Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali izklopite združljivostni način v Internet Explorerju). Medtem bomo zaradi zagotavljanja stalne podpore spletno mesto prikazali brez stilov in JavaScripta.
Predlagan je nov mehanizem, ki temelji na selektivnem laserskem taljenju za nadzor mikrostrukture izdelkov v proizvodnem procesu. Mehanizem se opira na ustvarjanje ultrazvočnih valov visoke intenzivnosti v bazenu staline s kompleksnim intenzivnostno moduliranim laserskim obsevanjem. Eksperimentalne študije in numerične simulacije kažejo, da je ta nadzorni mehanizem tehnično izvedljiv in ga je mogoče učinkovito integrirati v zasnovo sodobnih selektivnih laserskih talilnih strojev.
Aditivna proizvodnja (AM) delov kompleksnih oblik je v zadnjih desetletjih znatno narasla. Vendar pa so lahko deli kljub različnim aditivnim proizvodnim postopkom, vključno s selektivnim laserskim taljenjem (SLM) 1, 2, 3, neposrednim laserskim nanašanjem kovin 4, 5, 6, taljenjem z elektronskim žarkom 7, 8 in drugimi 9, 10, okvarjeni. To je predvsem posledica posebnih značilnosti procesa strjevanja bazena staline, povezanega z visokimi toplotnimi gradienti, visoke stopnje hlajenja in kompleksnost ciklov segrevanja pri taljenju in ponovnem taljenju materialov11, kar vodi do epitaksialne rasti zrn in znatne poroznosti12,13.Rezultati kažejo, da je treba nadzorovati toplotne gradiente, hitrosti ohlajanja in sestavo zlitine ali pa uporabiti dodatne fizikalne udarce prek zunanjih polj različnih lastnosti (npr. ultrazvok), da dosežemo drobne enakoosne zrnate strukture.
Številne publikacije se ukvarjajo z učinkom obdelave z vibracijami na proces strjevanja v običajnih postopkih litja14,15. Vendar pa uporaba zunanjega polja na masivne taline ne povzroči želene mikrostrukture materiala. Če je volumen tekoče faze majhen, se situacija dramatično spremeni. V tem primeru zunanje polje pomembno vpliva na proces strjevanja. Upoštevani so bili elektromagnetni učinki med intenzivnimi akustičnimi polji16,17,18,19, 20,21,22,23,24,25,26,27, obločno mešanje 28 in nihanje 29, impulzni plazemski lok 30,31 in druge metode 32. Pritrdite na substrat z uporabo zunanjega visokointenzivnega ultrazvočnega vira (pri 20 kHz). Z ultrazvokom povzročeno prečiščevanje zrn se pripisuje povečanemu območju podhlajevanja kompozicije zaradi zmanjšanega temperaturnega gradienta in ultrazvoka. in izboljšanje za ustvarjanje novih kristalitov s kavitacijo.
V tem delu smo raziskali možnost spreminjanja zrnate strukture avstenitnih nerjavnih jekel z ultrazvočno sonikacijo staljenega bazena z zvočnimi valovi, ki jih ustvari sam talilni laser. Intenzivnostna modulacija laserskega sevanja, ki vpada na medij, ki absorbira svetlobo, povzroči ustvarjanje ultrazvočnih valov, ki spremenijo mikrostrukturo materiala. To intenzivnostno modulacijo laserskega sevanja je mogoče preprosto integrirati v obstoječe 3D-tiskalnike SLM. Eksperimenti v to delo je bilo opravljeno na ploščah iz nerjavečega jekla, katerih površine so bile izpostavljene intenzivnostno moduliranemu laserskemu sevanju. Tehnično je laserska površinska obdelava opravljena. Vendar, če se taka laserska obdelava izvede na površini vsake plasti, med nastajanjem plast za plastjo, so doseženi učinki na celotno prostornino ali na izbrane dele prostornine. Z drugimi besedami, če je del izdelan plast za plastjo, je laserska površinska obdelava vsake plasti enakovredna "laserski obdelavi volumna".
Medtem ko je pri ultrazvočni terapiji na osnovi ultrazvočnega roga ultrazvočna energija stoječega zvočnega vala porazdeljena po celotni komponenti, medtem ko je lasersko inducirana ultrazvočna intenzivnost močno koncentrirana blizu točke, kjer se absorbira lasersko sevanje. Uporaba sonotrode v fuzijskem stroju s prašno posteljo SLM je zapletena, ker mora zgornja površina prašne postelje, izpostavljena laserskemu sevanju, ostati nepremična. Poleg tega na zgornji površini dela ni mehanske obremenitve. .Zato je akustična napetost blizu nič, hitrost delcev pa ima največjo amplitudo po celotni zgornji površini dela. Zvočni tlak v celotnem bazenu staline ne sme preseči 0,1 % največjega tlaka, ki ga ustvari varilna glava, ker je valovna dolžina ultrazvočnih valov s frekvenco 20 kHz v nerjavnem jeklu \(\sim 0,3~\text {m}\), globina pa je običajno manjša od \ (\sim 0,3~\besedilo {mm}\). Zato je lahko učinek ultrazvoka na kavitacijo majhen.
Opozoriti je treba, da je uporaba intenzivnostno moduliranega laserskega sevanja pri neposrednem laserskem nanašanju kovin aktivno področje raziskav35,36,37,38.
Toplotni učinek laserskega sevanja, ki vpada v medij, je osnova za skoraj vse laserske tehnike 39, 40 za obdelavo materialov, kot so rezanje 41, varjenje, kaljenje, vrtanje 42, čiščenje površin, legiranje površin, poliranje površin 43 itd. Izum laserja je spodbudil nov razvoj v tehnikah obdelave materialov, preliminarni rezultati pa so bili povzeti v številnih pregledih in monografijah 44,45,46.
Treba je poudariti, da vsako nestacionarno delovanje na medij, vključno z laserskim delovanjem na absorbcijski medij, povzroči vzbujanje akustičnih valov v njem z večjo ali manjšo učinkovitostjo. Sprva je bil glavni poudarek na laserskem vzbujanju valovanja v tekočinah in različnih mehanizmih toplotnega vzbujanja zvoka (toplotna ekspanzija, izhlapevanje, sprememba volumna med faznim prehodom, kontrakcija itd.) 47, 48, 49. Številne monografije 50, 51, 52 zagotavljajo teoretične analize tega procesa in njegove možne praktične uporabe.
O teh vprašanjih so kasneje razpravljali na različnih konferencah in lasersko vzbujanje ultrazvoka ima aplikacije tako v industrijskih aplikacijah laserske tehnologije53 kot v medicini54. Zato se lahko šteje, da je bil vzpostavljen osnovni koncept procesa, s katerim pulzna laserska svetloba deluje na absorbcijski medij. Laserski ultrazvočni pregled se uporablja za odkrivanje napak na vzorcih, izdelanih s SLM55,56.
Učinek lasersko ustvarjenih udarnih valov na materiale je osnova laserskega udarnega peeninga57,58,59, ki se uporablja tudi za površinsko obdelavo aditivno izdelanih delov60. Vendar pa je lasersko udarno utrjevanje najbolj učinkovito pri nanosekundnih laserskih impulzih in mehansko obremenjenih površinah (npr. s plastjo tekočine)59, ker mehanska obremenitev poveča najvišji tlak.
Izvedeni so bili poskusi, da bi raziskali možne učinke različnih fizikalnih polj na mikrostrukturo strjenih materialov. Funkcionalni diagram eksperimentalne postavitve je prikazan na sliki 1. Uporabljen je bil impulzni Nd:YAG polprevodniški laser, ki deluje v prostem teku (trajanje impulza \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Vsak laserski impulz gre skozi niz filtrov nevtralne gostote in žarek sistem razdelilne plošče. Odvisno od kombinacije filtrov nevtralne gostote se energija impulza na tarči spreminja od \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) do \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Laserski žarek, ki se odbije od razdelilnika žarka, se dovede do fotodiode za hkratno zajemanje podatkov in dveh kalorimetrov (fotodiode z dolgim ​​odzivni čas, ki presega \(1~\text {ms}\)) se uporablja za določanje vpadnega in odbojnega tarče ter dva merilnika moči (fotodiode s kratkimi odzivnimi časi\(<10~\text {ns}\)) za določitev vpadne in odbite optične moči. Kalorimetri in merilniki moči so bili umerjeni tako, da dajejo vrednosti v absolutnih enotah z uporabo detektorja termopilov Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 in dielektrika zrcalo, nameščeno na mestu vzorca. Izostrite žarek na tarčo z uporabo leče (antirefleksni premaz pri \(1,06 \upmu \text {m}\), goriščna razdalja \(160~\text {mm}\)) in pas žarka na ciljni površini 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Funkcionalna shema eksperimentalne postavitve: 1—laser;2—laserski žarek;3—filter nevtralne gostote;4 - sinhronizirana fotodioda;5—razdelilnik žarka;6 - diafragma;7—kalorimeter vpadnega žarka;8 – kalorimeter odbitega žarka;9 – merilnik moči vpadnega žarka;10 – merilnik moči odbitega žarka;11 – fokusna leča;12 – ogledalo;13 – vzorec;14 – širokopasovni piezoelektrični pretvornik;15 – 2D pretvornik;16 – pozicionirni mikrokrmilnik;17 – sinhronizacijska enota;18 – večkanalni digitalni zajemni sistem z različnimi stopnjami vzorčenja;19 – osebni računalnik.
Ultrazvočna obdelava se izvaja na naslednji način. Laser deluje v prostem teku;zato je trajanje laserskega impulza \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), ki je sestavljeno iz večkratnih trajanj po približno \(1,5~\upmu \text {s } \) vsakega. Časovna oblika laserskega impulza in njegov spekter sta sestavljena iz nizkofrekvenčne ovojnice in visokofrekvenčne modulacije s povprečno frekvenco približno \(0,7~\text {MHz}\ ), kot je prikazano na sliki 2.- Frekvenčna ovojnica zagotavlja segrevanje in kasnejše taljenje ter izhlapevanje materiala, medtem ko visokofrekvenčna komponenta zagotavlja ultrazvočne vibracije zaradi fotoakustičnega učinka. Valovna oblika ultrazvočnega impulza, ki ga ustvari laser, je v glavnem določena s časovno obliko intenzivnosti laserskega impulza.Je od \(7~\text {kHz}\) do \ (2~\text {MHz}\), središčna frekvenca pa je \(~ 0,7~\text {MHz}\). Akustični impulzi zaradi fotoakustičnega učinka so bili posneti s širokopasovnimi piezoelektričnimi pretvorniki iz filmov poliviniliden fluorida. Posneta valovna oblika in njen spekter sta prikazana na sliki 2. Upoštevati je treba, da je oblika laserskih impulzov tipično za laser v prostem teku.
Časovna porazdelitev intenzivnosti laserskega impulza (a) in hitrost zvoka na zadnji površini vzorca (b), spektra laserskega impulza (c) in ultrazvočnega impulza (d) v povprečju 300 laserskih impulzov (rdeča krivulja) za en sam laserski impulz (modra krivulja).
Jasno lahko ločimo nizkofrekvenčne in visokofrekvenčne komponente akustične obdelave, ki ustrezajo nizkofrekvenčni ovojnici laserskega impulza oziroma visokofrekvenčni modulaciji. Valovne dolžine akustičnih valov, ki jih ustvari ovojnica laserskega impulza, presegajo \(40~\text {cm}\);zato je pričakovan glavni učinek širokopasovnih visokofrekvenčnih komponent akustičnega signala na mikrostrukturo.
Fizikalni procesi v SLM so zapleteni in se pojavljajo hkrati na različnih prostorskih in časovnih lestvicah. Zato so večkratne metode najprimernejše za teoretično analizo SLM.Matematičnih modelov bi morale biti na začetku večfizične. Mehanike in Thermophysics Multiphase Medium "Termals", ki so vpleteni v injekcijo, ki so vpleteni v injekcijsko povezavo, ki so v interakciji z injekcijo, ki so vpleteni v injekcijsko povezavo, ki so v interakciji z iverno "trdno-likvidno". V SLM so naslednji.
Hitrosti segrevanja in hlajenja do \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ zaradi lokaliziranega laserskega obsevanja z gostoto moči do \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Cikel taljenja-strjevanja traja med 1 in \(10~\text {ms}\), kar prispeva k hitremu strjevanju talilne cone med ohlajanjem.
Hitro segrevanje površine vzorca povzroči nastanek visokih termoelastičnih napetosti v površinski plasti. Zadosten (do 20 %) delež plasti prahu je močno izhlapen63, kar ima za posledico dodatno tlačno obremenitev površine kot odziv na lasersko ablacijo. Posledično inducirana deformacija bistveno popači geometrijo dela, zlasti v bližini nosilcev in tankih konstrukcijskih elementov. Visoka stopnja segrevanja pri impulznem laserskem žarjenju povzroči ustvarjanje ultra zvočni deformacijski valovi, ki se širijo od površine do substrata. Za pridobitev natančnih kvantitativnih podatkov o lokalni napetosti in porazdelitvi deformacij se izvede mezoskopska simulacija problema elastične deformacije, povezanega s prenosom toplote in mase.
Veljavne enačbe modela vključujejo (1) enačbe nestacionarnega prenosa toplote, kjer je toplotna prevodnost odvisna od faznega stanja (prah, talina, polikristal) in temperature, (2) nihanja elastične deformacije po kontinualni ablaciji in enačbo termoelastičnega raztezanja. Problem mejne vrednosti je določen z eksperimentalnimi pogoji. Modulirani laserski tok je definiran na površini vzorca. Konvektivno hlajenje vključuje prevodno izmenjavo toplote in izhlapevalni tok x. Masni tok je definiran na podlagi izračuna nasičenega parnega tlaka izhlapevajočega materiala. Elastoplastično razmerje med napetostjo in deformacijo se uporablja, kjer je termoelastična napetost sorazmerna s temperaturno razliko. Za nazivno moč \(300~\text {W}\), frekvenco \(10^5~\text {Hz}\), intermitentni koeficient 100 in \(200~\upmu \text {m}\ ) efektivnega premera žarka.
Slika 3 prikazuje rezultate numerične simulacije staljene cone z uporabo makroskopskega matematičnega modela. Premer fuzijske cone je \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) radij) in \(40~\upmu \text {m}\) globina. Rezultati simulacije kažejo, da se površinska temperatura lokalno spreminja s časom kot \(100~\text {K} \) zaradi visokega intermitentnega faktorja pulzne modulacije. Hitrosti segrevanja \(V_h\) in hlajenja \(V_c\) sta reda \(10^7\) oziroma \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Te vrednosti se dobro ujemajo z našo prejšnjo analizo64. Razlika reda velikosti med \(V_h\) in \(V_c\) povzroči hitro pregrevanje površinske plasti , kjer je toplotna prevodnost do podlage nezadostna za odstranitev toplote. Zato pri \(t=26~\upmu \text {s}\) površinska temperatura doseže najvišjo vrednost do \(4800~\text {K}\). Močno izhlapevanje materiala lahko povzroči, da je površina vzorca izpostavljena previsokemu pritisku in se odlušči.
Rezultati numerične simulacije talilnega območja žarjenja z enim laserskim impulzom na vzorčni plošči 316L. Čas od začetka impulza do globine bazena staline, ki doseže največjo vrednost, je \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) predstavlja mejo med tekočo in trdno fazo. Izobare (rumene črte) ustrezajo na mejo tečenja, izračunano kot funkcijo temperature v naslednjem odseku. Zato je v domeni med obema izolinijama (izoterme\(T=T_L\) in izobare\(\sigma =\sigma _V(T)\)) trdna faza izpostavljena močnim mehanskim obremenitvam, kar lahko vodi do sprememb v mikrostrukturi.
Ta učinek je nadalje pojasnjen na sliki 4a, kjer je raven tlaka v staljenem območju narisana kot funkcija časa in razdalje od površine. Prvič, obnašanje tlaka je povezano z modulacijo intenzivnosti laserskega impulza, opisano na sliki 2 zgoraj. Največji tlak \text{s}\) približno \(10~\text {MPa}\) je bil opažen pri približno \(t=26~\upmu). Drugič, nihanje lokalnega tlaka pri krmiljenju točka ima enake značilnosti nihanja kot frekvenca \(500~\text {kHz}\). To pomeni, da ultrazvočni tlačni valovi nastajajo na površini in se nato širijo v podlago.
Izračunane značilnosti območja deformacije v bližini območja taljenja so prikazane na sliki 4b. Laserska ablacija in termoelastična napetost ustvarjata elastične deformacijske valove, ki se širijo v podlago. Kot je razvidno iz slike, obstajata dve stopnji ustvarjanja napetosti. Med prvo fazo \(t < 40~\upmu \text {s}\) se napetost po Misesu dvigne na \(8~\text {MPa}\) z modulacijo, podobno površinskemu tlaku. Ta napetost se pojavi zaradi laserske ablacije in v kontrolnih točkah ni bilo opaziti termoelastične napetosti, ker je bilo začetno območje, na katerega vpliva toplota, premajhno. Ko se toplota razprši v podlago, kontrolna točka ustvari visoko termoelastično napetost nad \(40~\text {MPa}\).
Dobljene modulirane ravni napetosti pomembno vplivajo na vmesnik med trdno in tekočino in so lahko nadzorni mehanizem, ki ureja pot strjevanja. Velikost območja deformacije je 2- do 3-krat večja od območja taljenja. Kot je prikazano na sliki 3, se primerjata lokacija izoterme taljenja in raven napetosti, ki je enaka napetosti tečenja. To pomeni, da impulzno lasersko obsevanje zagotavlja visoke mehanske obremenitve na lokaliziranih območjih z efektivnim premerom med 3 00 in \(800~\upmu \text {m}\), odvisno od trenutnega časa.
Zato kompleksna modulacija pulznega laserskega žarjenja vodi do ultrazvočnega učinka. Pot izbire mikrostrukture je drugačna v primerjavi s SLM brez ultrazvočne obremenitve. Deformirana nestabilna območja vodijo do periodičnih ciklov stiskanja in raztezanja v trdni fazi. Tako postane izvedljiva tvorba novih meja zrn in meja podzrn. Zato je mogoče mikrostrukturne lastnosti namerno spremeniti, kot je prikazano spodaj. Dobljeno zaključki zagotavljajo možnost oblikovanja prototipa SLM, povzročenega z pulzno modulacijo, ki ga poganja ultrazvok. V tem primeru je piezoelektrični induktor 26, ki se uporablja drugje, mogoče izključiti.
(a) Tlak kot funkcija časa, izračunan na različnih razdaljah od površine 0, 20 in \(40~\upmu \text {m}\) vzdolž simetrijske osi. (b) Od časa odvisen Von Misesov stres, izračunan v trdni matriki na razdaljah 70, 120 in \(170~\upmu \text {m}\) od površine vzorca.
Poskusi so bili izvedeni na ploščah iz nerjavečega jekla AISI 321H z merami \(20\krat 20\krat 5~\text {mm}\). Po vsakem laserskem impulzu se plošča premakne \(50~\upmu \text {m}\), pas laserskega žarka na ciljni površini pa je približno \(100~\upmu \text {m}\). Izvede se do pet zaporednih prehodov žarka po isti poti do indu. ce pretaljenje predelanega materiala za prečiščevanje zrn. V vseh primerih je bilo pretaljeno območje sonikirano, odvisno od oscilacijske komponente laserskega sevanja. Posledica tega je več kot 5-kratno zmanjšanje povprečne površine zrn. Slika 5 prikazuje, kako se mikrostruktura lasersko staljenega območja spreminja s številom naslednjih ciklov ponovnega taljenja (prehodov).
Podriski (a,d,g,j) in (b,e,h,k) – mikrostruktura lasersko staljenih regij, podriski (c,f,i,l) – površinska porazdelitev obarvanih zrn.Senčenje predstavlja delce, uporabljene za izračun histograma. Barve ustrezajo območjem zrnatosti (glejte barvno vrstico na vrhu histograma. Podriski (ac) ustrezajo neobdelanemu nerjavnemu jeklu, podgrafikoni (df), (gi), (jl) pa ustrezajo 1, 3 in 5 ponovnemu taljenju.
Ker se energija laserskega impulza med naslednjimi prehodi ne spreminja, je globina staljene cone enaka. Tako naslednji kanal popolnoma "pokrije" prejšnjega. Vendar pa histogram kaže, da se povprečna in srednja površina zrn zmanjšujeta z naraščajočim številom prehodov. To lahko pomeni, da laser deluje na podlago in ne na talino.
Rafiniranost zrn je lahko posledica hitrega ohlajanja bazena staline65. Izveden je bil še en sklop poskusov, v katerem so bile površine plošč iz nerjavečega jekla (321H in 316L) izpostavljene laserskemu sevanju z neprekinjenim valom v atmosferi (slika 6) in vakuumu (slika 7). Povprečna moč laserja (300 W oziroma 100 W) in globina bazena staline sta blizu eksperimentalnim rezultatom Nd:Y AG laser v načinu prostega teka. Vendar pa je bila opažena tipična stebrasta struktura.
Mikrostruktura lasersko staljenega področja laserja z neprekinjenim valom (konstantna moč 300 W, hitrost skeniranja 200 mm/s, nerjaveče jeklo AISI 321H).
(a) Mikrostruktura in (b) slike povratnega sipanja elektronov lasersko staljenega območja v vakuumu z neprekinjenim valovnim laserjem (100 W konstantne moči, 200 mm/s hitrost skeniranja, nerjaveče jeklo AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Zato je jasno prikazano, da kompleksna modulacija intenzitete laserskega impulza pomembno vpliva na nastalo mikrostrukturo. Menimo, da je ta učinek mehanske narave in se pojavi zaradi ustvarjanja ultrazvočnih vibracij, ki se širijo od obsevane površine taline globoko v vzorec. Podobni rezultati so bili pridobljeni pri 13, 26, 34, 66, 67 z uporabo zunanjih piezoelektričnih pretvornikov in sonotrod, ki zagotavljajo visoko intenzivnost ity ultrazvok v različnih materialih, vključno z zlitino Ti-6Al-4V 26 in nerjavečim jeklom 34, je rezultat. Možen mehanizem se špekulira na naslednji način. Intenzivni ultrazvok lahko povzroči akustično kavitacijo, kot je prikazano na ultra hitrem in situ sinhrotronskem rentgenskem slikanju. Sesedanje kavitacijskih mehurčkov posledično ustvarja udarne valove v staljenem materialu, katerih sprednji tlak doseže približno \(100~\text {MP a}\)69. Takšni udarni valovi so lahko dovolj močni, da spodbujajo tvorbo jeder trdne faze kritične velikosti v tekočinah v razsutem stanju, kar moti značilno stolpično zrnato strukturo aditivne proizvodnje po plasteh.
Tukaj predlagamo drug mehanizem, ki je odgovoren za strukturno modifikacijo z intenzivno sonikacijo. Takoj po strjevanju je material pri visoki temperaturi blizu tališča in ima izredno nizko mejo tečenja. Intenzivni ultrazvočni valovi lahko povzročijo, da plastični tok spremeni zrnato strukturo vročega, pravkar strjenega materiala. Vendar pa so zanesljivi eksperimentalni podatki o temperaturni odvisnosti meje tečenja na voljo na \(T\lesssim 11 50~\text {K}\) (glej sliko 8). Zato smo za preizkus te hipoteze izvedli simulacije molekularne dinamike (MD) sestave Fe-Cr-Ni, podobne jeklu AISI 316 L, da bi ocenili obnašanje napetosti tečenja blizu tališča. Za izračun napetosti tečenja smo uporabili tehniko sprostitve strižne napetosti MD, ki je podrobno opisana v 70, 71, 72, 73. Za izračune medatomskih interakcij smo uporabili vgrajeni atomski model (EAM) iz 74. Simulacije MD so bile izvedene z uporabo kod LAMMPS 75,76. Podrobnosti simulacij MD bodo objavljene drugje. Rezultati izračuna MD napetosti tečenja kot funkcije temperature so prikazani na sliki 8 skupaj z razpoložljivimi eksperimentalnimi podatki in drugimi ocenami77,78,79,80,81,82.
Meja tečenja za avstenitno nerjavno jeklo razreda AISI 316 in sestava modela glede na temperaturo za simulacije MD. Eksperimentalne meritve iz referenc: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. glej (f)82 je empirični model odvisnosti napetosti tečenja od temperature za merjenje napetosti v liniji med lasersko podprta aditivna proizvodnja. Rezultati obsežnih MD simulacij v tej študiji so označeni kot \(\vartriangleleft\) za neskončni monokristal brez napak in \(\vartriangleright\) za končna zrna ob upoštevanju povprečne velikosti zrn prek Hall-Petchove relacije Dimenzije\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Vidimo lahko, da pri \(T>1500~\text {K}\) napetost tečenja pade pod \(40~\text {MPa}\). Po drugi strani pa ocene predvidevajo, da ultrazvočna amplituda, ustvarjena z laserjem, presega \(40~\text {MPa}\) (glej sliko 4b), kar zadostuje za induciranje plastičnega toka v vročem materialu, ki je pravkar strjen.
Oblikovanje mikrostrukture avstenitnega nerjavnega jekla 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) med SLM je bilo eksperimentalno raziskano z uporabo kompleksnega intenzivnostno moduliranega pulznega laserskega vira.
Zmanjšanje velikosti zrn v območju laserskega taljenja je bilo ugotovljeno zaradi neprekinjenega laserskega ponovnega taljenja po 1, 3 ali 5 prehodih.
Makroskopsko modeliranje kaže, da je ocenjena velikost območja, kjer lahko ultrazvočna deformacija pozitivno vpliva na fronto strjevanja, do \(1~\text {mm}\).
Mikroskopski model MD kaže, da je meja tečenja avstenitnega nerjavnega jekla AISI 316 znatno zmanjšana na \(40~\text {MPa}\) blizu tališča.
Dobljeni rezultati nakazujejo metodo za nadzor mikrostrukture materialov s kompleksno modulirano lasersko obdelavo in bi lahko služili kot osnova za ustvarjanje novih modifikacij pulzne tehnike SLM.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturni razvoj in mehanske lastnosti in situ kompozitov TiB2/AlSi10Mg z laserskim selektivnim taljenjem [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rekristalizacijski inženiring zrnatih meja laserskega selektivnega taljenja nerjavečega jekla 316L [J].Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ razvoj sendvič mikrostruktur z izboljšano duktilnostjo z laserskim ponovnim segrevanjem lasersko staljenih titanovih zlitin.science.Rep.10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Aditivna proizvodnja delov Ti-6Al-4V z laserskim nanašanjem kovin (LMD): proces, mikrostruktura in mehanske lastnosti. J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturno modeliranje laserskega nanašanja energije kovinskega prahu zlitine 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametric Neutron Bragg Edge Imaging Study of Additive Manufactured Samples Treated by Laser Shock Peening.science.Rep.11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradientna mikrostruktura in mehanske lastnosti Ti-6Al-4V, aditivno izdelane s taljenjem elektronskega žarka. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).