Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез кулланган браузер версиясе CSS өчен чикләнгән ярдәмгә ия. Иң яхшы тәҗрибә өчен без яңартылган браузерны кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'та яраклашу режимын сүндерегез). Шул ук вакытта, ярдәмне дәвам итәр өчен, без сайтны стилизациясез һәм JavaScript күрсәтмибез.
Производство процессындагы продуктларның микроструктурасын контрольдә тоту өчен сайлап алынган лазер эретүгә нигезләнгән яңа механизм тәкъдим ителә. Механизм эре интенсив модульле лазер нурлары ярдәмендә эретелгән бассейнда югары интенсив УЗИ дулкыннарына таяна. Эксперименталь тикшеренүләр һәм санлы симуляцияләр бу контроль механизмның техник мөмкин булуын һәм заманча сайлап алынган лазер эретү машиналары дизайнына эффектив интеграцияләнүен күрсәтәләр.
Соңгы дистәләрдә катлаулы формадагы өстәмә җитештерү (AM) сизелерлек артты. Шулай да, сайлап алынган лазер эретү (SLM) 1,2,3, туры лазер металл чүпләнеше 4,5,6, электрон нур эретү 7,8 һәм башкалар 9,10, деталь җитештерү җитешсезлекләре булырга мөмкин. эпитаксиаль ашлыкның үсүенә һәм зур күзәнәклеккә китерә12,13.Нәтиҗә шуны күрсәтә: җылылык градиентларын, суыту темпларын, эретмә составын контрольдә тотарга, яисә тигез тигезләнгән ашлык структураларына ирешү өчен төрле характеристикаларның тышкы кырлары аша (мәсәлән, УЗИ) өстәмә физик тетрәүләр кулланырга кирәк.
Күп басмалар тибрәнү эшкәртүенең гадәти кастинг процессларында катыландыру процессына тәэсире белән кызыксына14,15. Ләкин, күпчелек эретү өчен тышкы кыр куллану кирәкле материал микросруктурасын китерми. Әгәр сыек фазаның күләме аз булса, хәл кискен үзгәрә. Бу очракта тышкы кыр каты процесска сизелерлек йогынты ясый. 28 һәм осылу 29, импульслы плазмалы дуга 30,31 һәм башка ысуллар32 .Тышкы югары интенсив УЗИ чыганагын кулланып субстратка бәйләгез (20 кГц) .УЗИ ярдәмендә ашлыкны чистарту температураның градиентының кимүе һәм ультратавышның көчәюе аркасында яңа кристалллар барлыкка килү белән бәйле.
Бу эштә без эретелгән бассейнны эретүче лазер үзе ясаган тавыш дулкыннары белән соникатып, остенитик дат басмаган корычларның ашлык структурасын үзгәртү мөмкинлеген тикшердек. Лазер нурланышының интенсив модуляциясе ультратавыш дулкыннары барлыкка китерә, бу материалның микросруктурасын үзгәртә. интенсивлык модуляцияләнгән лазер нурланышына. Димәк, техник яктан лазер өслеген эшкәртү эшләнә. Ләкин, мондый лазер белән эшкәртү һәр катлам өслегендә, катлам-катлам төзү вакытында, бөтен күләмгә яки күләмнең кайбер өлешләренә тәэсир ителә. Башкача әйткәндә, өлеш катлам белән төзелгән булса, һәр катламның лазер өслеген эшкәртү "лазер күләмен эшкәртүгә" тиң.
Ультратавышлы мөгез нигезендәге УЗИ терапиясендә, басып торган тавыш дулкынының УЗИ энергиясе компонент буенча таратыла, шул ук вакытта лазер нурлы ультратавыш интенсивлыгы лазер нурлары сеңгән урында бик тупланган. Сонотродны SLM порошогы кушылу машинасында куллану катлаулы, чөнки лазер нурланышының өске өслеге стационар булырга тиеш. кисәкчәләр тизлеге өлешнең бөтен өслегендә максималь амплитудага ия. Бөтен эретелгән бассейн эчендәге тавыш басымы эретеп ябыштыручы баштан ясалган максималь басымның 0,1% тан артып китә алмый, чөнки тотрыксыз корычта 20 кГц ешлыгы булган УЗИ дулкыннарының дулкын озынлыгы \ (\ sim 0.3 ~ \ text {m} \), һәм тирәнлеге гадәттә \ (\ сим.
Әйтергә кирәк, туры лазер металлында интенсив модульле лазер нурланышын куллану - тикшеренүләрнең актив өлкәсе35,36,37,38.
Лазер нурланышының уртача җылылык эффекты материал эшкәртү өчен 39, 40 барлык лазер техникасы өчен нигез булып тора, мәсәлән, кисү 41, эретеп ябыштыру, катыру, бораулау 42, өслекне чистарту, өслекне эретү, өслекне полировкалау һ.б.
Шунысын да әйтергә кирәк: уртача стационар булмаган хәрәкәт, шул исәптән сеңдергеч матдәгә лизинг ясау, андагы акустик дулкыннарны күбрәк яки азрак эффективлык белән дулкынландыруга китерә. Башта, төп игътибар сыеклыктагы дулкыннарның лазерлы дулкынлануына һәм тавышның төрле җылылык дулкынландыру механизмнарына туры килде (җылылык киңәюе, парга әйләнү, фаза күчү, кысылу һ.б.) 47, 48, 49.
Бу сораулар соңыннан төрле конференцияләрдә каралды, һәм УЗИ лазерлы дулкынлану лазер технологияләренең сәнәгать кушымталарында да, медицинада да кулланыла54. Шуңа күрә, лазер нуры үзләштерүче матдәдә эшләнгән процессның төп концепциясе булдырылган дип санарга мөмкин. Лазер УЗИ инспекциясе SLM җитештергән үрнәкләрне ачыклау өчен кулланыла.
Лазердан ясалган шок дулкыннарының материалларга тәэсире лазер шокы пенингының нигезе булып тора, ул шулай ук ​​өстәмә җитештерелгән өлешләрне эшкәртү өчен дә кулланыла. 60 Ләкин, лазер шокын ныгыту наносекунд лазер импульсларында һәм механик йөкләнгән өслекләрдә (мәсәлән, сыеклык катламы белән) 59, чөнки механик йөкләү иң югары басымны арттыра.
Төрле физик кырларның каты материалларның микроструктурасына мөмкин булган йогынтысын тикшерү өчен экспериментлар үткәрелде. Эксперименталь көйләү функциональ схемасы 1-нче рәсемдә күрсәтелгән. НД: YAG каты-дәүләт лазеры ирекле режимда эшли (импульсның озынлыгы \ (\ tau _L \ sim 150 ~ \ upmu \ text {s} \)). максаттагы энергия \ (E_L \ sim 20 ~ \ text {mJ} \) белән \ (E_L \ sim 100 ~ \ text {mJ} \) кадәр үзгәрә .Бер яктырткычтан чагылган лазер нуры бер үк вакытта мәгълүмат алу өчен фотодиод белән тукландырыла, һәм ике калориметр (озын җавап белән фотодиодлар, җаваптан һәм вакыттан артык). ((10 10 ) һәм максатлы өслектә 60– \ (100 ~ \ upmu \ текст {м} \).
Эксперименталь урнаштыруның функциональ схематик схемасы: 1 - лазер;2 - лазер нуры;3 - нейтраль тыгызлык фильтры;4 - синхрон фотодиод;5 - нур бүлү;6 - диафрагма;7 - вакыйга нурының калориметры;8 - чагылган нурның калориметры;9 - электр энергиясе счетчикы;10 - яктыртылган электр счетчикы;11 - фокус линза;12 - көзге;13 - үрнәк;14 - киң полосалы пиезоэлектрик кондуктор;15 - 2D конвертер;16 - микроконтроль урнаштыру;17 - синхронизация берәмлеге;18 - төрле сайлау ставкалары белән күп каналлы санлы сатып алу системасы;19 - шәхси санак.
УЗИ белән эшкәртү түбәндәгечә башкарыла. Лазер ирекле эш режимында эшли;Шуңа күрә лазер импульсының озынлыгы \ (\ tau _L \ sim 150 ~ \ upmu \ text {s} \), ул якынча \ (1,5 ~ \ upmu \ text {s} \) берничә озынлыктан тора. Лазер импульсының вакытлыча формасы һәм аның спектры түбән ешлыклы конверттан һәм югары ешлыклы модуляциядән тора, уртача ешлык {(0.7 ~). материалның бөтерелүе һәм парга әйләнүе, югары ешлыклы компонент фотоакустик эффект аркасында УЗИ тибрәнүләрен тәэмин итә. Лазердан барлыкка килгән УЗИ импульсының дулкын формасы, нигездә, лазер импульсының вакыт формасы белән билгеләнә.Бу \ (7 ~ \ текст {kHz} \) дан \ (2 ~ \ текст {МГц} \), һәм үзәк ешлыгы \ (~ 0.7 ~ \ текст {МГц} \). лазер.
Лазер импульсының вакытлыча бүленеше (а) һәм үрнәкнең арткы өслегендә тавыш тизлеге, лазер импульсы спектры (в) һәм УЗИ импульсы (г) бер лазер импульсы (зәңгәр сызык) өчен уртача 300 лазер импульсы (кызыл кәкре).
Без акустик эшкәртүнең аз ешлыклы һәм югары ешлыклы компонентларын лазер импульсының аз ешлыклы конвертына һәм югары ешлыклы модуляциягә туры китерә алабыз. Лазер импульс конвертыннан барлыкка килгән акустик дулкыннарның дулкын озынлыгы \ (40 ~ \ текст {см} \);Шуңа күрә, киң полосалы югары ешлыклы компонентларның акустик сигналның микроструктурага тәэсире көтелә.
SLMдагы физик процесслар катлаулы һәм бер үк вакытта төрле киңлек һәм вакытлы масштабларда була. Шуңа күрә күп масштаблы ысуллар SLM-ны теоретик анализлау өчен иң кулай. Математик модельләр башта күп физик булырга тиеш. Инерт газ атмосферасы белән үзара тәэсир итүче механизм һәм термофизика аннары эффектив сурәтләнергә мөмкин.
\ (10 ​​^ 6 ~ \ текст {K} / \ текст {s} \) / \ текстка кадәр җылылык һәм суыту темплары \ (10 ​​^ {13} ~ \ текст {W} см} ^ 2 \) кадәр локальләштерелгән лазер нурлары аркасында.
Эретү-катыландыру циклы 1 белән \ (10 ​​~ \ текст {мс} \) арасында дәвам итә, бу суыту вакытында эретү зонасының тиз ныклашуына ярдәм итә.
Surfaceрнәк өслеген тиз җылыту өслек катламында югары термоэластик стресслар барлыкка китерә. Порошок катламының җитәрлек (20% га кадәр) өлеше көчле парга әйләнәләр, бу лазер абляциясенә җавап итеп өслектә өстәмә басым ясый. Нәтиҗәдә, индуктив штамм өлешнең геометриясен сизелерлек боза. җирле стресс һәм штамм тарату турында төгәл санлы мәгълүмат алу, җылылык һәм масса күчерү өчен эластик деформация проблемасының месоскопик симуляциясе башкарыла.
Модельнең идарә тигезләмәләре (1) тотрыксыз җылылык үткәрү тигезләмәләрен үз эченә ала, анда җылылык үткәрүчәнлеге фаза торышына (порошок, эретү, поликристалл) һәм температурага бәйле, (2) өзлексез абляция һәм термоэластик киңәю тигезләмәсеннән соң эластик деформациянең үзгәрүләре. Чик бәясе проблемасы эксперименталь шартлар белән билгеләнә. Парланучы материалның туенган пар басымы. Термоэластик стресс температура аермасына пропорциональ булган эластопластик стресс-стресс бәйләнеше кулланыла. Номиналь көч өчен \ (300 ~ \ текст {W} \), ешлык \ (10 ​​^ 5 ~ \ текст {Hz} \), арадаш коэффициент 100 һәм \ (200 ~ \ upmu \ текст)
3 нче рәсемдә макроскопик математик модель кулланып эретелгән зонаны санлы симуляцияләү нәтиҗәләре күрсәтелгән. Кушылу зонасының диаметры \ (200 ~ \ upmu \ text {m} \) (\ (100 ~ \ upmu \ text {m} \) радиусы) һәм \ (40 ~ \ upmu \ text {m} \) тирәнлеге белән күрсәтелә. se модуляция. heatingылыту \ (V_h \) һәм суыту \ (V_c \) ставкалары \ (10 ​​^ 7 \) һәм \ (10 ​​^ 6 ~ \ text {K} / \ text {s}) тәртибендә. Бу кыйммәтләр алдагы анализыбыз белән яхшы килешә 64. Шуңа күрә \ (t = 26 ~ \ upmu \ text {s} \) өслек температурасы \ (4800 ~ \ text {K} \) кадәр күтәрелә. Материалның көчле парга әйләнүе үрнәк өслеген артык басымга китерергә һәм кабыгын чыгарырга мөмкин.
316L үрнәк тәлинкәдә бер лазер импульсын эретү зонасының санлы симуляция нәтиҗәләре. Импульс башыннан эретелгән бассейн тирәнлегенә кадәр максималь кыйммәткә җиткән вакыт \ (180 ~ \ upmu \ text {s} \). Изотерм \ (T = T_L = 1723 ~ \ текст {K} \) сыеклык һәм каты фазалар арасындагы чик чикләрен күрсәтә. Шуңа күрә, ике изолина (изотермалар \ (T = T_L \) һәм изобарлар \ (\ сигма = \ сигма _В (Т) \)) доменында каты фаза көчле механик йөкләргә дучар була, бу микроструктураның үзгәрүенә китерергә мөмкин.
Бу эффект 4а рәсемдә тагын да аңлатыла, монда эретелгән зонада басым дәрәҗәсе вакыт һәм ераклык функциясе итеп планлаштырылган. Беренчедән, басым тәртибе югарыда 2 нче рәсемдә күрсәтелгән лазер импульсының интенсивлыгы модуляциясе белән бәйле. ешлыгы (500 ~ \ текст {kHz} \). Димәк, УЗИ басым дулкыннары өслектә барлыкка килә, аннары субстратка тарала.
Эретү зонасы янындагы деформация зонасының исәпләнгән характеристикалары 4 нче рәсемдә күрсәтелгән. Лазер абласы һәм термоэластик стресс субстратка таралучы эластик деформация дулкыннарын барлыкка китерә. Рәсемнән күренгәнчә, стресс тудыруның ике этапы бар. лазер абляциясе, һәм контроль нокталарында термоэластик стресс күзәтелмәде, чөнки җылылыкка тәэсир иткән зона бик кечкенә иде. Heatылылык субстратка таралгач, контроль ноктасы югары термоэластик стресс тудыра \ (40 ~ \ текст {MPa} \).
Алынган модуляцияләнгән стресс дәрәҗәләре каты-сыек интерфейска зур йогынты ясыйлар һәм каты юл белән идарә итүче контроль механизм булырга мөмкин. Деформация зонасының зурлыгы эретү зонасына караганда 2-3 тапкыр зуррак. 3 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, эретү изотермасы һәм стресс дәрәҗәсе тигез булган \ \ м \ механик йөкләнеше. мизгел вакытына карап.
Шуңа күрә, импульслы лазер аннальингының катлаулы модуляциясе УЗИ эффектына китерә. Ультратавыш йөкләмичә SLM белән чагыштырганда, микросруктураны сайлау юлы төрле. Деформацияләнгән тотрыксыз төбәкләр периодик кысылу циклына китерәләр һәм каты этапта сузылалар. Шуңа күрә, яңа ашлык чикләрен формалаштыру мөмкин. - УЗИ белән идарә итүче SLM прототибы. Бу очракта бүтән урында кулланылган 26 пиезоэлектрик индуктивлык кәтүге чыгарылырга мөмкин.
а) басым симметрия күчәре буенча 0, 20 һәм \ (40 ~ \ upmu \ text {m} \) өслегеннән төрле дистанцияләрдә исәпләнгән вакыт функциясе буларак.
Тикшеренүләр AISI 321H дат басмаган корыч тәлинкәләрдә \ (20 \ 20 тапкыр \ 5 ~ \ текст {мм} \) үткәрелде. Eachәр лазер импульсыннан соң тәлинкә хәрәкәтләнә \ (50 ~ \ upmu \ text {m} \), һәм максатлы өслектәге лазер нуры бил (якынча 100 ~ \ upmu \ text {m} \) эшкәртелә. лазер нурланышының осиллатор компонентына карап, сайланган зона соникатланган. Бу уртача ашлык мәйданының 5 тапкырга кимүенә китерә. 5 нче рәсемдә лазер эретелгән төбәкнең микросруктурасы киләсе реликинг цикллары (пасслары) саны белән ничек үзгәрүен күрсәтә.
Подразделение (a, d, g, j) һәм (b, e, h, k) - лазер эретелгән төбәкләрнең микроструктурасы, сюжетлар (c, f, i, l) - төсле бөртеклеләрнең таралуы.Күләгәләү гистограмманы исәпләү өчен кулланылган кисәкчәләрне күрсәтә. Төсләр ашлык өлкәләренә туры килә (гистограмма өстендәге төс тактасын карагыз. Подпискалар (ac) эшкәртелмәгән дат басмаган корычка туры килә, һәм өстәмәләр (df), (gi), (jl) 1, 3 һәм 5 рельетка туры килә.
Лазер импульс энергиясе алдагы пассажирлар арасында үзгәрмәгәнгә, эретелгән зонаның тирәнлеге бер үк. Шуңа күрә, алдагы канал элеккесен тулысынча "каплый". Шулай да, гистограмма уртача һәм уртача ашлык мәйданы пассажирлар саны арту белән кимүен күрсәтә. Бу лазерның эретү түгел, ә субстратта эшләвен күрсәтә ала.
Ашлык чистарту эретелгән бассейнның тиз суыну аркасында булырга мөмкин. .Әр сүзнең D: ЯГА Лазер бушлай йөгерү режимында. Хоңй, типик багана структурасы күзәтелә.
Даими дулкын лазерының эретелгән өлкәсенең микроструктурасы (300 Вт даими көче, 200 мм / с сканер тизлеге, AISI 321H дат басмас корыч).
)
Шуңа күрә, лазер импульсының интенсивлыгының катлаулы модуляциясе барлыкка килгән микросруктурага зур йогынты ясавы ачык күрсәтелде. Без бу эффект табигатьтә механик һәм эретелгән нурланыш өслегеннән үрнәккә таралган УЗИ тибрәнүләре барлыкка килүенә ышанабыз. Охшаш нәтиҗәләр 13, 26, 34, 66, 67 тышкы пиезоэлектрик трансдуктерлар һәм сонотродлар белән тәэмин ителәләр. Мөмкин булмаган механизм түбәндәгечә фаразлана. Зур УЗИ акустик кавитациягә китерергә мөмкин, ситу синхротрон рентген сүрәтендә ультрафастта күрсәтелгән. Кавитация күбекләренең җимерелүе үз чиратында эретелгән материалда шок дулкыннары барлыкка китерә, аларның төп басымы каты критик зур фаза формалашырга мөмкин. ар-катлам өстәмә җитештерүнең ашлык структурасы.
Монда без интенсив соникация ярдәмендә структур модификация өчен җаваплы тагын бер механизм тәкъдим итәбез. Катылашканнан соң, материал эретү ноктасына якын һәм бик түбән җитештерү стрессына ия. Көчле УЗИ дулкыннары пластик агымның кайнар, каты материалның ашлык структурасын үзгәртүенә китерергә мөмкин. Шулай да без (8) Эретү ноктасы янындагы уңыш стрессын бәяләү өчен AISI 316 L корычына охшаган Fe-Cr-Ni композициясенең молекуляр динамикасы (MD) симуляцияләре башкарылды. Уңыш стрессын исәпләү өчен, без 70, 71, 72, 73 тәфсилләнгән MD кыру стрессын йомшарту техникасын кулландык. ул температура функциясе буларак уңыш стрессының MD исәпләү нәтиҗәләре 8 нче рәсемдә күрсәтелгән эксперименталь мәгълүматлар һәм башка бәяләүләр77,78,79,80,81,82.
AISI класс 316 остенитик дат басмас корыч һәм модель композициясе өчен MD симуляцияләре өчен температура. Эксперименталь үлчәүләр сылтамалардан: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. мөрәҗәгать итегез.) сул \) кимчелексез чиксез бер кристалл өчен һәм \ (\ vartriangleright \) Холл-Петч мөнәсәбәтләре үлчәмнәре аша уртача ашлык күләмен исәпкә алып чикләнгән бөртекләр өчен \ (d = 50 ~ \ upmu \ text {m} \).
Моннан күренеп тора: \ (T> 1500 ~ \ текст {K} \) уңыш стрессы \ (40 ~ \ текст {MPa} \) астыннан төшә. Икенче яктан, лазердан ясалган УЗИ амплитудасы \ (40 ~ \ текст {MPa} \) артып китә дип фаразлый (4б рәсемен кара), бу кайнар материалда пластик агымны этәрү өчен җитәрлек.
SLM вакытында 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) остенитик дат басмас корычның микроструктурасы формалашуы катлаулы интенсивлык модуляцияләнгән импульслы лазер чыганагы ярдәмендә эксперименталь рәвештә тикшерелде.
Лазер эретү зонасында ашлык күләмен киметү 1, 3 яки 5 пассажирдан соң өзлексез лазерны эретү аркасында табылды.
Макроскопик модельләштерү шуны күрсәтә: УЗИ деформациясе каты фронтка уңай тәэсир итә алган төбәкнең фаразланган күләме \ (1 ~ \ текст {мм} \) кадәр.
Микроскопик MD моделе шуны күрсәтә: AISI 316 остенитик дат басмас корычның җитештерү көче эретү ноктасы янында \ (40 ~ \ текст {MPa} \) га кадәр кимеде.
Алынган нәтиҗәләр катлаулы модульләштерелгән лазер эшкәртү ярдәмендә материалларның микроструктурасын контрольдә тоту ысулын тәкъдим итә һәм импульслы SLM техникасының яңа модификацияләрен булдыру өчен нигез булып хезмәт итә ала.
Лю, Й.Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С.Alma Mater журналы 200, 366–377.https: //doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чен, Х.10, 15870.https: //doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. һ.б. Ти-6Ал-4В детальләрен лазер металл чүпләү (LMD) белән өстәмә җитештерү: процесс, микроструктура һәм механик үзлекләр.J.Alloys.compound.804, 163–191.https: //doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, С.
Буси, М. һ.б.11, 14919.https: //doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, X. һ.б.