Хвала вам што сте посетили Натуре.цом. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за ЦСС. За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или искључите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у). У међувремену, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказаћемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Предложен је нови механизам заснован на селективном ласерском топљењу за контролу микроструктуре производа у процесу производње. Механизам се ослања на генерисање ултразвучних таласа високог интензитета у растопљеном базену помоћу комплексног ласерског зрачења модулисаног интензитета. Експерименталне студије и нумеричке симулације показују да је овај контролни механизам технички изводљив и да се може ефикасно интегрисати у дизајн савремене ласерске машине.
Адитивна производња (АМ) делова сложеног облика је значајно порасла последњих деценија. Међутим, упркос разноврсности процеса адитивне производње, укључујући селективно ласерско топљење (СЛМ)1,2,3, директно ласерско таложење метала4,5,6, топљење електронским снопом7,8 и други9,10, делови могу бити неисправни. сложеност циклуса загревања у материјалима за топљење и претапање11, који доводе до епитаксијалног раста зрна и значајне порозности12,13.Резултати показују да је неопходно контролисати термичке градијенте, стопе хлађења и састав легуре, или применити додатне физичке ударе кроз спољашња поља различитих својстава (нпр. ултразвук) да би се постигле фине равноосне зрнасте структуре.
Бројне публикације се баве утицајем третмана вибрацијама на процес очвршћавања у конвенционалним процесима ливења14,15.Међутим, примена спољашњег поља на растопљене растопине ​​не производи жељену микроструктуру материјала.Ако је запремина течне фазе мала, ситуација се драматично мења.У овом случају, спољашње поље значајно утиче на процес очвршћавања, у току процеса очвршћавања. ,19,20,21,22,23,24,25,26,27, мешање лука28 и осциловање29, пулсни плазма лукови30,31 и друге методе32. Причврстите на подлогу помоћу екстерног извора ултразвука високог интензитета (на 20 кХз). ент и ултразвучно побољшање за стварање нових кристалита кроз кавитацију.
У овом раду смо истраживали могућност промене структуре зрна аустенитног нерђајућег челика соникацијом растопљеног базена са звучним таласима које генерише сам ласер за топљење. Модулација интензитета ласерског зрачења упада на медијум који апсорбује светлост резултира генерисањем ултразвучних таласа, који мењају микроструктуру микроструктуре материјала који се лако може интегрисати у модул рада ласера ​​С. ови радови су изведени на плочама од нерђајућег челика чије су површине биле изложене ласерском зрачењу модулисаног интензитета. Дакле, технички је урађена ласерска површинска обрада. Међутим, ако се такав ласерски третман изводи на површини сваког слоја, током надоградње слој по слој, постижу се ефекти на целокупну запремину или на одабране делове запремине. Другим речима, ако је део третиран ласером по слоју, слој обрађује се обрада ласером.
Док у ултразвучној терапији заснованој на роговима, ултразвучна енергија стојећег звучног таласа се дистрибуира по целој компоненти, док је ласерски индуковани ултразвучни интензитет високо концентрисан близу тачке где се ласерско зрачење апсорбује. Коришћење сонотроде у СЛМ машини за фузију слоја праха је компликовано јер горња површина слоја праха не би требало да остане изложена механичком напрезању на врху површине слоја праха. Због тога је акустички напон близу нуле и брзина честица има максималну амплитуду на целој горњој површини дела. Звучни притисак унутар читавог растопљеног базена не може да пређе 0,1% максималног притиска који генерише глава заваривања, јер је таласна дужина ултразвучних таласа са фреквенцијом од 20 кХз, а дубина је обично {м\~им\\} дубина од нерђајућег челика. (\сим 0.3~\тект {мм}\). Стога, ефекат ултразвука на кавитацију може бити мали.
Треба напоменути да је употреба ласерског зрачења модулисаног интензитета у директном ласерском таложењу метала активна област истраживања35,36,37,38.
Топлотни ефекат ласерског зрачења који пада на медијум је основа за скоро све ласерске технике 39, 40 за обраду материјала, као што су сечење41, заваривање, каљење, бушење42, чишћење површине, легирање површине, полирање површине43 итд. Проналазак ласера ​​подстакао је нова достигнућа у техникама обраде материјала, а прелиминарни резултати су у бројним прегледима4,4 и монографијама збирно приказани64.
Треба напоменути да свако нестационарно деловање на медијум, укључујући и ласерско дејство на апсорбујући медијум, доводи до побуђивања акустичних таласа у њему са већом или мањом ефикасношћу. У почетку је главни фокус био на ласерском побуђивању таласа у течностима и на различите механизме термалне побуде звука (термичко ширење, испаравање, промена запремине4у, монографска транзиција,44, итд.) 50, 51, 52 дају теоријске анализе овог процеса и његове могуће практичне примене.
О овим питањима се накнадно расправљало на разним конференцијама, а ласерско побуђивање ултразвука има примену и у индустријској примени ласерске технологије53 и у медицини54. Стога се може сматрати да је успостављен основни концепт процеса којим пулсирајућа ласерска светлост делује на апсорбујући медијум. Ласерска ултразвучна инспекција се користи за детекцију дефеката на СЛМ-произведеним узорцима.55
Ефекат ласерски генерисаних ударних таласа на материјале је основа ласерског шок пеенинга57,58,59, који се такође користи за површинску обраду делова адитивно произведених60.Међутим, ојачање ласерским ударом је најефикасније на наносекундним ласерским импулсима и механички оптерећеним површинама (нпр. са слојем течности)59 јер механичко оптерећење повећава вршни притисак.
Експерименти су спроведени да би се истражили могући утицаји различитих физичких поља на микроструктуру очврснутих материјала. Функционални дијаграм експерименталне поставке је приказан на слици 1. Коришћен је импулсни Нд:ИАГ ласер у чврстом стању који ради у слободном режиму (трајање импулса \(\тау _Л \сим 150~\упму \тект) и коришћен је неутрални ласерски филтер пропуштања импулсног филтера {с}. систем плоча за раздвајање снопа. У зависности од комбинације филтера неутралне густине, енергија импулса на мети варира од \(Е_Л \сим 20~\тект {мЈ}\) до \(Е_Л \сим 100~\тект {мЈ}\). Ласерски сноп који се рефлектује од разделника снопа, а затим се доводи до симултаних два фото-диометра података уређаји са дугим временом одзива који премашују \(1~\тект {мс}\)) се користе за одређивање инцидента на мету и рефлектованог од циља, а два мерача снаге (фотодиоде са кратким временом одзива\(<10~\тект {нс}\)) за одређивање упадне и рефлектоване оптичке снаге. Калориметри и мерачи снаге су калибрисани да дају вредности у апсолутним јединицама и детектују 1 Ген-2-Ц ЛП-Д или 1 Ген-2-Ц ЛП. електрично огледало постављено на локацију узорка. Фокусирајте сноп на мету помоћу сочива (антирефлексни премаз на \(1,06 \упму \тект {м}\), жижна даљина \(160~\тект {мм}\)) и струка зрака на површини мете 60– \(100~\упму\тект {м).
Функционални шематски дијаграм експерименталне поставке: 1—ласер;2—ласерски зрак;3—филтер неутралне густине;4—синхронизована фотодиода;5—раздјелник зрака;6—дијафрагма;7—калориметар упадног зрака;8 – калориметар рефлектованог зрака;9 – мерач снаге упадног снопа;10 – мерач снаге одбијеног снопа;11 – сочиво за фокусирање;12 – огледало;13 – узорак;14 – широкопојасни пиезоелектрични претварач;15 – 2Д конвертор;16 – позициони микроконтролер;17 – јединица за синхронизацију;18 – вишеканални дигитални аквизициони систем са различитим брзинама узорковања;19 – персонални рачунар.
Ултразвучни третман се спроводи на следећи начин. Ласер ради у слободном режиму рада;стога је трајање ласерског импулса \(\тау _Л \сим 150~\упму \тект {с}\), које се састоји од вишеструких трајања од отприлике \(1,5~\упму \тект {с} \) свако. Временски облик ласерског импулса и његов спектар састоје се од нискофреквентног омотача и модула високе фреквенције од\~, са просечном фреквенцијом {0 МХз}({0}). на слици 2.- Фреквентни омотач обезбеђује загревање и накнадно топљење и испаравање материјала, док компонента високе фреквенције обезбеђује ултразвучне вибрације услед фотоакустичког ефекта. Таласни облик ултразвучног импулса који генерише ласер углавном је одређен временским обликом интензитета ласерског импулса.То је од \(7~\тект {кХз}\) до \ (2~\тект {МХз}\), а централна фреквенција је \(~ 0,7~\тект {МХз}\). Звучни импулси због фотоакустичког ефекта су снимљени коришћењем широкопојасних пиезоелектричних претварача направљених од поливинилиден флуоридних филмова и чији облик треба да буде снимљен у облику таласа ласерског таласа. ес је типичан за ласер у слободном режиму рада.
Временска дистрибуција интензитета ласерског импулса (а) и брзине звука на задњој површини узорка (б), спектри ласерског импулса (ц) и ултразвучног импулса (д) усредњени на 300 ласерских импулса (црвена крива) за један ласерски импулс (плава крива).
Можемо јасно разликовати нискофреквентне и високофреквентне компоненте акустичког третмана које одговарају нискофреквентном омотачу ласерског импулса и високофреквентној модулацији, респективно. Таласне дужине акустичних таласа генерисаних омотачем ласерског импулса премашују \(40~\тект {цм}\);стога се очекује главни ефекат широкопојасних високофреквентних компоненти акустичког сигнала на микроструктуру.
Физички процеси у СЛМ су сложени и одвијају се истовремено на различитим просторним и временским скалама. Због тога су методе на више скала најпогодније за теоријску анализу СЛМ. Математички модели би у почетку требало да буду мултифизички. Механика и термофизика вишефазног медија „чврсто-течно растопљено“ описано је као ефективно топлотно оптерећење материјала у атмосфери СЛМ.
Брзине грејања и хлађења до \(10^6~\тект {К}/\тект {с}\) /\тект{ због локализованог ласерског зрачења са густином снаге до \(10^{13}~\тект {В} цм}^2\).
Циклус топљења-очвршћавања траје између 1 и \(10~\тект {мс}\), што доприноси брзом очвршћавању зоне топљења током хлађења.
Брзо загревање површине узорка доводи до формирања високих термоеластичних напона у површинском слоју. Довољан (до 20%) део слоја праха се снажно испарава63, што доводи до додатног притиска на површину као одговор на ласерску аблацију. Последично, индукована деформација значајно нарушава геометрију дела, посебно високу брзину генерисања топлоте ласера ​​у ултра танким ослонцима у близини структуре. звучни таласи деформације који се простиру од површине до подлоге. У циљу добијања тачних квантитативних података о локалном напону и дистрибуцији деформација, изведена је мезоскопска симулација проблема еластичне деформације коњугованог са преносом топлоте и масе.
Референтне једначине модела обухватају (1) једначине нестационарног преноса топлоте где топлотна проводљивост зависи од фазног стања (прашак, растоп, поликристал) и температуре, (2) флуктуације еластичне деформације након континуумске аблације и једначине термоеластичног ширења. Гранична вредност граничне вредности модула размене топлоте је одређен на основу експерименталног проводног модула Цонфлу узорка. и флукс испаравања. Масени флукс је дефинисан на основу израчунавања притиска засићене паре материјала који испарава. Однос еластопластичног напрезања и деформације се користи где је термоеластични напон пропорционалан температурној разлици. За називну снагу \(300~\тект {В}\), фреквенцију \(10^5\муд 0 Хз, коефицијент нагоре) {м}\ ) ефективног пречника снопа.
На слици 3 приказани су резултати нумеричке симулације растопљене зоне коришћењем макроскопског математичког модела. Пречник фузионе зоне је \(200~\упму \тект {м}\) (\(100~\упму \тект {м}\) полупречник) и \(40~\упму \тект {м}\) и \(40~\упму \тект {м}\) као локална дубина {0}температуре в временске површине (К. \) због високог фактора интермитентне модулације импулса. Брзине грејања \(В_х\) и хлађења \(В_ц\) су реда \(10^7\) и \(10^6~\тект {К}/\тект {с}\), респективно. Ове вредности се добро слажу са нашом претходном анализом64.Разлику брзе анализе 64.Разлику између \_ и величине \ В_(ц) површински слој, где је топлотна проводљивост до подлоге недовољна за уклањање топлоте. Према томе, при \(т=26~\упму \тект {с}\) површинска температура достиже врхунац до \(4800~\тект {К}\). Снажно испаравање материјала може проузроковати да површина узорка буде подвргнута претераном притиску и да се одлепи.
Резултати нумеричке симулације зоне топљења једноструког ласерског импулсног жарења на плочи узорка од 316Л. Време од почетка импулса до дубине растопљеног базена до достизања максималне вредности је \(180~\упму\тект {с}\).Изотерма\(Т = Т_Л = 1723~\текст линија чврстог облика {К}\) представља линију чврстог облика између течне и ниске линије. на напон течења израчунат као функција температуре у следећем одељку. Према томе, у домену између две изолиније (изотерме\(Т=Т_Л\) и изобаре\(\сигма =\сигма _В(Т)\)), чврста фаза је изложена јаким механичким оптерећењима, што може довести до промена у микроструктури.
Овај ефекат је даље објашњен на слици 4а, где је ниво притиска у отопљеној зони приказан као функција времена и удаљености од површине. Прво, понашање притиска је повезано са модулацијом интензитета ласерског импулса описаном на слици 2 изнад. Примећен је максимални притисак \тект{с}\) од око \(10~\тект {МПа}\), при чему је примећен локални притисак при 26 флукс \(уп). контролна тачка има исте карактеристике осциловања као и фреквенција \(500~\тект {кХз}\). То значи да се ултразвучни таласи притиска генеришу на површини и затим се шире у подлогу.
Израчунате карактеристике зоне деформације у близини зоне топљења су приказане на слици 4б. Ласерска аблација и термоеластична напрезања генеришу таласе еластичне деформације који се шире у подлогу. Као што се може видети на слици, постоје две фазе стварања напона. Током прве фазе \(т < 40 ~ Мисесс {\упму}), напон расте \~текст \тект\упму\ са модулацијом сличном површинском притиску.Овај напон настаје услед ласерске аблације, а термоеластични напон није примећен у контролним тачкама јер је почетна зона утицаја топлоте била премала.Када се топлота распршује у подлогу, контролна тачка генерише висок термоеластичан напон изнад \(40~\тект {МПа}\).
Добијени модулисани нивои напона имају значајан утицај на интерфејс чврста и течност и могу бити контролни механизам који регулише путању очвршћавања. Величина зоне деформације је 2 до 3 пута већа од зоне топљења. Као што је приказано на слици 3, локација изотерме топљења и ниво напона једнак напону течења између пулсираног локалног пречника 0 омогућава упоређивање ефективног ласерског радија са високим механичким оптерећењем3. 0 и \(800~\упму \тект {м}\) у зависности од тренутног времена.
Дакле, комплексна модулација пулсног ласерског жарења доводи до ултразвучног ефекта. Пут селекције микроструктуре је другачији у поређењу са СЛМ без ултразвучног оптерећења. Деформисани нестабилни региони доводе до периодичних циклуса компресије и истезања у чврстој фази. Дакле, формирање нових граница зрна и граница подзрна. закључци пружају могућност да се дизајнира ултразвучни СЛМ прототип изазван импулсном модулацијом. У овом случају, пиезоелектрични индуктор 26 који се користи на другим местима може бити искључен.
(а) Притисак као функција времена, израчунат на различитим растојањима од површине 0, 20 и \(40~\упму \тект {м}\) дуж осе симетрије.(б) Временски зависни Фон Мизесов напон израчунат у чврстој матрици на растојањима 70, 120 и \(170~\упму \тект {м}\) од површине узорка.
Експерименти су изведени на плочама од нерђајућег челика АИСИ 321Х димензија \(20\пута 20\пут 5~\тект {мм}\). После сваког ласерског импулса, плоча се помера \(50~\упму \тект {м}\), а струка ласерског зрака на циљној површини је око \(100~\упму \упму \тект {м}\). це претапање обрађеног материјала за пречишћавање зрна. У свим случајевима, претопљена зона је ултразвучна, у зависности од осцилаторне компоненте ласерског зрачења. Ово резултира смањењем просечне површине зрна за више од 5 пута. Слика 5 показује како се микроструктура ласерски отопљеног региона мења са бројем наредних циклуса (пролаза) претапања.
Подцрте (а,д,г,ј) и (б,е,х,к) – микроструктура ласерски отопљених региона, подцрте (ц,ф,и,л) – расподела површина обојених зрна.Сенчење представља честице које се користе за израчунавање хистограма. Боје одговарају регионима зрна (погледајте траку боја на врху хистограма. Подцрте (ац) одговарају необрађеном нерђајућем челику, а подцрте (дф), (ги), (јл) одговарају 1, 3 и 5 поновног топљења.
Пошто се енергија ласерског импулса не мења између наредних пролаза, дубина растопљене зоне је иста. Дакле, следећи канал у потпуности „покрива“ претходни. Међутим, хистограм показује да се средња и средња површина зрна смањују са повећањем броја пролаза. Ово може указивати да ласер делује на подлогу, а не на растоп.
Рафинирање зрна може бити узроковано брзим хлађењем растопљеног базена65. Спроведен је још један скуп експеримената у којима су површине плоча од нерђајућег челика (321Х и 316Л) биле изложене непрекидном таласном ласерском зрачењу у атмосфери (слика 6) и вакууму (слика 7). Просечна снага ласера ​​(300 В, а дубина Н и 100) су резултати експеримента блиски дубини базена, респективно, 100. ласер у слободном режиму рада. Међутим, примећена је типична стубна структура.
Микроструктура ласерски отопљеног подручја ласера ​​са континуалним таласом (300 В константна снага, брзина скенирања 200 мм/с, нерђајући челик АИСИ 321Х).
(а) Микроструктура и (б) слике дифракције повратног расејања електрона ласерски растопљеног региона у вакууму са ласером континуалног таласа (100 В константна снага, 200 мм/с брзина скенирања, АИСИ 316Л нерђајући челик)\ (\сим 2~\тект {мбар}\).
Therefore, it is clearly shown that the complex modulation of the laser pulse intensity has a significant effect on the resulting microstructure.We believe that this effect is mechanical in nature and occurs due to the generation of ultrasonic vibrations propagating from the irradiated surface of the melt deep into the sample.Similar results were obtained in 13, 26, 34, 66, 67 using external piezoelectric transducers and sonotrodes providing high-intensity ultrasound in various materials including Ti-6Al-4V alloy 26 and stainless steel 34 the result of.The possible mechanism is speculated as follows.Intense ultrasound can cause acoustic cavitation, as demonstrated in ultrafast in situ synchrotron X-ray imaging.The collapse of the cavitation bubbles in turn generates shock waves in the molten material, whose front pressure reaches about \(100~\text {MPa}\)69.Such shock waves may be strong enough to promote the formation of critical-sized solid-phase nuclei in bulk liquids, disrupting the typical columnar grain structure of layer-by-layer additive manufacturing.
Овде предлажемо још један механизам одговоран за структурну модификацију интензивном соникацијом. Одмах након очвршћавања, материјал је на високој температури близу тачке топљења и има изузетно низак напон течења. Интензивни ултразвучни таласи могу проузроковати да пластични ток промени структуру зрна врелог, само очврслог материјала. Међутим, поуздани експериментални подаци о напону прилаза без утицаја су доступни1\0\текст Т~5. {К}\) (видети слику 8). Због тога смо, да бисмо тестирали ову хипотезу, извршили симулације молекуларне динамике (МД) композиције Фе-Цр-Ни сличне АИСИ 316 Л челику да бисмо проценили понашање напона течења близу тачке топљења. Да бисмо израчунали напон течења, користили смо технику МД, технику смицања напона 2 у релаксацији између релаксације177,77. за прорачуне интеракције, користили смо Ембеддед Атомиц Модел (ЕАМ) из 74. МД симулације су изведене коришћењем ЛАММПС кодова 75,76. Детаљи МД симулација биће објављени на другом месту. Резултати МД прорачуна напона течења као функције температуре приказани су на Слици 8 заједно са доступним експерименталним подацима и другим проценама.
Напон течења за аустенитни нерђајући челик АИСИ 316 и састав модела у односу на температуру за МД симулације. Експериментална мерења из референци: (а) 77, (б) 78, (ц) 79, (д) ​​80, (д) ​​81. погледајте. (ф) 82 је емпиријски модел напона зависног од ласерског напона у зависности од темп. тивна производња. Резултати великих МД симулација у овој студији су означени са \(\вартрианглелефт\) за бесконачни монокристал без дефеката и \(\вартрианглеригхт\) за коначна зрна узимајући у обзир просечну величину зрна преко Халл-Петцх релације Дименсионс\(д = 50~}\упму). \тект {м.
Може се видети да при \(Т>1500~\тект {К}\) напон течења пада испод \(40~\тект {МПа}\). С друге стране, процене предвиђају да ласерски генерисана ултразвучна амплитуда премашује \(40~\тект {МПа}\) (види слику 4б), што је довољно да се чврсти пластични материјал отече у.
Формирање микроструктуре 12Цр18Ни10Ти (АИСИ 321Х) аустенитног нерђајућег челика током СЛМ експериментално је испитано коришћењем комплексног импулсног ласерског извора модулисаног интензитетом.
Утврђено је смањење величине зрна у зони ласерског топљења услед континуираног ласерског претапања након 1, 3 или 5 пролаза.
Макроскопско моделирање показује да је процењена величина области у којој ултразвучна деформација може позитивно утицати на фронт очвршћавања до \(1~\тект {мм}\).
Микроскопски МД модел показује да је граница течења аустенитног нерђајућег челика АИСИ 316 значајно смањена на \(40~\тект {МПа}\) близу тачке топљења.
Добијени резултати сугеришу метод за контролу микроструктуре материјала применом сложене модулисане ласерске обраде и могу послужити као основа за креирање нових модификација пулсне СЛМ технике.
Лиу, И. ет ал. Микроструктурна еволуција и механичка својства ин ситу ТиБ2/АлСи10Мг композита ласерским селективним топљењем [Ј].Ј.Аллоис.цомпоунд.853, 157287. хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јаллцом.2020.157287 (2021).
Гао, С. ет ал. Рекристализација граница зрна ласерског селективног топљења нерђајућег челика 316Л [Ј].Часопис Алма Матер.200, 366–377.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.ацтамат.2020.09.015 (2020).
Цхен, Кс. & Киу, Ц. Ин ситу развој сендвич микроструктура са повећаном дуктилношћу ласерским поновним загревањем ласерски истопљених легура титанијума.сциенце.Реп.10, 15870.хттпс://дои.орг/10.1038/с41598-020-72627-к (2020).
Азарнииа, А. ет ал. Адитивна производња делова Ти-6Ал-4В ласерским таложењем метала (ЛМД): процес, микроструктура и механичка својства.Ј.Аллоис.цомпоунд.804, 163–191.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јаллцом.2019.04.255 (2019).
Кумара, Ц. ет ал.Микроструктурно моделирање ласерског металног праха усмереног енергетског таложења легуре 718.Адд то.мануфацтуре.25, 357–364.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.аддма.2018.11.024 (2019).
Бусеи, М. ет ал. Параметриц Неутрон Брагг Едге Имагинг Студи оф Аддитивели Мануфацтуред Самплес Треттед би Ласер Схоцк Пеенинг.сциенце.Реп.11, 14919.хттпс://дои.орг/10.1038/с41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Кс. ет ал. Градијентна микроструктура и механичка својства Ти-6Ал-4В адитивно произведеног топљењем електронским снопом. Алма Матер Јоурнал.97, 1-16.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.ацтамат.2015.06.036 (2015).