ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS แบบจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีรูปแบบและ JavaScript
มีการเสนอกลไกใหม่ที่ใช้การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกเพื่อควบคุมโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์ในกระบวนการผลิต กลไกนี้ขึ้นอยู่กับการสร้างคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงในสระหลอมเหลวโดยการฉายรังสีเลเซอร์แบบมอดูเลตความเข้มที่ซับซ้อน การศึกษาเชิงทดลองและการจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่ากลไกการควบคุมนี้เป็นไปได้ทางเทคนิคและสามารถรวมเข้ากับการออกแบบเครื่องหลอมเลเซอร์แบบเลือกสมัยใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การผลิตสารเติมแต่ง (AM) ของชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนได้เติบโตขึ้นอย่างมากในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม แม้จะมีกระบวนการผลิตสารเติมแต่งที่หลากหลาย รวมถึงการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM)1,2,3 การสะสมโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรง4,5,6 การหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน7,8 และอื่นๆ 9,10 ชิ้นส่วนอาจมีข้อบกพร่อง สาเหตุหลักมาจากลักษณะเฉพาะของกระบวนการแข็งตัวในสระหลอมเหลวที่เกี่ยวข้องกับการไล่ระดับสีด้วยความร้อนสูง อัตราการเย็นตัวสูง และความซับซ้อนของวงจรการให้ความร้อนในการหลอมและการหลอมซ้ำ วัสดุ 11 ซึ่งนำไปสู่การเติบโตของเกรน epitaxial และความพรุนที่สำคัญ12,13 แสดงให้เห็นว่าจำเป็นต้องควบคุมการไล่ระดับความร้อน อัตราการเย็นตัว และส่วนประกอบของโลหะผสม หรือใช้การกระแทกทางกายภาพเพิ่มเติมโดยสนามภายนอกของคุณสมบัติต่างๆ เช่น อัลตราซาวนด์ เพื่อให้ได้โครงสร้างเกรนที่เท่ากันพอดี
สิ่งพิมพ์จำนวนมากเกี่ยวข้องกับผลกระทบของการรักษาการสั่นสะเทือนต่อกระบวนการทำให้แข็งตัวในกระบวนการหล่อแบบทั่วไป14,15 อย่างไรก็ตาม การใช้สนามภายนอกกับวัสดุหลอมจำนวนมากไม่ได้สร้างโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ต้องการ หากปริมาตรของเฟสของเหลวมีขนาดเล็ก สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างมาก ในกรณีนี้ สนามภายนอกมีผลอย่างมากต่อกระบวนการแข็งตัว ช่องเสียงที่เข้มข้น16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, arc การกวนและการสั่น 29 ผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างพลาสมาอาร์คพัลซิ่ง และวิธีการอื่น ๆ ได้รับการพิจารณา แนบกับพื้นผิวโดยใช้แหล่งกำเนิดอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงภายนอก (ที่ 20 kHz) การปรับแต่งเกรนด้วยอัลตราซาวนด์ที่เกิดจากอัลตราซาวนด์เป็นผลมาจากโซน subcooling ที่เป็นส่วนประกอบที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการไล่ระดับอุณหภูมิที่ลดลงและการปรับปรุงอัลตราซาวนด์เพื่อสร้างผลึกใหม่ผ่านโพรงอากาศ
ในงานนี้ เราตรวจสอบความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเกรนของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกโดยการโซนิกแอ่งน้ำที่หลอมเหลวด้วยคลื่นเสียงที่เกิดจากเลเซอร์ที่หลอมละลายเอง การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์ที่ตกกระทบบนตัวกลางที่ดูดซับแสงส่งผลให้เกิดคลื่นอัลตราโซนิกซึ่งเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์นี้สามารถรวมเข้ากับเครื่องพิมพ์ SLM 3D ที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย การทดลองในงานนี้ทำกับแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมที่พื้นผิวถูกเปิดออก ไปจนถึงการแผ่รังสีเลเซอร์แบบมอดูเลตความเข้ม ดังนั้น ในทางเทคนิคแล้ว การรักษาพื้นผิวด้วยเลเซอร์จึงเสร็จสิ้น อย่างไรก็ตาม หากการรักษาด้วยเลเซอร์ดังกล่าวทำกับพื้นผิวของแต่ละชั้น ในระหว่างการสะสมแบบชั้นต่อชั้น ผลกระทบต่อปริมาตรทั้งหมดหรือต่อส่วนที่เลือกของปริมาตร กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นทีละชั้น การรักษาพื้นผิวด้วยเลเซอร์ของแต่ละชั้นจะเทียบเท่ากับ “การรักษาปริมาตรด้วยเลเซอร์”
ในขณะที่การรักษาด้วยอัลตราโซนิกแบบฮอร์นอัลตราโซนิก พลังงานอัลตราโซนิกของคลื่นเสียงนิ่งจะกระจายไปทั่วส่วนประกอบ ในขณะที่ความเข้มของอัลตราโซนิกที่เกิดจากเลเซอร์นั้นมีความเข้มข้นสูงใกล้กับจุดที่รังสีเลเซอร์ถูกดูดซับ การใช้โซโนโทรดในเครื่องฟิวชั่นเบดแบบผง SLM นั้นซับซ้อน เนื่องจากพื้นผิวด้านบนของเตียงแบบพาวเดอร์เบดที่สัมผัสกับรังสีเลเซอร์ควรอยู่นิ่ง นอกจากนี้ ไม่มีความเค้นเชิงกลบนพื้นผิวด้านบนของชิ้นส่วน ดังนั้น ความเค้นเสียงจะใกล้เคียงกับศูนย์และอนุภาค ตำแหน่งมีแอมพลิจูดสูงสุดเหนือพื้นผิวด้านบนทั้งหมดของชิ้นส่วน แรงดันเสียงภายในสระหลอมเหลวทั้งหมดต้องไม่เกิน 0.1% ของแรงดันสูงสุดที่หัวเชื่อมสร้างขึ้น เนื่องจากความยาวคลื่นของคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่ 20 kHz ในเหล็กกล้าไร้สนิมคือ \(\sim 0.3~\text {m}\) และความลึกมักจะน้อยกว่า \(\sim 0.3~\text {mm}\) ดังนั้น ผลกระทบของอัลตราซาวนด์ต่อการเกิดโพรงอากาศอาจมีน้อย .
ควรสังเกตว่าการใช้รังสีเลเซอร์แบบมอดูเลตความเข้มในการเคลือบโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรงเป็นพื้นที่ของการวิจัย35,36,37,38
ผลกระทบทางความร้อนของเหตุการณ์การแผ่รังสีเลเซอร์บนตัวกลางเป็นพื้นฐานสำหรับเทคนิคเลเซอร์การประมวลผลวัสดุเกือบทั้งหมด 39, 40 เช่น การตัด 41 การเชื่อม การชุบแข็ง การเจาะ 42 การทำความสะอาดพื้นผิว การผสมพื้นผิว การขัดผิว 43 ฯลฯ เทคโนโลยีการประมวลผลวัสดุและสรุปผลลัพธ์เบื้องต้นในบทวิจารณ์และเอกสาร 44, 45, 46 จำนวนมาก
ควรสังเกตว่าการกระทำใดๆ ที่ไม่อยู่กับที่บนตัวกลาง รวมทั้งการยึดเกาะบนตัวกลางดูดซับ ส่งผลให้เกิดการกระตุ้นของคลื่นอะคูสติกในนั้นอย่างมีประสิทธิภาพไม่มากก็น้อย ในขั้นต้น จุดสนใจหลักอยู่ที่การกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ของคลื่นในของเหลวและกลไกการกระตุ้นด้วยความร้อนต่างๆ ของเสียง (การขยายตัวทางความร้อน การระเหย การเปลี่ยนแปลงระดับเสียงระหว่างการเปลี่ยนเฟส การหดตัว ฯลฯ) 47, 48, 49 เอกสารจำนวนมาก50, 51, 52 ให้การวิเคราะห์ทางทฤษฎีของกระบวนการนี้และการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่เป็นไปได้
ประเด็นเหล่านี้ถูกกล่าวถึงในการประชุมต่างๆ ในภายหลัง และการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ของอัลตราซาวนด์มีการใช้งานทั้งในการใช้งานด้านอุตสาหกรรมของเทคโนโลยีเลเซอร์53 และการแพทย์54 ดังนั้นจึงถือได้ว่าแนวคิดพื้นฐานของกระบวนการที่แสงเลเซอร์พัลซิ่งทำหน้าที่บนตัวกลางดูดซับได้รับการจัดตั้งขึ้น การตรวจสอบด้วยอัลตราโซนิกด้วยเลเซอร์ใช้สำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องของตัวอย่างที่ผลิตโดย SLM55,56
ผลกระทบของคลื่นกระแทกที่สร้างด้วยเลเซอร์บนวัสดุเป็นพื้นฐานของการกระแทกด้วยเลเซอร์ 57,58,59 ซึ่งใช้สำหรับการชุบผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมแต่งด้วย 60 อย่างไรก็ตาม การเสริมความแข็งแรงด้วยแรงกระแทกด้วยเลเซอร์มีประสิทธิภาพมากที่สุดในพัลส์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีและพื้นผิวที่รับแรงทางกลไก (เช่น กับชั้นของของเหลว)59 เนื่องจากการโหลดทางกลจะเพิ่มแรงดันสูงสุด
การทดลองดำเนินการเพื่อตรวจสอบผลกระทบที่เป็นไปได้ของฟิลด์ทางกายภาพต่างๆ ต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุแข็งตัว แผนภาพการทำงานของการตั้งค่าการทดลองแสดงในรูปที่ 1 มีการใช้เลเซอร์โซลิดสเตตแบบพัลซิ่ง Nd:YAG ในโหมดการทำงานอิสระ (ระยะเวลาการเต้นของชีพจร \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) เลเซอร์พัลส์แต่ละตัวจะถูกส่งผ่านชุดตัวกรองความหนาแน่นเป็นกลางและระบบแผ่นแยกลำแสง ขึ้นอยู่กับการรวมกันของ ตัวกรองความหนาแน่นเป็นกลาง พลังงานพัลส์บนเป้าหมายจะแปรผันตั้งแต่ \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ถึง \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) ลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากตัวแยกลำแสงจะถูกส่งไปยังโฟโตไดโอดเพื่อรับข้อมูลพร้อมกัน และแคลอรีมิเตอร์สองตัว (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองนานเกิน \(1~\text {ms}\)) จะใช้ในการระบุเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นและสะท้อนจากเป้าหมาย และเครื่องวัดพลังงานสองตัว (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองสั้น\(<10~\text {ns}\)) เพื่อระบุเหตุการณ์และพลังงานแสงที่สะท้อนออกมา เครื่องวัดความร้อนและเครื่องวัดพลังงานได้รับการสอบเทียบเพื่อให้ค่าเป็นหน่วยสัมบูรณ์โดยใช้เครื่องตรวจจับความร้อน Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 และกระจกไดอิเล็กทริกที่ติดตั้งที่ตำแหน่งตัวอย่าง โฟกัสลำแสงไปยังชิ้นงานโดยใช้เลนส์ (การเคลือบสารป้องกันการสะท้อนที่ \(1.06 \upmu \text {m}\), โฟกัส ความยาว \(160~\text {mm}\)) และเอวคานที่พื้นผิวเป้าหมาย 60– \(100~\upmu\text {m}\)
แผนผังการทำงานของการตั้งค่าการทดลอง: 1—เลเซอร์;2—ลำแสงเลเซอร์;3—ตัวกรองความหนาแน่นเป็นกลาง;4—โฟโตไดโอดที่ซิงโครไนซ์;5—ตัวแยกลำแสง;6—ไดอะแฟรม;7—แคลอริมิเตอร์ของลำแสงตกกระทบ ;8 – เครื่องวัดความร้อนของลำแสงสะท้อน;9 – เครื่องวัดกำลังลำแสงตกกระทบ;10 – เครื่องวัดพลังงานลำแสงสะท้อน;11 – เลนส์โฟกัส;12 – กระจกเงา;13 – ตัวอย่าง;14 – ทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกแบบบรอดแบนด์;15 – ตัวแปลง 2D;16 – การวางตำแหน่งไมโครคอนโทรลเลอร์;17 – หน่วยซิงโครไนซ์;18 – ระบบการรับสัญญาณดิจิทัลแบบหลายช่องสัญญาณพร้อมอัตราการสุ่มตัวอย่างต่างๆ19 – คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล.
การรักษาด้วยอัลตราโซนิกมีดังต่อไปนี้ เลเซอร์ทำงานในโหมดวิ่งอิสระดังนั้นระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์คือ \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) ซึ่งประกอบด้วยระยะเวลาหลายช่วงประมาณ \(1.5~\upmu \text {s } \) แต่ละช่วงรูปร่างชั่วคราวของพัลส์เลเซอร์และสเปกตรัมประกอบด้วยซองความถี่ต่ำและมอดูเลตความถี่สูง โดยมีความถี่เฉลี่ยประมาณ \(0.7~\text {MHz}\) ดังแสดงในรูปที่ 2.- ซองความถี่ให้ความร้อนและการหลอมละลายและการระเหยของวัสดุตามมา ในขณะที่ส่วนประกอบความถี่สูงให้การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกเนื่องจากเอฟเฟ็กต์อะคูสติกโฟโตอะคูสติก รูปคลื่นของพัลส์อัลตราโซนิกที่สร้างโดยเลเซอร์นั้นถูกกำหนดโดยรูปร่างเวลาของความเข้มของพัลส์เลเซอร์เป็นหลักมันมาจาก \(7~\text {kHz}\) ถึง \ (2~\text {MHz}\) และความถี่ศูนย์กลางคือ \(~ 0.7~\text {MHz}\) คลื่นอะคูสติกที่เกิดจากเอฟเฟ็กต์โฟโตอะคูสติกถูกบันทึกโดยใช้บรอดแบนด์เพียโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์ที่ทำจากฟิล์มโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ รูปคลื่นที่บันทึกและสเปกตรัมของมันแสดงไว้ในรูปที่ 2 ควรสังเกตว่ารูปร่างของพัลส์เลเซอร์เป็นแบบปกติของโหมดการทำงานอิสระ เลเซอร์.
การกระจายชั่วคราวของความเข้มของพัลส์เลเซอร์ (a) และความเร็วเสียง (b) บนพื้นผิวด้านหลังของตัวอย่าง สเปกตรัม (เส้นโค้งสีน้ำเงิน) ของพัลส์เลเซอร์เดี่ยว (c) และพัลส์อัลตราซาวนด์ (d) เฉลี่ยมากกว่า 300 พัลส์เลเซอร์ (เส้นโค้งสีแดง)
เราสามารถแยกแยะส่วนประกอบความถี่ต่ำและความถี่สูงของการบำบัดเสียงได้อย่างชัดเจนซึ่งสอดคล้องกับซองเลเซอร์พัลส์ความถี่ต่ำและการปรับความถี่สูงตามลำดับ ความยาวคลื่นของคลื่นอะคูสติกที่เกิดจากซองเลเซอร์พัลส์เกิน \(40~\text {cm}\);ดังนั้นคาดว่าผลกระทบหลักของส่วนประกอบความถี่สูงบรอดแบนด์ของสัญญาณอะคูสติกต่อโครงสร้างจุลภาค
กระบวนการทางกายภาพใน SLM นั้นซับซ้อนและเกิดขึ้นพร้อมกันในระดับเชิงพื้นที่และเชิงเวลาที่แตกต่างกัน ดังนั้น วิธีการหลายระดับจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการวิเคราะห์ทางทฤษฎีของ SLM แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ควรเป็นแบบหลายกายภาพในขั้นต้น กลศาสตร์และเทอร์โมฟิสิกส์ของสื่อหลายเฟส “ของแข็ง-ของเหลวละลาย” ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับบรรยากาศของก๊าซเฉื่อยจึงสามารถอธิบายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลักษณะของภาระความร้อนของวัสดุใน SLM มีดังนี้
อัตราการให้ความร้อนและความเย็นสูงถึง \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ เนื่องจากการฉายรังสีเลเซอร์เฉพาะที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง \(10^{13}~\text {W} cm}^2\)
วงจรการหลอมเหลว-การแข็งตัวจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง \(10~\text {ms}\) ซึ่งมีส่วนทำให้โซนหลอมเหลวแข็งตัวอย่างรวดเร็วระหว่างการทำความเย็น
การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วของพื้นผิวตัวอย่างส่งผลให้เกิดความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสูงในชั้นผิว ส่วนของชั้นแป้งที่เพียงพอ (มากถึง 20%) ระเหยอย่างรุนแรง63 ซึ่งส่งผลให้มีภาระกดเพิ่มเติมบนพื้นผิวในการตอบสนองต่อการระเหยด้วยเลเซอร์ ดังนั้น ความเครียดที่เหนี่ยวนำจะบิดเบือนรูปทรงของชิ้นส่วนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับส่วนรองรับและองค์ประกอบโครงสร้างที่บาง อัตราการให้ความร้อนสูงในการหลอมด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งส่งผลให้เกิดคลื่นความเครียดล้ำเสียงที่แพร่กระจายจากพื้นผิวไปยัง วัสดุพิมพ์ เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงปริมาณที่ถูกต้องเกี่ยวกับการกระจายความเค้นและความเครียดเฉพาะที่ จะทำการจำลองด้วยกล้องจุลทรรศน์ของปัญหาการเสียรูปแบบยืดหยุ่นที่เชื่อมกับความร้อนและการถ่ายโอนมวล
สมการที่ใช้บังคับของแบบจำลองประกอบด้วย (1) สมการการถ่ายเทความร้อนที่ไม่คงที่ ซึ่งค่าการนำความร้อนขึ้นอยู่กับสถานะของเฟส (ผง ละลาย โพลีคริสตัลไลน์) และอุณหภูมิ (2) ความผันผวนของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นหลังการระเหยอย่างต่อเนื่องและสมการการขยายตัวของเทอร์โมอิลาสติก ปัญหาค่าขอบเขตถูกกำหนดโดยเงื่อนไขการทดลอง ฟลักซ์เลเซอร์มอดูเลตถูกกำหนดบนพื้นผิวตัวอย่าง การระบายความร้อนแบบพาความร้อนรวมถึงการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและฟลักซ์การระเหย ฟลักซ์มวลถูกกำหนดตาม การคำนวณความดันไออิ่มตัวของวัสดุระเหย ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดของอีลาสโตพลาสติกจะใช้เมื่อความเค้นเทอร์โมอิลาสติกเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิ สำหรับกำลังไฟฟ้าที่กำหนด \(300~\text {W}\), ความถี่ \(10^5~\text {Hz}\), ค่าสัมประสิทธิ์ช่วง 100 และ \(200~\upmu \text {m}\ ) ของเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่ใช้งานจริง
รูปที่ 3 แสดงผลของการจำลองเชิงตัวเลขของเขตหลอมเหลวโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ เส้นผ่านศูนย์กลางของโซนหลอมเหลวคือ \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) รัศมี) และ \(40~\upmu \text {m}\) ความลึก ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิพื้นผิวแปรผันตามท้องถิ่นตามเวลาเป็น \(100~\text {K}\) เนื่องจากช่วงพักสูง ปัจจัยเต็นท์ของการมอดูเลตแบบพัลส์ อัตราความร้อน \(V_h\) และการเย็นตัว \(V_c\) อยู่ในลำดับของ \(10^7\) และ \(10^6~\text {K}/\text {s}\) ตามลำดับ ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับการวิเคราะห์ก่อนหน้านี้ของเรา 64. ลำดับความแตกต่างของขนาดระหว่าง \(V_h\) และ \(V_c\) ส่งผลให้ชั้นผิวร้อนเกินไปอย่างรวดเร็ว โดยที่การนำความร้อนไปยังวัสดุพิมพ์คือ ไม่เพียงพอต่อการขจัดความร้อน ดังนั้นที่ \(t=26~\upmu \text {s}\) อุณหภูมิพื้นผิวจะสูงสุดที่ \(4800~\text {K}\) การระเหยอย่างรวดเร็วของวัสดุอาจทำให้พื้นผิวตัวอย่างได้รับแรงกดมากเกินไปและลอกออกได้
ผลการจำลองเชิงตัวเลขของโซนหลอมเหลวของการหลอมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์เดี่ยวบนแผ่นตัวอย่าง 316L เวลาตั้งแต่จุดเริ่มต้นของพัลส์จนถึงความลึกของสระหลอมเหลวถึงค่าสูงสุดคือ \(180~\upmu\text {s}\) ไอโซเทอร์ม\(T = T_L = 1723~\text {K}\) แสดงถึงขอบเขตระหว่างเฟสของเหลวและของแข็ง ไอโซบาร์ (เส้นสีเหลือง) สอดคล้องกับความเค้นครากที่คำนวณเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิใน ส่วนถัดไป ดังนั้น ในโดเมนระหว่างสองไอโซลีน (ไอโซเทอร์ม\(T=T_L\) และไอโซบาร์\(\sigma =\sigma _V(T)\)) เฟสของแข็งจะต้องรับภาระเชิงกลที่รุนแรง ซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาค
ผลกระทบนี้อธิบายเพิ่มเติมในรูปที่ 4a ซึ่งระดับความดันในเขตหลอมเหลวถูกวางแผนเป็นฟังก์ชันของเวลาและระยะทางจากพื้นผิว ประการแรก พฤติกรรมของความดันเกี่ยวข้องกับการปรับความเข้มของพัลส์เลเซอร์ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2 ด้านบน ความดันสูงสุด \text{s}\) ที่ประมาณ \(10~\text {MPa}\) ถูกสังเกตที่ประมาณ \(t=26~\upmu) ประการที่สอง ความผันผวนของความดันเฉพาะที่ที่จุดควบคุมมีการสั่นแบบเดียวกัน ลักษณะเป็นความถี่ของ \(500~\text {kHz}\) ซึ่งหมายความว่าคลื่นความดันอัลตราโซนิกถูกสร้างขึ้นที่พื้นผิวแล้วแพร่กระจายไปยังพื้นผิว
ลักษณะที่คำนวณได้ของโซนการเสียรูปใกล้กับโซนหลอมเหลวแสดงในรูปที่ 4b การระเหยด้วยเลเซอร์และความเค้นเทอร์โมอิลาสติกจะสร้างคลื่นการเสียรูปแบบยืดหยุ่นที่แพร่กระจายไปยังสารตั้งต้น ดังที่เห็นได้จากรูป มีสองขั้นตอนของการสร้างความเครียด ในช่วงแรกของ \(t < 40~\upmu \text {s}\) ความเค้นของ Mises จะเพิ่มขึ้นเป็น \(8~\text {MPa}\) ด้วยการปรับค่าที่คล้ายกับความดันพื้นผิว ความเค้นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการระเหยด้วยเลเซอร์ และไม่พบความเค้นเทอร์โมอิลาสติกในจุดควบคุมเนื่องจากบริเวณเริ่มต้นที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็กเกินไป เมื่อความร้อนถูกกระจายไปยังพื้นผิว จุดควบคุมจะสร้างความเครียดเทอร์โมอิลาสติกที่สูงกว่า \(40~\text {MPa}\)
ระดับความเค้นมอดูเลตที่ได้รับมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อส่วนต่อประสานของแข็งและของเหลว และอาจเป็นกลไกควบคุมที่ควบคุมเส้นทางการแข็งตัว ขนาดของโซนการเปลี่ยนรูปจะใหญ่กว่าของโซนหลอมเหลว 2 ถึง 3 เท่า ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ตำแหน่งของไอโซเทอร์มหลอมเหลวและระดับความเค้นเท่ากับความเค้นครากจะถูกเปรียบเทียบ ซึ่งหมายความว่าการฉายรังสีเลเซอร์แบบพัลซิ่งให้โหลดเชิงกลสูงในพื้นที่เฉพาะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพระหว่าง 300 และ \(800~\) upmu \text {m}\) ขึ้นอยู่กับเวลาในขณะนั้น
ดังนั้นการปรับที่ซับซ้อนของการหลอมด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งจึงนำไปสู่เอฟเฟกต์อัลตราโซนิก เส้นทางการเลือกโครงสร้างจุลภาคจะแตกต่างกันหากเปรียบเทียบกับ SLM โดยไม่ต้องโหลดอัลตราโซนิก พื้นที่ที่ไม่เสถียรที่ผิดรูปทำให้เกิดวงจรการบีบอัดและการยืดเป็นระยะในเฟสของแข็ง ดังนั้น การก่อตัวของขอบเขตเกรนใหม่และขอบเขตย่อยจึงเป็นไปได้ ดังนั้นคุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคสามารถเปลี่ยนแปลงโดยเจตนาดังที่แสดงด้านล่าง ข้อสรุปที่ได้รับให้ความเป็นไปได้ในการออกแบบอัลตราซาวนด์ที่เกิดจากการมอดูเลตพัลส์ ขับเคลื่อนต้นแบบ SLM ในกรณีนี้ ตัวเหนี่ยวนำเพียโซอิเล็กทริก 26 ที่ใช้ที่อื่นสามารถแยกออกได้
(a) ความดันเป็นฟังก์ชันของเวลา คำนวณที่ระยะทางต่างๆ จากพื้นผิว 0, 20 และ \(40~\upmu \text {m}\) ตามแกนสมมาตร (b) ความเค้น Von Mises ที่ขึ้นกับเวลาคำนวณในเมทริกซ์ทึบที่ระยะทาง 70, 120 และ \(170~\upmu \text {m}\) จากพื้นผิวตัวอย่าง
ทำการทดลองกับแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิม AISI 321H ที่มีขนาด \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) หลังจากเลเซอร์พัลส์แต่ละครั้ง แผ่นจะเคลื่อนที่ \(50~\upmu \text {m}\) และรอบเอวของลำแสงเลเซอร์บนพื้นผิวเป้าหมายจะอยู่ที่ประมาณ \(100~\upmu \text {m}\) ลำแสงที่ตามมาสูงสุด 5 ลำจะถูกส่งผ่านในเส้นทางเดียวกัน เพื่อทำให้เกิดการหลอมซ้ำของวัสดุที่ผ่านกระบวนการสำหรับการปรับแต่งเกรน ในทุกกรณี โซน remelted ถูก sonicated ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบการสั่นของรังสีเลเซอร์ ซึ่งส่งผลให้พื้นที่เกรนเฉลี่ยลดลงมากกว่า 5 เท่า รูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่ละลายด้วยเลเซอร์เปลี่ยนแปลงไปตามจำนวนรอบการหลอมใหม่ (รอบ) ที่ตามมาอย่างไร
แผนย่อย (a,d,g,j) และ (b,e,h,k) – โครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่ละลายด้วยเลเซอร์ แผนย่อย (c,f,i,l) – การกระจายพื้นที่ของเกรนสีการแรเงาแสดงถึงอนุภาคที่ใช้ในการคำนวณฮิสโทแกรม สีจะสัมพันธ์กับบริเวณเกรน (ดูแถบสีที่ด้านบนสุดของฮิสโตแกรม แผนย่อย (ac) สอดคล้องกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่ไม่ผ่านการบำบัด และแผนย่อย (df), (gi), (jl) สอดคล้องกับ 1, 3 และ 5 รีเมลท์
เนื่องจากพลังงานพัลส์ของเลเซอร์ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างรอบที่ตามมา ความลึกของโซนหลอมเหลวจึงเท่ากัน ดังนั้น ช่องที่ตามมาจะ "ครอบคลุม" ช่องก่อนหน้าอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ฮิสโตแกรมแสดงให้เห็นว่าค่าเฉลี่ยและพื้นที่เม็ดเกรนมีค่ามัธยฐานลดลงตามจำนวนรอบที่เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจบ่งชี้ว่าเลเซอร์กำลังทำงานบนวัสดุพิมพ์มากกว่าการหลอมเหลว
การปรับแต่งเกรนอาจเกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของสระหลอมเหลว 65 การทดลองอีกชุดหนึ่งดำเนินการโดยให้พื้นผิวของแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิม (321H และ 316L) สัมผัสกับรังสีเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องในบรรยากาศ (รูปที่ 6) และสุญญากาศ (รูปที่ 7) กำลังแสงเลเซอร์เฉลี่ย (300 W และ 100 W ตามลำดับ) และความลึกของสระหลอมเหลวใกล้เคียงกับผลการทดลองของเลเซอร์ Nd:YAG ในโหมดการทำงานอิสระ อย่างไรก็ตาม a สังเกตโครงสร้างเสาทั่วไป
โครงสร้างจุลภาคของพื้นที่ละลายด้วยเลเซอร์ของเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง (กำลังคงที่ 300 W, ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที, เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 321H)
(a) โครงสร้างจุลภาคและ (b) ภาพการเลี้ยวเบนกระจายกลับของอิเล็กตรอนของโซนหลอมละลายของเลเซอร์ของเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องแบบสุญญากาศ (กำลังคงที่ 100 W, ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที, เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\)
ดังนั้นจึงแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการมอดูเลตที่ซับซ้อนของความเข้มของพัลส์เลเซอร์มีผลอย่างมากต่อโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้น เราเชื่อว่าผลกระทบนี้เป็นธรรมชาติเชิงกลและเกิดขึ้นเนื่องจากการสร้างการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายจากพื้นผิวที่ฉายรังสีของวัสดุหลอมที่ลึกเข้าไปในตัวอย่าง ผลลัพธ์ที่คล้ายกันได้รับใน 13, 26, 34, 66, 67 โดยใช้ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกภายนอกและโซโนโทรดที่ให้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงในวัสดุต่างๆ รวมถึง Ti-6Al-4V โลหะผสม 26 และเหล็กกล้าไร้สนิม 34 ซึ่งเป็นผลมาจาก กลไกที่เป็นไปได้มีการคาดเดาดังต่อไปนี้ อัลตราซาวนด์ที่เข้มข้นสามารถทำให้เกิดโพรงอากาศแบบอะคูสติก ดังที่แสดงในการถ่ายภาพเอกซเรย์ซินโครตรอนแบบเร็วมาก การยุบตัวของฟองอากาศที่เกิดโพรงอากาศจะทำให้เกิดคลื่นกระแทกในวัสดุหลอมเหลว ซึ่งความดันด้านหน้าถึงประมาณ \(100~\text {MPa}\)69 คลื่นกระแทกดังกล่าวอาจแรงพอที่จะส่งเสริมการก่อตัวของของแข็งขนาดวิกฤต -เฟสนิวเคลียสในของเหลวปริมาณมาก ขัดขวางโครงสร้างเกรนเรียงเป็นแนวทั่วไปของการผลิตสารเติมแต่งทีละชั้น
ในที่นี้ เราเสนอกลไกอื่นที่มีหน้าที่รับผิดชอบในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโดย sonication ที่รุนแรง วัสดุหลังจากการแข็งตัวจะมีอุณหภูมิสูงใกล้กับจุดหลอมเหลวและมีความเครียดจากผลผลิตต่ำมาก คลื่นอัลตราโซนิกที่รุนแรงสามารถทำให้พลาสติกไหลเปลี่ยนโครงสร้างเม็ดของวัสดุร้อนที่เพิ่งแข็งตัว อย่างไรก็ตาม ข้อมูลการทดลองที่เชื่อถือได้เกี่ยวกับการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของความเค้นจากผลผลิตมีอยู่ที่ \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ดูรูปที่ 8) ดังนั้น เพื่อทดสอบสมมติฐาน เราจึงดำเนินการ การจำลองโมเลกุลไดนามิกส์ (MD) ขององค์ประกอบ Fe-Cr-Ni คล้ายกับเหล็กกล้า AISI 316 L เพื่อประเมินพฤติกรรมความเครียดครากใกล้จุดหลอมเหลว ในการคำนวณความเครียดคราก เราใช้เทคนิคการผ่อนคลายความเครียดเฉือน MD ซึ่งมีรายละเอียดใน 70, 71, 72, 73 สำหรับการคำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม เราใช้แบบจำลองอะตอมฝังตัว (EAM) จากการจำลอง 74 MD ดำเนินการโดยใช้รหัส LAMMPS 75,76รายละเอียด ของการจำลอง MD จะเผยแพร่ที่อื่น ผลการคำนวณ MD ของความเค้นครากเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิแสดงในรูปที่ 8 ร่วมกับข้อมูลการทดลองที่มีอยู่และการประเมินอื่นๆ 77,78,79,80,81,82
ความเค้นที่ผลผลิตสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกเกรด AISI 316 และองค์ประกอบของแบบจำลองเทียบกับอุณหภูมิสำหรับการจำลองแบบ MD การวัดเชิงทดลองจากข้อมูลอ้างอิง: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.refer to (f)82 เป็นแบบจำลองเชิงประจักษ์ของการพึ่งพาความเค้น-อุณหภูมิที่ผลผลิตสำหรับการวัดความเค้นในสายการผลิตในระหว่างการผลิตสารเติมแต่งที่ใช้เลเซอร์ช่วย ผลการจำลอง MD ในการศึกษานี้แสดงเป็น \(\vartriangleleft\) สำหรับผลึกเดี่ยวที่ไม่มีข้อบกพร่องและ \(\vartriangleright\) สำหรับเกรนละเอียดโดยคำนึงถึงขนาดเกรนเฉลี่ยผ่าน Hall-Petch สัมพันธ์ Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\)
จะเห็นได้ว่าที่ \(T>1500~\text {K}\) ความเค้นครากจะลดลงต่ำกว่า \(40~\text {MPa}\) ในทางกลับกัน ค่าประมาณคาดการณ์ว่าแอมพลิจูดอัลตราโซนิกที่สร้างด้วยเลเซอร์เกิน \(40~\text {MPa}\) (ดูรูปที่ 4b) ซึ่งเพียงพอที่จะกระตุ้นให้พลาสติกไหลในวัสดุร้อนที่เพิ่งแข็งตัว
การก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ในระหว่าง SLM ได้รับการตรวจสอบเชิงทดลองโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์พัลซิ่งที่มอดูเลตความเข้มที่ซับซ้อน
พบการลดลงของขนาดเกรนในบริเวณการหลอมด้วยเลเซอร์เนื่องจากการหลอมด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่องหลังจากผ่านไป 1, 3 หรือ 5 ครั้ง
การสร้างแบบจำลองด้วยกล้องจุลทรรศน์แสดงให้เห็นว่าขนาดโดยประมาณของบริเวณที่การเสียรูปแบบอัลตราโซนิกอาจส่งผลในเชิงบวกต่อด้านหน้าการแข็งตัวนั้นขึ้นอยู่กับ \(1~\text {mm}\)
แบบจำลอง MD ที่ใช้กล้องจุลทรรศน์แสดงให้เห็นว่ากำลังรับแรงดึงของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก AISI 316 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญถึง \(40~\text {MPa}\) ใกล้จุดหลอมเหลว
ผลลัพธ์ที่ได้แนะนำวิธีการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของวัสดุโดยใช้การประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบมอดูเลตที่ซับซ้อน และสามารถใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างการปรับเปลี่ยนใหม่ของเทคนิคพัลซิ่ง SLM
Liu, Y. et al. วิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางกลของวัสดุผสม TiB2/AlSi10Mg ในแหล่งกำเนิด โดยการหลอมแบบเลือกเลเซอร์ [J].J.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. การตกผลึกใหม่วิศวกรรมขอบเขตเกรนของการหลอมแบบเลือกเลเซอร์ของเหล็กกล้าไร้สนิม 316L [J]Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. การพัฒนาในแหล่งกำเนิดของโครงสร้างจุลภาคแบบแซนด์วิชที่มีความเหนียวเพิ่มขึ้นโดยการอุ่นด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไททาเนียมที่ละลายด้วยเลเซอร์ Science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. การผลิตสารเติมแต่งของชิ้นส่วน Ti-6Al-4V โดยการสะสมโลหะด้วยเลเซอร์ (LMD): กระบวนการ โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติเชิงกลJ.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019)
Kumara, C. et al. การสร้างแบบจำลองโครงสร้างจุลภาคของผงโลหะด้วยเลเซอร์จะควบคุมการสะสมพลังงานของโลหะผสม 718 เพิ่มใน.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019)
Busey, M. และคณะ Parametric Neutron Bragg Edge Imaging Study of Additively Manufactured Examples Treatment by Laser Shock Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2564).
Tan, X. et al. โครงสร้างจุลภาคแบบไล่สีและคุณสมบัติเชิงกลของ Ti-6Al-4V ที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยการหลอมลำแสงอิเล็กตรอน Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015)