întindere în faza solidă. Astfel, formarea de noi granițe și limite de subgranule devine fezabilă. În acest caz, inductorul piezoelectric 26 folosit în altă parte poate fi exclus.
(a) Presiunea în funcție de timp, calculată la distanțe diferite de suprafața 0, 20 și \(40~\upmu \text {m}\) de-a lungul axei de simetrie. (b) Efortul Von Mises dependent de timp calculat într-o matrice solidă la distanțe 70, 120 și \(170~\upmu \text {m}\) de suprafața eșantionului.
Experimentele au fost efectuate pe plăci din oțel inoxidabil AISI 321H cu dimensiunile \(20\x 20\time 5~\text {mm}\). După fiecare impuls laser, placa se mișcă \(50~\upmu \text {m}\), iar talia fasciculului laser de pe suprafața țintă este de aproximativ \(100~\text {mm}\). Retopirea materialului prelucrat pentru rafinarea cerealelor. În toate cazurile, zona retopită a fost sonicată, în funcție de componenta oscilativă a radiației laser. Acest lucru are ca rezultat o reducere de peste 5 ori a suprafeței medii a granulelor.
Subploturi (a,d,g,j) și (b,e,h,k) – microstructura regiunilor topite cu laser, subploturi (c,f,i,l) – distribuția zonei a granulelor colorate.Umbrirea reprezintă particulele utilizate pentru calcularea histogramei. Culorile corespund regiunilor de cereale (vezi bara de culoare din partea de sus a histogramei. Subploturile (ac) corespund oțelului inoxidabil netratat, iar subparcele (df), (gi), (jl) corespund 1, 3 și 5 retopiri.
Deoarece energia impulsului laser nu se modifică între trecerile ulterioare, adâncimea zonei topite este aceeași. Astfel, canalul următor îl „acoperă” complet pe cel precedent. Cu toate acestea, histograma arată că aria medie și mediană a granulelor scade odată cu creșterea numărului de treceri. Acest lucru poate indica că laserul acționează mai degrabă asupra substratului decât asupra topiturii.
Rafinarea cerealelor poate fi cauzată de răcirea rapidă a bazinului topit65. A fost efectuat un alt set de experimente în care suprafețele plăcilor de oțel inoxidabil (321H și 316L) au fost expuse la radiații laser cu undă continuă în atmosferă (Fig. 6) și vid (Fig. 7). modul de rulare liberă. Cu toate acestea, a fost observată o structură coloană tipică.
Microstructura regiunii topite cu laser a unui laser cu undă continuă (putere constantă 300 W, viteză de scanare 200 mm/s, oțel inoxidabil AISI 321H).
(a) Microstructură și (b) imagini de difracție cu retroîmprăștiere de electroni ale regiunii topite cu laser în vid cu un laser cu undă continuă (100 W putere constantă, 200 mm/s viteză de scanare, oțel inoxidabil AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Prin urmare, se arată în mod clar că modularea complexă a intensității impulsului laser are un efect semnificativ asupra microstructurii rezultate. Credem că acest efect este de natură mecanică și are loc datorită generării de vibrații ultrasonice care se propagă de pe suprafața iradiată a topiturii adânc în probă. inclusiv aliajul Ti-6Al-4V 26 și oțelul inoxidabil 34 rezultatul. Posibilul mecanism este speculat după cum urmează. Ultrasunetele intense pot provoca cavitație acustică, așa cum s-a demonstrat în imagistica ultrarapidă cu raze X cu sincrotron in situ. Prăbușirea bulelor de cavitație generează, la rândul său, unde de șoc în materialul topit, a căror undă de șoc poate ajunge la o presiune frontală. suficient de puternic pentru a promova formarea de nuclee în fază solidă de dimensiuni critice în lichide în vrac, perturbând structura tipică a granulelor columnare a fabricării aditive strat cu strat.
Aici, propunem un alt mecanism responsabil de modificarea structurală prin sonicare intensă. Imediat după solidificare, materialul se află la o temperatură ridicată, aproape de punctul de topire și are o tensiune de curgere extrem de scăzută. Undele ultrasunete intense pot determina ca curgerea plastică să modifice structura granulară a materialului fierbinte, doar solidificat. Prin urmare, pentru a testa această ipoteză, am efectuat simulări de dinamică moleculară (MD) a unei compoziții Fe-Cr-Ni asemănătoare cu oțelul AISI 316 L pentru a evalua comportamentul efortului de curgere în apropierea punctului de topire. Pentru a calcula efortul de curgere, am folosit tehnica de relaxare a tensiunii de forfecare MD detaliată în 70, 71, 72, 72, 73, 72, 73, 72, 73, 72, 73. ) din 74.Simulările MD au fost efectuate folosind codurile LAMMPS 75,76.Detaliile despre simulările MD vor fi publicate în altă parte. Rezultatele calculului MD ale efortului de curgere în funcție de temperatură sunt prezentate în Fig. 8 împreună cu datele experimentale disponibile și alte evaluări77,78,79,80,81,82.
Limita de curgere pentru oțel inoxidabil austenitic AISI 316 și compoziția modelului față de temperatură pentru simulările MD. Măsurători experimentale din referințe: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. se referă la.(f) 82 este un model empiric de măsurare a tensiunii de curgere dependente de temperatură cu laser pentru măsurarea tensiunii de curgere în linie de producție dependentă de temperatură. .Rezultatele simulărilor MD la scară mare din acest studiu sunt notate ca \(\vartriangleleft\) pentru un monocristal infinit fără defecte și \(\vartriangleright\) pentru granule finite ținând cont de dimensiunea medie a granulelor prin relația Hall-Petch Dimensiuni\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Se poate observa că la \(T>1500~\text {K}\) limita de curgere scade sub \(40~\text {MPa}\). Pe de altă parte, estimările prevăd că amplitudinea ultrasonică generată de laser depășește \(40~\text {MPa}\) (vezi Fig. 4b), ceea ce este suficient pentru a induce curgerea solidă a materialului fierbinte.
Formarea microstructurii oțelului inoxidabil austenitic 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) în timpul SLM a fost investigată experimental utilizând o sursă laser pulsată cu intensitate modulată complexă.
Reducerea dimensiunii granulelor în zona de topire a laserului a fost găsită datorită retopirii continue a laserului după 1, 3 sau 5 treceri.
Modelarea macroscopică arată că dimensiunea estimată a regiunii în care deformarea ultrasonică poate afecta pozitiv frontul de solidificare este de până la \(1~\text {mm}\).
Modelul MD microscopic arată că limita de curgere a oțelului inoxidabil austenitic AISI 316 este redusă semnificativ la \(40~\text {MPa}\) în apropierea punctului de topire.
Rezultatele obținute sugerează o metodă de control al microstructurii materialelor folosind procesare laser modulată complexă și ar putea servi drept bază pentru crearea de noi modificări ale tehnicii SLM în impulsuri.
Liu, Y. et al. Evoluția microstructurală și proprietățile mecanice ale compozitelor in situ TiB2/AlSi10Mg prin topire selectivă cu laser [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Recristalizarea granulelor de inginerie a limitelor de topire selectivă cu laser a oțelului inoxidabil 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Dezvoltarea in situ a microstructurilor sandwich cu ductilitate îmbunătățită prin reîncălzirea cu laser a aliajelor de titan topite cu laser.știință.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. și colab. Fabricarea aditivă a pieselor Ti-6Al-4V prin depunere de metal cu laser (LMD): proces, microstructură și proprietăți mecanice.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Modelarea microstructurală a depunerii de energie dirijată cu pulbere metalică laser a aliajului 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. și colab. Studiu de imagistică parametric Neutron Bragg Edge al mostrelor fabricate aditiv tratate cu șoc cu laser peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. și colab. Microstructura gradientului și proprietățile mecanice ale Ti-6Al-4V fabricate aditiv prin topire cu fascicul de electroni.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).