Благодарим вас за посещение Nature.com. Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для получения наилучших результатов мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Предложен новый механизм, основанный на селективном лазерном плавлении, для управления микроструктурой изделий в процессе производства. Механизм основан на генерации высокоинтенсивных ультразвуковых волн в расплавленной ванне с помощью комплексного модулированного по интенсивности лазерного излучения. Экспериментальные исследования и численное моделирование показывают, что этот механизм управления технически осуществим и может быть эффективно интегрирован в конструкцию современных машин селективного лазерного плавления.
Аддитивное производство (АП) деталей сложной формы значительно расширилось за последние десятилетия. Однако, несмотря на разнообразие процессов аддитивного производства, включая селективное лазерное плавление (СЛП)1,2,3, прямое лазерное осаждение металла4,5,6, электронно-лучевую плавку7,8 и др.9,10, детали могут быть бракованными. которые приводят к эпитаксиальному росту зерен и значительной пористости12,13.Результаты показывают, что необходимо контролировать температурные градиенты, скорости охлаждения и состав сплава или применять дополнительные физические удары через внешние поля с различными свойствами (например, ультразвук) для получения мелкозернистой равноосной структуры.
Многочисленные публикации посвящены влиянию вибрационной обработки на процесс затвердевания в обычных процессах литья14,15. Однако воздействие внешнего поля на массивные расплавы не приводит к получению желаемой микроструктуры материала.Если объем жидкой фазы мал, ситуация резко меняется.В этом случае внешнее поле существенно влияет на процесс затвердевания. 27, дуговое перемешивание 28 и колебание 29, импульсные плазменные дуги 30, 31 и другие методы 32. Прикрепление к подложке с помощью внешнего источника ультразвука высокой интенсивности (на частоте 20 кГц). Вызванное ультразвуком измельчение зерна связано с увеличением композиционной зоны переохлаждения из-за уменьшенного температурного градиента и усиления ультразвука для образования новых кристаллитов посредством кавитации.
В этой работе мы исследовали возможность изменения структуры зерен аустенитных нержавеющих сталей путем ультразвуковой обработки расплавленной ванны звуковыми волнами, генерируемыми самим плавящим лазером. Модуляция интенсивности лазерного излучения, падающего на светопоглощающую среду, приводит к генерации ультразвуковых волн, которые изменяют микроструктуру материала. Эта модуляция интенсивности лазерного излучения может быть легко интегрирована в существующие SLM 3D-принтеры. Таким образом, технически выполняется лазерная обработка поверхности. Однако если такую ​​лазерную обработку проводить на поверхности каждого слоя, то при послойном наращивании достигается воздействие на весь объем или на отдельные части объема. Другими словами, если деталь строится послойно, то лазерная обработка поверхности каждого слоя эквивалентна «лазерной объемной обработке».
В то время как в ультразвуковой рупорной ультразвуковой терапии ультразвуковая энергия стоячей звуковой волны распределяется по всему компоненту, в то время как лазерно-индуцированная ультразвуковая интенсивность сильно сконцентрирована вблизи точки, где лазерное излучение поглощается. Использование сонотрода в машине для плавки с порошковым слоем SLM осложнено тем, что верхняя поверхность порошкового слоя, подвергаемая воздействию лазерного излучения, должна оставаться неподвижной. Кроме того, на верхней поверхности детали нет механического напряжения. амплитуда по всей верхней поверхности детали. Звуковое давление внутри всей ванны расплава не может превышать 0,1% от максимального давления, создаваемого сварочной головкой, поскольку длина волны ультразвуковых волн частотой 20 кГц в нержавеющей стали составляет \(\sim 0,3~\text {м}\), а глубина обычно меньше \(\sim 0,3~\text {мм}\). Поэтому влияние ультразвука на кавитацию может быть небольшим.
Следует отметить, что использование модулированного по интенсивности лазерного излучения при прямом лазерном осаждении металлов является активной областью исследований35,36,37,38.
Тепловое воздействие лазерного излучения, падающего на среду, лежит в основе практически всех лазерных технологий39, 40 обработки материалов, таких как резка41, сварка, закалка, сверление42, очистка поверхности, легирование поверхности, полировка43 поверхности и т. д. Изобретение лазера стимулировало новые разработки в технологии обработки материалов, и предварительные результаты обобщены в многочисленных обзорах и монографиях44,45,46.
Следует отметить, что любое нестационарное воздействие на среду, в том числе лазерное воздействие на поглощающую среду, приводит к возбуждению в ней акустических волн с большей или меньшей эффективностью. Первоначально основное внимание уделялось лазерному возбуждению волн в жидкостях и различным тепловым механизмам возбуждения звука (тепловое расширение, испарение, изменение объема при фазовом переходе, сжатие и др.) 47, 48, 49. s этого процесса и его возможных практических приложений.
Эти вопросы впоследствии обсуждались на различных конференциях, и лазерное возбуждение ультразвука нашло применение как в промышленных приложениях лазерной техники53, так и в медицине54. Таким образом, можно считать, что основная концепция процесса, посредством которого импульсный лазерный свет воздействует на поглощающую среду, была установлена. Лазерный ультразвуковой контроль используется для обнаружения дефектов образцов, изготовленных методом СЛП55,56.
Воздействие генерируемых лазером ударных волн на материалы лежит в основе лазерной ударной обработки57,58,59, которая также используется для обработки поверхности деталей, изготовленных аддитивным способом60. Однако лазерное ударное упрочнение наиболее эффективно на наносекундных лазерных импульсах и механически нагруженных поверхностях (например, со слоем жидкости)59, поскольку механическая нагрузка увеличивает пиковое давление.
Были проведены эксперименты по изучению возможного влияния различных физических полей на микроструктуру затвердевших материалов. Функциональная схема экспериментальной установки показана на рис. энергия на мишени изменяется от \(E_L \sim 20~\text {мДж}\) до \(E_L \sim 100~\text {мДж}\). Лазерный луч, отраженный от светоделителя, подается на фотодиод для одновременного сбора данных, а два калориметра (фотодиоды с большим временем отклика, превышающим \(1~\text {мс}\)) используются для определения падающего на цель и отраженного от него, и два измерителя мощности (фотодиоды с коротким откликом раз\(<10~\текст {нс}\)) для определения падающей и отраженной оптической мощности. Калориметры и измерители мощности были откалиброваны для получения значений в абсолютных единицах с использованием детектора на термобатареях Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 и диэлектрического зеркала, установленного в месте расположения образца. \)) и перетяжка луча на поверхности мишени 60– \(100~\upmu\text {м}\).
Функциональная схема экспериментальной установки: 1 — лазер;2—лазерный луч;3—фильтр нейтральной плотности;4 — синхронизирующий фотодиод;5—светоделитель;6—диафрагма;7 — калориметр падающего пучка;8 – калориметр отраженного пучка;9 – измеритель мощности падающего пучка;10 – измеритель мощности отраженного луча;11 – фокусирующая линза;12 – зеркало;13 – образец;14 – широкополосный пьезоэлектрический преобразователь;15 – конвертер 2D;16 – микроконтроллер позиционирования;17 – блок синхронизации;18 – многоканальная цифровая система сбора данных с различной частотой дискретизации;19 – персональный компьютер.
Ультразвуковая обработка осуществляется следующим образом. Лазер работает в автономном режиме;поэтому длительность лазерного импульса составляет \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {с}\), которая состоит из нескольких длительностей приблизительно \(1,5~\upmu \text {с} \) каждая. В то время как высокочастотная составляющая обеспечивает ультразвуковые колебания за счет фотоакустического эффекта. Форма волны ультразвукового импульса, генерируемого лазером, в основном определяется временной формой интенсивности лазерного импульса.Она составляет от \(7~\text {кГц}\) до \ (2~\text {МГц}\), а центральная частота \(~ 0,7~\text {МГц}\). Акустические импульсы, обусловленные фотоакустическим эффектом, регистрировались широкополосными пьезоэлектрическими преобразователями из поливинилиденфторидных пленок. Зарегистрированная форма волны и ее спектр показаны на рис. .
Временное распределение интенсивности лазерного импульса (а) и скорости звука на задней поверхности образца (б), спектры лазерного импульса (в) и ультразвукового импульса (г), усредненные по 300 лазерным импульсам (красная кривая) для одного лазерного импульса (синяя кривая).
Мы можем четко различать низкочастотную и высокочастотную составляющие акустической обработки, соответствующие низкочастотной огибающей лазерного импульса и высокочастотной модуляции соответственно. Длины волн акустических волн, генерируемых огибающей лазерного импульса, превышают \(40~\text {см}\);поэтому ожидается основное влияние на микроструктуру широкополосных высокочастотных составляющих акустического сигнала.
Физические процессы в СЛС сложны и протекают одновременно в разных пространственных и временных масштабах. Поэтому для теоретического анализа СМС наиболее подходят многомасштабные методы. Математические модели изначально должны быть мультифизическими. Механика и теплофизика многофазной среды «твердое тело-жидкий расплав», взаимодействующей с атмосферой инертного газа, затем могут быть эффективно описаны. Характеристики тепловых нагрузок на материалы в СМС следующие.
Скорость нагрева и охлаждения до \(10^6~\text {K}/\text {с}\) /\text{ за счет локализованного лазерного излучения с плотностью мощности до \(10^{13}~\text {Вт см}^2\).
Цикл плавление-затвердевание длится от 1 до \(10~\text {мс}\), что способствует быстрому затвердеванию зоны плавления при охлаждении.
Быстрый нагрев поверхности образца приводит к возникновению высоких термоупругих напряжений в поверхностном слое. Достаточная (до 20%) часть порошкового слоя сильно испаряется63, что приводит к дополнительной нагрузке давлением на поверхность в ответ на лазерную абляцию. Следовательно, индуцированная деформация существенно искажает геометрию детали, особенно вблизи опор и тонких элементов конструкции. Высокая скорость нагрева при импульсном лазерном отжиге приводит к генерации ультразвуковых волн деформации, распространяющихся от поверхности к подложке. получить точные количественные данные о локальном распределении напряжений и деформаций, выполняется мезоскопическое моделирование задачи упругого деформирования, сопряженной с тепломассопереносом.
Определяющие уравнения модели включают (1) уравнения нестационарного теплообмена, где теплопроводность зависит от фазового состояния (порошок, расплав, поликристалл) и температуры, (2) флуктуации упругой деформации после непрерывной абляции и уравнение термоупругого расширения. Краевая задача определяется условиями эксперимента. Модулированный лазерный поток определяется на поверхности образца. .Соотношение упругопластического напряжения и деформации используется там, где термоупругое напряжение пропорционально разности температур. Для номинальной мощности \(300~\text {Вт}\), частоты \(10^5~\текст {Гц}\), коэффициента прерывистости 100 и \(200~\upmu \text {м}\) эффективного диаметра луча.
На рис. 3 представлены результаты численного моделирования расплавленной зоны с использованием макроскопической математической модели. Диаметр зоны плавления составляет \(200~\upmu \text {м}\) (\(100~\upmu \text {м}\) радиус) и \(40~\upmu \text {м}\) глубина. Скорости нагрева \(V_h\) и охлаждения \(V_c\) имеют порядок \(10^7\) и \(10^6~\text {K}/\text {s}\) соответственно. Эти значения хорошо согласуются с нашим предыдущим анализом64. \(t=26~\upmu \text {s}\) пиковая температура поверхности достигает \(4800~\text {K}\). Интенсивное испарение материала может привести к тому, что поверхность образца будет подвергаться чрезмерному давлению и отслаиваться.
Результаты численного моделирования зоны плавления одиночного лазерного импульсного отжига на пластине образца 316L. Время от начала импульса до достижения максимальной глубины ванны расплава составляет \(180~\upmu\text {s}\).Изотерма\(T = T_L = 1723~\text {K}\) представляет собой границу между жидкой и твердой фазами. следующий раздел. Таким образом, в области между двумя изолиниями (изотермами\(T=T_L\) и изобарами\(\sigma=\sigma_V(T)\)) твердая фаза подвергается сильным механическим нагрузкам, что может привести к изменению микроструктуры.
Этот эффект дополнительно поясняется на рис. 4а, где уровень давления в расплавленной зоне представлен как функция времени и расстояния от поверхности. Во-первых, поведение давления связано с модуляцией интенсивности лазерного импульса, описанной на рис. 2 выше. частота \(500~\text {кГц}\). Это означает, что ультразвуковые волны давления генерируются на поверхности, а затем распространяются в подложку.
Расчетные характеристики зоны деформации вблизи зоны плавления показаны на рис. 4б. Лазерная абляция и термоупругое напряжение генерируют волны упругой деформации, которые распространяются в подложку. Как видно из рисунка, существует две стадии генерации напряжения. а в контрольных точках не наблюдалось термоупругих напряжений, так как начальная зона термического влияния была слишком мала. При отводе тепла в подложку контрольная точка создает высокие термоупругие напряжения свыше \(40~\text {МПа}\).
Полученные уровни модулированного напряжения оказывают существенное влияние на границу раздела твердое тело-жидкость и могут быть механизмом управления, управляющим траекторией затвердевания. Размер зоны деформации в 2-3 раза больше, чем размер зоны плавления. Как показано на рис. 3, положение изотермы плавления и уровень напряжения, равный пределу текучести, сравниваются. }\) в зависимости от мгновенного времени.
Таким образом, комплексная модуляция импульсного лазерного отжига приводит к ультразвуковому эффекту. Путь селекции микроструктуры отличается по сравнению с СЛС без ультразвуковой нагрузки. Деформированные неустойчивые области приводят к периодическим циклам сжатия и растяжения в твердой фазе. Таким образом, становится возможным формирование новых границ зерен и субзеренных границ. Следовательно, свойства микроструктуры могут быть преднамеренно изменены, как показано ниже. , пьезоэлектрический индуктор 26, используемый где-либо еще, может быть исключен.
(а) Давление как функция времени, рассчитанное на различных расстояниях от поверхности 0, 20 и \(40~\upmu \text {м}\) вдоль оси симметрии. (б) Зависящие от времени напряжения фон Мизеса, рассчитанные в твердой матрице на расстояниях 70, 120 и \(170~\upmu \text {м}\) от поверхности образца.
Эксперименты проводились на пластинах из нержавеющей стали AISI 321H размерами \(20\x 20\x 5~\text {мм}\). После каждого лазерного импульса пластина перемещается \(50~\upmu \text {м}\), а перетяжка лазерного луча на поверхности мишени составляет около \(100~\upmu \text {м}\). Зона переплава была обработана ультразвуком в зависимости от колебательной составляющей лазерного излучения. В результате средняя площадь зерна уменьшилась более чем в 5 раз. На рис. 5 показано, как изменяется микроструктура области лазерного оплавления в зависимости от числа последующих циклов (проходов) переплава.
Подграфики (а, г, ж, к) и (б, д, з, л) – микроструктура областей лазерного оплавления, подграфики (в, е, и, м) – распределение окрашенных зерен по площади.Затенение представляет частицы, используемые для расчета гистограммы. Цвета соответствуют областям зерна (см. цветную полосу в верхней части гистограммы. Подграфики (ac) соответствуют необработанной нержавеющей стали, а подграфики (df), (gi), (jl) соответствуют 1, 3 и 5 переплавам.
Поскольку энергия лазерного импульса не меняется между последующими проходами, глубина расплавленной зоны одинакова. Таким образом, последующий канал полностью «перекрывает» предыдущий. Однако на гистограмме видно, что средняя и медианная площадь зерен уменьшается с увеличением числа проходов. Это может свидетельствовать о воздействии лазера на подложку, а не на расплав.
Измельчение зерна может быть вызвано быстрым охлаждением ванны расплава65. Была проведена другая серия экспериментов, в которых поверхности пластин из нержавеющей стали (321H и 316L) подвергались воздействию непрерывного лазерного излучения в атмосфере (рис. 6) и вакууме (рис. 7). структура была соблюдена.
Микроструктура расплавленной лазером области непрерывного лазера (постоянная мощность 300 Вт, скорость сканирования 200 мм/с, нержавеющая сталь AISI 321H).
(а) Микроструктура и (б) дифракционные изображения обратного рассеяния электронов области лазерного расплава в вакууме с лазером непрерывного действия (постоянная мощность 100 Вт, скорость сканирования 200 мм/с, нержавеющая сталь AISI 316L)\ (\sim 2~\text {мбар}\).
Таким образом, наглядно показано, что комплексная модуляция интенсивности лазерного импульса оказывает существенное влияние на получаемую микроструктуру. Мы полагаем, что этот эффект носит механический характер и происходит за счет генерации ультразвуковых колебаний, распространяющихся от облучаемой поверхности расплава вглубь образца. Аналогичные результаты были получены в работах 13, 26, 34, 66, 67 с использованием внешних пьезоэлектрических преобразователей и сонотродов, обеспечивающих высокоинтенсивный ультразвук в различных материалах, включая Ti-6Al-4. Сплав V 26 и нержавеющая сталь 34 в результате. Возможный механизм предполагается следующим образом. Интенсивный ультразвук может вызвать акустическую кавитацию, как показано в сверхбыстрой синхротронной рентгеновской визуализации in situ. Схлопывание кавитационных пузырьков, в свою очередь, генерирует ударные волны в расплавленном материале, переднее давление которых достигает примерно \(100~\text {МПа}\)69. Такие ударные волны могут быть достаточно сильными, чтобы способствовать образованию зародышей твердой фазы критического размера в объемных жидкостях, типичная столбчатая структура зерна для послойного аддитивного производства.
Здесь мы предлагаем другой механизм, ответственный за структурную модификацию при интенсивном ультразвуковом воздействии. Сразу после затвердевания материал находится при высокой температуре, близкой к точке плавления, и имеет чрезвычайно низкий предел текучести. Интенсивные ультразвуковые волны могут вызывать пластическое течение, изменяющее зернистую структуру горячего, только что затвердевшего материала. выполнили молекулярно-динамическое (МД) моделирование состава Fe-Cr-Ni, аналогичного стали AISI 316 L, чтобы оценить поведение предела текучести вблизи точки плавления. Для расчета предела текучести мы использовали метод релаксации напряжения сдвига МД, подробно описанный в 70, 71, 72, 73. Для расчетов межатомного взаимодействия мы использовали Embedded Atomic Model (EAM) из 74. результаты МД-моделирования будут опубликованы в другом месте. Результаты МД-расчета предела текучести как функции температуры показаны на рис. 8 вместе с доступными экспериментальными данными и другими оценками77,78,79,80,81,82.
Предел текучести аустенитной нержавеющей стали марки AISI 316 и модельный состав в зависимости от температуры для моделирования методом МД. Экспериментальные измерения из ссылок: (а) 77, (б) 78, (в) 79, (г) 80, (д) ​​81. d как \(\vartriangleleft\) для бездефектного бесконечного монокристалла и \(\vartriangleright\) для конечных зерен с учетом среднего размера зерна через соотношение Холла-Петча Размеры\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Видно, что при \(T>1500~\text {K}\) предел текучести падает ниже \(40~\text {МПа}\). С другой стороны, оценки предсказывают, что амплитуда ультразвука, генерируемого лазером, превышает \(40~\text {МПа}\) (см. рис. 4б), что достаточно для индукции пластического течения в только что застывшем горячем материале.
Формирование микроструктуры аустенитной нержавеющей стали 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) в процессе СЛП было экспериментально исследовано с использованием импульсного лазерного источника с комплексной модуляцией интенсивности.
Уменьшение размера зерна в зоне лазерного оплавления было обнаружено за счет непрерывного лазерного переплава после 1, 3 или 5 проходов.
Макроскопическое моделирование показывает, что расчетный размер области, в которой ультразвуковая деформация может положительно влиять на фронт затвердевания, составляет до \(1~\text {мм}\).
Микроскопическая модель MD показывает, что предел текучести аустенитной нержавеющей стали AISI 316 значительно снижается до \(40~\text {МПа}\) вблизи точки плавления.
Полученные результаты предполагают способ управления микроструктурой материалов с помощью комплексно-модулированной лазерной обработки и могут послужить основой для создания новых модификаций импульсного метода СЛМ.
Liu, Y. et al. Микроструктурная эволюция и механические свойства композитов TiB2/AlSi10Mg in situ методом лазерного селективного плавления [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. и др. Рекристаллизационная инженерия границ зерен при лазерном селективном плавлении нержавеющей стали 316L [J].Журнал Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Разработка на месте сэндвич-микроструктур с повышенной пластичностью путем повторного нагрева расплавленных лазером титановых сплавов.10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. и др. Аддитивное производство деталей из Ti-6Al-4V методом лазерного осаждения металла (LMD): процесс, микроструктура и механические свойства.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. и др. Микроструктурное моделирование лазерного осаждения металлического порошка направленной энергией из сплава 718. Добавить в.производство.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Параметрическая нейтронная визуализация по Брэггу для аддитивно изготовленных образцов, обработанных лазерной ударной обработкой.11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Градиентная микроструктура и механические свойства Ti-6Al-4V, аддитивно изготовленного методом электронно-лучевой плавки. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).