Ďakujeme za návštevu stránky Nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu pre CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Medzitým budeme stránku zobrazovať bez štýlov a JavaScriptu, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu.
Navrhuje sa nový mechanizmus založený na selektívnom laserovom tavení na riadenie mikroštruktúry výrobkov vo výrobnom procese. Mechanizmus sa spolieha na generovanie vysokointenzívnych ultrazvukových vĺn v roztavenom kúpeli komplexným laserovým ožiarením s modulovanou intenzitou. Experimentálne štúdie a numerické simulácie ukazujú, že tento riadiaci mechanizmus je technicky uskutočniteľný a možno ho efektívne integrovať do návrhu moderných selektívnych laserových taviacich strojov.
Aditívna výroba (AM) zložito tvarovaných dielov sa v posledných desaťročiach výrazne rozrástla. Napriek rozmanitosti procesov aditívnej výroby, vrátane selektívneho laserového tavenia (SLM)1,2,3, priameho laserového nanášania kovov4,5,6, tavenia elektrónovým lúčom7,8 a ďalších9,10, však môžu byť diely chybné. Je to spôsobené najmä špecifickými charakteristikami procesu tuhnutia roztaveného roztoku spojenými s vysokými tepelnými gradientmi, vysokými rýchlosťami chladenia a zložitosťou ohrevných cyklov pri tavení a pretavovaní materiálov11, ktoré vedú k epitaxnému rastu zŕn a výraznej pórovitosti12,13. Výsledky ukazujú, že na dosiahnutie jemných rovnoosových štruktúr zŕn je potrebné kontrolovať tepelné gradienty, rýchlosti chladenia a zloženie zliatiny alebo aplikovať ďalšie fyzikálne šoky prostredníctvom vonkajších polí rôznych vlastností (napr. ultrazvuk).
Početné publikácie sa zaoberajú vplyvom vibračného spracovania na proces tuhnutia v konvenčných procesoch odlievania14,15. Aplikácia vonkajšieho poľa na objemové taveniny však nevedie k požadovanej mikroštruktúre materiálu. Ak je objem kvapalnej fázy malý, situácia sa dramaticky mení. V tomto prípade vonkajšie pole významne ovplyvňuje proces tuhnutia. Elektromagnetické účinky boli zvážené počas intenzívnych akustických polí16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, miešania oblúkom28 a oscilácie29, pulzných plazmových oblúkov30,31 a iných metód32. Pripojte sa k substrátu pomocou externého zdroja ultrazvuku s vysokou intenzitou (pri 20 kHz). Zjemnenie zrna vyvolané ultrazvukom sa pripisuje zvýšenej zóne podchladenia zloženia v dôsledku zníženého teplotného gradientu a zosilnenia ultrazvuku na generovanie nových kryštalitov prostredníctvom kavitácie.
V tejto práci sme skúmali možnosť zmeny štruktúry zŕn austenitických nehrdzavejúcich ocelí sonikáciou roztaveného kúpeľa zvukovými vlnami generovanými samotným taviacim laserom. Modulácia intenzity laserového žiarenia dopadajúceho na svetlo absorbujúce médium vedie ku generovaniu ultrazvukových vĺn, ktoré menia mikroštruktúru materiálu. Túto moduláciu intenzity laserového žiarenia možno ľahko integrovať do existujúcich 3D tlačiarní SLM. Experimenty v tejto práci boli vykonané na plechoch z nehrdzavejúcej ocele, ktorých povrchy boli vystavené laserovému žiareniu s modulovanou intenzitou. Technicky sa teda vykonáva laserové povrchové ošetrenie. Ak sa však takéto laserové ošetrenie vykoná na povrchu každej vrstvy, počas nanášania vrstvy po vrstvách sa dosiahnu účinky na celý objem alebo na vybrané časti objemu. Inými slovami, ak je diel konštruovaný vrstvu po vrstve, laserové povrchové ošetrenie každej vrstvy je ekvivalentné „laserovému objemovému ošetreniu“.
Zatiaľ čo pri ultrazvukovej terapii založenej na ultrazvukovej trúbe je ultrazvuková energia stojatej zvukovej vlny rozložená po celom komponente, zatiaľ čo laserom indukovaná ultrazvuková intenzita je vysoko koncentrovaná v blízkosti bodu, kde je laserové žiarenie absorbované. Použitie sonotródy v zariadení na tavenie práškového lôžka SLM je komplikované, pretože horný povrch práškového lôžka vystavený laserovému žiareniu by mal zostať nehybný. Okrem toho na hornom povrchu dielu nie je žiadne mechanické napätie. Preto je akustické napätie blízke nule a rýchlosť častíc má maximálnu amplitúdu na celom hornom povrchu dielu. Zvukový tlak vo vnútri celého roztaveného kúpeľa nesmie prekročiť 0,1 % maximálneho tlaku generovaného zváracou hlavou, pretože vlnová dĺžka ultrazvukových vĺn s frekvenciou 20 kHz v nehrdzavejúcej oceli je 0,3 ~ m a hĺbka je zvyčajne menšia ako 0,3 ~ mm. Preto môže byť vplyv ultrazvuku na kavitáciu malý.
Treba poznamenať, že použitie laserového žiarenia s modulovanou intenzitou pri priamom laserovom nanášaní kovov je aktívnou oblasťou výskumu35,36,37,38.
Tepelný účinok laserového žiarenia dopadajúceho na médium je základom takmer všetkých laserových techník 39, 40 na spracovanie materiálov, ako je rezanie41, zváranie, kalenie, vŕtanie42, čistenie povrchov, legovanie povrchov, leštenie povrchov43 atď. Vynález laseru stimuloval nový vývoj v technikách spracovania materiálov a predbežné výsledky boli zhrnuté v mnohých prehľadoch a monografiách44,45,46.
Treba poznamenať, že akékoľvek nestacionárne pôsobenie na médium, vrátane pôsobenia laserového žiarenia na absorpčné médium, vedie k excitácii akustických vĺn v ňom s väčšou alebo menšou účinnosťou. Spočiatku sa hlavný dôraz kládol na laserovú excitáciu vĺn v kvapalinách a rôzne mechanizmy tepelnej excitácie zvuku (tepelná rozťažnosť, vyparovanie, zmena objemu počas fázového prechodu, kontrakcia atď.) 47, 48, 49. Početné monografie 50, 51, 52 poskytujú teoretické analýzy tohto procesu a jeho možných praktických aplikácií.
Tieto otázky boli následne diskutované na rôznych konferenciách a laserová excitácia ultrazvuku má uplatnenie v priemyselných aplikáciách laserovej technológie53 aj v medicíne54. Preto možno považovať základný koncept procesu, pri ktorom pulzné laserové svetlo pôsobí na absorpčné médium, za stanovený. Laserová ultrazvuková kontrola sa používa na detekciu defektov vzoriek vyrobených metódou SLM55,56.
Vplyv laserom generovaných rázových vĺn na materiály je základom laserového rázového zušľachťovania57,58,59, ktoré sa používa aj na povrchovú úpravu aditívne vyrábaných dielov60. Laserové rázové spevňovanie je však najúčinnejšie na nanosekundových laserových impulzoch a mechanicky zaťažených povrchoch (napr. s vrstvou kvapaliny)59, pretože mechanické zaťaženie zvyšuje špičkový tlak.
Boli vykonané experimenty s cieľom preskúmať možné vplyvy rôznych fyzikálnych polí na mikroštruktúru stuhnutých materiálov. Funkčná schéma experimentálneho zariadenia je znázornená na obrázku 1. Bol použitý pulzný Nd:YAG laser v pevnej fáze pracujúci vo voľnobežnom režime (trvanie impulzu \(tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Každý laserový impulz prechádza cez sériu filtrov s neutrálnou hustotou a systém deličov lúča. V závislosti od kombinácie filtrov s neutrálnou hustotou sa energia impulzu na cieli mení od \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) do \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Laserový lúč odrazený od deliča lúča je privádzaný do fotodiódy na simultánny zber údajov a na určenie dopadajúceho a odrazeného lúča sa používajú dva kalorimetre (fotodiódy s dlhou dobou odozvy presahujúcou \(1~\text {ms}\)) a dva merače výkonu (fotodiódy s krátkou dobou odozvy krát (<10~\text {ns}\)) na určenie dopadajúceho a odrazeného optického výkonu. Kalorimetre a wattmetre boli kalibrované tak, aby poskytovali hodnoty v absolútnych jednotkách pomocou termoelektrického detektora Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 a dielektrického zrkadla namontovaného na mieste vzorky. Lúč sa zaostri na cieľ pomocou šošovky (antireflexná vrstva pri \(1,06 \upmu \text {m}\), ohnisková vzdialenosť \(160~\text {mm}\)) a šírka pása lúča na povrchu cieľa 60 – \(100~\upmu\text {m}\).
Schéma funkčnosti experimentálneho zariadenia: 1 – laser; 2 – laserový lúč; 3 – filter neutrálnej hustoty; 4 – synchronizovaná fotodióda; 5 – delič lúča; 6 – clona; 7 – kalorimeter dopadajúceho lúča; 8 – kalorimeter odrazeného lúča; 9 – merač výkonu dopadajúceho lúča; 10 – merač výkonu odrazeného lúča; 11 – zaostrovacia šošovka; 12 – zrkadlo; 13 – vzorka; 14 – širokopásmový piezoelektrický menič; 15 – 2D prevodník; 16 – polohovací mikrokontrolér; 17 – synchronizačná jednotka; 18 – viackanálový digitálny akvizíciný systém s rôznymi vzorkovacími frekvenciami; 19 – osobný počítač.
Ultrazvukové ošetrenie sa vykonáva nasledovne. Laser pracuje vo voľnobežnom režime; preto je trvanie laserového impulzu \(tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), čo pozostáva z viacerých trvaní približne \(1,5~\upmu \text {s } \). Časový tvar laserového impulzu a jeho spektrum pozostávajú z nízkofrekvenčnej obálky a vysokofrekvenčnej modulácie s priemernou frekvenciou približne \(0,7~\text {MHz}\), ako je znázornené na obrázku 2. - Frekvenčná obálka zabezpečuje ohrev a následné tavenie a odparovanie materiálu, zatiaľ čo vysokofrekvenčná zložka zabezpečuje ultrazvukové vibrácie v dôsledku fotoakustického efektu. Tvar vlny ultrazvukového impulzu generovaného laserom je určený hlavne časovým tvarom intenzity laserového impulzu. Je to od (7~\text {kHz}) do (2~\text {MHz}) a stredná frekvencia je (~ 0,7~\text {MHz}). Akustické impulzy spôsobené fotoakustickým efektom boli zaznamenané pomocou širokopásmových piezoelektrických meničov vyrobených z polyvinylidénfluoridových filmov. Zaznamenaný priebeh vlny a jeho spektrum sú znázornené na obrázku 2. Treba poznamenať, že tvar laserových impulzov je typický pre laser s voľne bežiacim režimom.
Časové rozloženie intenzity laserového impulzu (a) a rýchlosti zvuku na zadnom povrchu vzorky (b), spektrá laserového impulzu (c) a ultrazvukového impulzu (d) spriemerované z 300 laserových impulzov (červená krivka) pre jeden laserový impulz (modrá krivka).
Jasne rozlíšime nízkofrekvenčné a vysokofrekvenčné zložky akustického spracovania zodpovedajúce nízkofrekvenčnej obálke laserového impulzu a vysokofrekvenčnej modulácii. Vlnové dĺžky akustických vĺn generovaných obálkou laserového impulzu presahujú 40 cm, preto sa očakáva hlavný vplyv širokopásmových vysokofrekvenčných zložiek akustického signálu na mikroštruktúru.
Fyzikálne procesy v SLM sú zložité a prebiehajú súčasne v rôznych priestorových a časových mierkach. Preto sú na teoretickú analýzu SLM najvhodnejšie viacškálové metódy. Matematické modely by mali byť spočiatku multifyzikálne. Mechaniku a termofyziku viacfázového média „tavenina pevná látka-kvapalina“ interagujúca s atmosférou inertného plynu je potom možné efektívne opísať. Charakteristiky tepelného zaťaženia materiálu v SLM sú nasledujúce.
Rýchlosti ohrevu a chladenia až do 10^6~\text {K}/\text {s}\text{ /\text{ v dôsledku lokalizovaného laserového ožiarenia s hustotou výkonu až do 10^{13}~\text {W} cm}^2\text{.
Cyklus tavenia a tuhnutia trvá medzi 1 a \(10~\text {ms}\), čo prispieva k rýchlemu tuhnutiu taviacej zóny počas chladenia.
Rýchle zahriatie povrchu vzorky vedie k tvorbe vysokých termoelastických napätí v povrchovej vrstve. Dostatočná časť (až 20 %) práškovej vrstvy sa silne odparí63, čo má za následok dodatočné tlakové zaťaženie povrchu v reakcii na laserovú abláciu. V dôsledku toho indukované napätie výrazne deformuje geometriu súčiastky, najmä v blízkosti podpier a tenkých konštrukčných prvkov. Vysoká rýchlosť ohrevu pri pulznom laserovom žíhaní vedie ku generovaniu ultrazvukových deformačných vĺn, ktoré sa šíria z povrchu na substrát. Aby sa získali presné kvantitatívne údaje o lokálnom rozložení napätia a deformácie, vykonáva sa mezoskopická simulácia problému elastickej deformácie konjugovanej s prenosom tepla a hmoty.
Riadiace rovnice modelu zahŕňajú (1) nestacionárne rovnice prenosu tepla, kde tepelná vodivosť závisí od fázového stavu (prášok, tavenina, polykryštalický) a teploty, (2) fluktuácie elastickej deformácie po ablácii kontinua a rovnicu termoelastickej rozťažnosti. Okrajová úloha je určená experimentálnymi podmienkami. Modulovaný laserový tok je definovaný na povrchu vzorky. Konvektívne chladenie zahŕňa konduktívnu výmenu tepla a odparovací tok. Hmotnostný tok je definovaný na základe výpočtu tlaku nasýtených pár odparujúceho sa materiálu. Používa sa elastoplastický vzťah napätia a deformácie, kde je termoelastické napätie úmerné teplotnému rozdielu. Pre nominálny výkon \(300~\text {W}\), frekvenciu \(10^5~\text {Hz}\), koeficient prerušovaného pohybu 100 a \(200~\upmu \text {m}\) efektívneho priemeru lúča.
Obrázok 3 zobrazuje výsledky numerickej simulácie roztavenej zóny pomocou makroskopického matematického modelu. Priemer zóny topenia je 200~\upmu \text {m}\) (polomer 100~\upmu \text {m}\)) a hĺbka 40~\upmu \text {m}\). Výsledky simulácie ukazujú, že povrchová teplota sa lokálne mení s časom ako 100~\text {K}\) v dôsledku vysokého intermitentného faktora pulznej modulácie. Rýchlosti ohrevu \(V_h\) a chladenia \(V_c\) sú rádovo \(10^7\) a \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Tieto hodnoty sú v dobrej zhode s našou predchádzajúcou analýzou64. Rádový rozdiel medzi \(V_h\) a \(V_c\) vedie k rýchlemu prehriatiu povrchovej vrstvy, kde vedenie tepla k substrátu nie je dostatočné na odvod tepla. Preto pri \(t=26~\upmu \text Povrchová teplota dosahuje vrcholy až 4800 K. Silné odparovanie materiálu môže spôsobiť, že povrch vzorky bude vystavený nadmernému tlaku a odlupuje sa.
Výsledky numerickej simulácie zóny topenia pri žíhaní jedným laserovým impulzom na vzorke 316L. Čas od začiatku impulzu do hĺbky roztaveného kúpeľa dosiahnutia maximálnej hodnoty je \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) predstavuje hranicu medzi kvapalnou a tuhou fázou. Izobary (žlté čiary) zodpovedajú medzi klzu vypočítanej ako funkcia teploty v nasledujúcej časti. Preto je v oblasti medzi dvoma izolíniami (izotermy\(T=T_L\) a izobary\(\sigma =\sigma _V(T)\)) tuhá fáza vystavená silnému mechanickému zaťaženiu, ktoré môže viesť k zmenám v mikroštruktúre.
Tento efekt je ďalej vysvetlený na obrázku 4a, kde je úroveň tlaku v roztavenej zóne znázornená ako funkcia času a vzdialenosti od povrchu. Po prvé, správanie tlaku súvisí s moduláciou intenzity laserového impulzu opísanej na obrázku 2 vyššie. Maximálny tlak \text{s}\) približne \(10~\text {MPa}\) bol pozorovaný pri približne \(t=26~\upmu). Po druhé, kolísanie lokálneho tlaku v kontrolnom bode má rovnaké oscilačné charakteristiky ako frekvencia \(500~\text {kHz}\). To znamená, že ultrazvukové tlakové vlny sa generujú na povrchu a potom sa šíria do substrátu.
Vypočítané charakteristiky deformačnej zóny v blízkosti zóny topenia sú znázornené na obr. 4b. Laserová ablácia a termoelastické napätie generujú elastické deformačné vlny, ktoré sa šíria do substrátu. Ako je vidieť z obrázku, existujú dve fázy generovania napätia. Počas prvej fázy (t < 40~\upmu \text {s}) stúpa Misesovo napätie na (8~\text {MPa}) s moduláciou podobnou povrchovému tlaku. Toto napätie vzniká v dôsledku laserovej ablácie a v kontrolných bodoch nebolo pozorované žiadne termoelastické napätie, pretože počiatočná tepelne ovplyvnená zóna bola príliš malá. Keď sa teplo rozptýli do substrátu, kontrolný bod generuje vysoké termoelastické napätie nad (40~\text {MPa}).
Získané modulované úrovne napätia majú významný vplyv na rozhranie tuhej látky a kvapaliny a môžu byť riadiacim mechanizmom riadiacim dráhu tuhnutia. Veľkosť deformačnej zóny je 2 až 3-krát väčšia ako veľkosť zóny topenia. Ako je znázornené na obrázku 3, porovnáva sa umiestnenie izotermy topenia a úroveň napätia rovnajúca sa medzi klzu. To znamená, že pulzné laserové ožiarenie poskytuje vysoké mechanické zaťaženie v lokalizovaných oblastiach s efektívnym priemerom medzi 300 a (800~\upmu \text {m}\) v závislosti od okamžitého času.
Preto komplexná modulácia pulzného laserového žíhania vedie k ultrazvukovému efektu. Dráha výberu mikroštruktúry je odlišná v porovnaní so SLM bez ultrazvukového zaťaženia. Deformované nestabilné oblasti vedú k periodickým cyklom kompresie a naťahovania v pevnej fáze. Tým sa stáva možným vytváranie nových hraníc zŕn a hraníc subzŕn. Mikroštrukturálne vlastnosti je preto možné zámerne meniť, ako je znázornené nižšie. Získané závery umožňujú navrhnúť prototyp SLM indukovaného ultrazvukom riadeného pulznou moduláciou. V tomto prípade je možné vylúčiť piezoelektrický induktor 26 použitý inde.
(a) Tlak ako funkcia času, vypočítaný v rôznych vzdialenostiach od povrchu 0, 20 a (40~\upmu \text {m}\) pozdĺž osi symetrie. (b) Časovo závislé Von Misesovo napätie vypočítané v pevnej matrici vo vzdialenostiach 70, 120 a (170~\upmu \text {m}\) od povrchu vzorky.
Experimenty sa uskutočnili na doskách z nehrdzavejúcej ocele AISI 321H s rozmermi (20 x 20 x 5 mm). Po každom laserovom impulze sa doska posunie o (50 ~ m) a šírka laserového lúča na cieľovom povrchu je približne (100 ~ m). Pozdĺž tej istej dráhy sa vykoná až päť po sebe nasledujúcich prechodov lúča, aby sa vyvolalo pretavenie spracovaného materiálu pre zjemnenie zrna. Vo všetkých prípadoch bola pretavená zóna sonikovaná v závislosti od oscilačnej zložky laserového žiarenia. To má za následok viac ako 5-násobné zníženie priemernej plochy zrna. Obrázok 5 znázorňuje, ako sa mení mikroštruktúra oblasti tavenej laserom s počtom nasledujúcich cyklov pretavovania (prechodov).
Čiastkové grafy (a, d, g, j) a (b, e, h, k) – mikroštruktúra oblastí laserovo natavených, čiastkové grafy (c, f, i, l) – plošné rozloženie farebných zŕn. Tieňovanie predstavuje častice použité na výpočet histogramu. Farby zodpovedajú oblastiam zŕn (pozri farebný pruh v hornej časti histogramu). Čiastkové grafy (ac) zodpovedajú neošetrenej nehrdzavejúcej oceli a čiastkové grafy (df), (gi), (jl) zodpovedajú 1, 3 a 5 pretaveniam.
Keďže energia laserového impulzu sa medzi nasledujúcimi prechodmi nemení, hĺbka roztavenej zóny je rovnaká. Nasledujúci kanál teda úplne „prekrýva“ predchádzajúci. Histogram však ukazuje, že priemerná a mediánová plocha zŕn sa so zvyšujúcim sa počtom prechodov znižuje. To môže naznačovať, že laser pôsobí skôr na substrát ako na taveninu.
Zjemnenie zrna môže byť spôsobené rýchlym ochladením roztaveného kúpeľa65. Bola vykonaná ďalšia sada experimentov, v ktorých boli povrchy nerezových plechov (321H a 316L) vystavené laserovému žiareniu s kontinuálnou vlnou v atmosfére (obr. 6) a vákuu (obr. 7). Priemerný výkon laseru (300 W a 100 W) a hĺbka roztaveného kúpeľa sú blízke experimentálnym výsledkom Nd:YAG laseru vo voľnobežnom režime. Bola však pozorovaná typická stĺpcová štruktúra.
Mikroštruktúra laserom natavenej oblasti laseru s kontinuálnou vlnou (konštantný výkon 300 W, rýchlosť skenovania 200 mm/s, nehrdzavejúca oceľ AISI 321H).
(a) Mikroštruktúrne a (b) difrakčné snímky spätného rozptylu elektrónov oblasti roztavenej laserom vo vákuu pomocou laseru s kontinuálnou vlnou (konštantný výkon 100 W, rýchlosť skenovania 200 mm/s, nehrdzavejúca oceľ AISI 316L) (sim 2~ mbar).
Preto je jasne preukázané, že komplexná modulácia intenzity laserového impulzu má významný vplyv na výslednú mikroštruktúru. Domnievame sa, že tento efekt je mechanickej povahy a vzniká v dôsledku generovania ultrazvukových vibrácií šíriacich sa z ožiareného povrchu taveniny hlboko do vzorky. Podobné výsledky boli získané v 13, 26, 34, 66, 67 s použitím externých piezoelektrických meničov a sonotród, ktoré poskytujú vysokointenzívny ultrazvuk v rôznych materiáloch vrátane zliatiny Ti-6Al-4V 26 a nehrdzavejúcej ocele 34. Možný mechanizmus sa špekuluje nasledovne. Intenzívny ultrazvuk môže spôsobiť akustickú kavitáciu, ako sa ukázalo pri ultrarýchlom synchrotrónovom röntgenovom zobrazovaní in situ. Kolaps kavitačných bublín následne generuje rázové vlny v roztavenom materiáli, ktorých predný tlak dosahuje približne 100 ~ MPa 69. Takéto rázové vlny môžu byť dostatočne silné na to, aby podporili tvorbu jadier pevnej fázy kritickej veľkosti v objemových kvapalinách, čím narušia typickú stĺpcovú štruktúru zŕn vrstvy po vrstve. aditívna výroba.
Tu navrhujeme ďalší mechanizmus zodpovedný za štrukturálnu modifikáciu intenzívnou sonikáciou. Bezprostredne po stuhnutí má materiál vysokú teplotu blízku bodu topenia a má extrémne nízku medzu klzu. Intenzívne ultrazvukové vlny môžu spôsobiť, že plastický tok zmení štruktúru zŕn horúceho, práve stuhnutého materiálu. Spoľahlivé experimentálne údaje o teplotnej závislosti medze klzu sú však k dispozícii pri teplote \(T\lessim 1150~\text {K}\) (pozri obrázok 8). Preto sme na overenie tejto hypotézy vykonali simulácie molekulárnej dynamiky (MD) zloženia Fe-Cr-Ni podobného oceli AISI 316 L, aby sme vyhodnotili správanie medze klzu v blízkosti bodu topenia. Na výpočet medze klzu sme použili techniku ​​relaxácie šmykového napätia MD podrobne opísanú v 70, 71, 72, 73. Na výpočty interatomických interakcií sme použili vložený atómový model (EAM) z 74. MD simulácie boli vykonané pomocou kódov LAMMPS 75,76. Podrobnosti o MD simuláciách budú publikované inde. Výsledky výpočtov MD Medza klzu ako funkcia teploty je znázornená na obr. 8 spolu s dostupnými experimentálnymi údajmi a ďalšími hodnoteniami77,78,79,80,81,82.
Medza klzu pre austenitickú nehrdzavejúcu oceľ AISI triedy 316 a zloženie modelu v závislosti od teploty pre MD simulácie. Experimentálne merania z referencií: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.pozri. (f) 82 je empirický model závislosti medze klzu od teploty pre meranie napätia v linke počas laserom asistovanej aditívnej výroby. Výsledky rozsiahlych MD simulácií v tejto štúdii sú označené ako \(\vartriangleleft\) pre nekonečný monokryštál bez defektov a \(\vartriangleright\) pre konečné zrná, berúc do úvahy priemernú veľkosť zrna pomocou Hall-Petchovho vzťahu. Rozmery\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Je vidieť, že pri T > 1500 K klesne medza klzu pod 40 MPa. Na druhej strane, odhady predpovedajú, že amplitúda laserom generovaného ultrazvuku presiahne 40 MPa (pozri obr. 4b), čo je dostatočné na vyvolanie plastického toku v práve stuhnutom horúcom materiáli.
Tvorba mikroštruktúry austenitickej nehrdzavejúcej ocele 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) počas SLM bola experimentálne skúmaná s použitím komplexného pulzného laserového zdroja s modulovanou intenzitou.
Zníženie veľkosti zŕn v zóne laserového tavenia bolo zistené v dôsledku kontinuálneho laserového pretavovania po 1, 3 alebo 5 prechodoch.
Makroskopické modelovanie ukazuje, že odhadovaná veľkosť oblasti, kde môže ultrazvuková deformácia pozitívne ovplyvniť front tuhnutia, je až \(1~\text {mm}\).
Mikroskopický MD model ukazuje, že medza klzu austenitickej nehrdzavejúcej ocele AISI 316 je v blízkosti bodu topenia výrazne znížená na \(40~\text {MPa}\).
Získané výsledky naznačujú metódu riadenia mikroštruktúry materiálov pomocou komplexného modulovaného laserového spracovania a mohli by slúžiť ako základ pre vytvorenie nových modifikácií pulznej SLM techniky.
Liu, Y. a kol. Mikroštrukturálny vývoj a mechanické vlastnosti kompozitov TiB2/AlSi10Mg in situ pomocou selektívneho tavenia laserom [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. a kol. Rekryštalizačné inžinierstvo hraníc zŕn laserovým selektívnym tavením nehrdzavejúcej ocele 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. a Qiu, C. In situ vývoj sendvičových mikroštruktúr so zvýšenou ťažnosťou laserovým opätovným ohrevom laserom roztavených titánových zliatin. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. a kol. Aditívna výroba dielov Ti-6Al-4V laserovým nanášaním kovov (LMD): proces, mikroštruktúra a mechanické vlastnosti. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. a kol. Mikroštrukturálne modelovanie laserového nanášania kovového prášku zo zliatiny 718 za pomoci riadenej energie. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. a kol. Štúdia parametrického neutrónového Braggovho zobrazovania hrán aditívne vyrobených vzoriek ošetrených laserovým šokovým zušľachťovaním. Science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. a kol. Gradientná mikroštruktúra a mechanické vlastnosti Ti-6Al-4V aditívne vyrobeného tavením elektrónovým lúčom. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).