Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ hạn chế cho CSS. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Một cơ chế mới dựa trên quá trình nấu chảy bằng laser có chọn lọc để kiểm soát cấu trúc vi mô của sản phẩm trong quá trình sản xuất đã được đề xuất. Cơ chế này dựa trên việc tạo ra sóng siêu âm cường độ cao trong bể nóng chảy bằng cách chiếu xạ laser có cường độ phức tạp. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy cơ chế kiểm soát này khả thi về mặt kỹ thuật và có thể được tích hợp hiệu quả vào thiết kế của các máy nấu chảy bằng laser có chọn lọc hiện đại.
Sản xuất bồi đắp (AM) của các bộ phận có hình dạng phức tạp đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, bất chấp sự đa dạng của các quy trình sản xuất bồi đắp, bao gồm cả nấu chảy laser chọn lọc (SLM)1,2,3, lắng đọng kim loại laser trực tiếp4,5,6, nấu chảy chùm tia điện tử7,8 và các quy trình khác9,10, các bộ phận vẫn có thể bị lỗi. Điều này chủ yếu là do các đặc điểm cụ thể của quá trình đông đặc vũng nóng chảy liên quan đến độ dốc nhiệt cao, tốc độ làm mát cao và sự phức tạp của các chu trình gia nhiệt trong vật liệu nóng chảy và nóng chảy lại11, dẫn đến sự phát triển của hạt epitaxial và độ xốp đáng kể12,13. Kết quả cho thấy rằng, cần phải kiểm soát độ dốc nhiệt, tốc độ làm mát và thành phần hợp kim hoặc áp dụng các cú sốc vật lý bổ sung thông qua các trường bên ngoài có nhiều tính chất khác nhau (ví dụ: siêu âm) để đạt được cấu trúc hạt đẳng trục mịn.
Nhiều ấn phẩm quan tâm đến tác động của xử lý rung động lên quá trình đông đặc trong các quy trình đúc thông thường14,15. Tuy nhiên, việc áp dụng trường bên ngoài vào khối nóng chảy không tạo ra cấu trúc vi mô vật liệu mong muốn. Nếu thể tích của pha lỏng nhỏ, tình hình sẽ thay đổi đáng kể. Trong trường hợp này, trường bên ngoài ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đông đặc. Các hiệu ứng điện từ đã được xem xét trong trường âm thanh mạnh16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, khuấy hồ quang28 và dao động29, hồ quang plasma xung30,31 và các phương pháp khác32. Gắn vào chất nền bằng nguồn siêu âm cường độ cao bên ngoài (ở tần số 20 kHz). Sự tinh chỉnh hạt do siêu âm gây ra được cho là do vùng hạ nhiệt độ thành phần tăng lên do độ dốc nhiệt độ giảm và sự tăng cường siêu âm để tạo ra các tinh thể mới thông qua hiện tượng tạo lỗ rỗng.
Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu khả năng thay đổi cấu trúc hạt của thép không gỉ austenit bằng cách siêu âm hóa vũng nóng chảy bằng sóng âm do chính tia laser nóng chảy tạo ra. Điều chế cường độ của bức xạ laser chiếu vào môi trường hấp thụ ánh sáng dẫn đến việc tạo ra sóng siêu âm, làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu. Điều chế cường độ bức xạ laser này có thể dễ dàng tích hợp vào máy in 3D SLM hiện có. Các thí nghiệm trong công trình này được thực hiện trên các tấm thép không gỉ có bề mặt tiếp xúc với bức xạ laser được điều chế cường độ. Vì vậy, về mặt kỹ thuật, xử lý bề mặt bằng laser đã được thực hiện. Tuy nhiên, nếu xử lý bằng laser như vậy được thực hiện trên bề mặt của từng lớp, trong quá trình xây dựng từng lớp, các hiệu ứng trên toàn bộ thể tích hoặc trên các phần được chọn của thể tích sẽ đạt được. Nói cách khác, nếu bộ phận được chế tạo từng lớp, thì xử lý bề mặt bằng laser của từng lớp tương đương với "xử lý thể tích bằng laser".
Trong khi đó, trong liệu pháp siêu âm dựa trên sừng siêu âm, năng lượng siêu âm của sóng âm đứng được phân bổ khắp thành phần, trong khi cường độ siêu âm do laser tạo ra tập trung cao độ gần điểm mà bức xạ laser được hấp thụ. Việc sử dụng sonotrode trong máy hàn bột SLM rất phức tạp vì bề mặt trên cùng của bột tiếp xúc với bức xạ laser phải đứng yên. Ngoài ra, không có ứng suất cơ học nào trên bề mặt trên cùng của bộ phận. Do đó, ứng suất âm thanh gần bằng không và vận tốc hạt có biên độ cực đại trên toàn bộ bề mặt trên cùng của bộ phận. Áp suất âm thanh bên trong toàn bộ vũng nóng chảy không được vượt quá 0,1% áp suất cực đại do đầu hàn tạo ra, vì bước sóng của sóng siêu âm có tần số 20 kHz trong thép không gỉ là \(\sim 0,3~\text {m}\), và độ sâu thường nhỏ hơn \(\sim 0,3~\text {mm}\). Do đó, tác động của siêu âm lên hiện tượng xâm thực có thể nhỏ.
Cần lưu ý rằng việc sử dụng bức xạ laser điều biến cường độ trong lắng đọng kim loại bằng laser trực tiếp là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm35,36,37,38.
Hiệu ứng nhiệt của bức xạ laser chiếu vào môi trường là cơ sở cho hầu hết các kỹ thuật laser 39, 40 để gia công vật liệu, chẳng hạn như cắt41, hàn, làm cứng, khoan42, làm sạch bề mặt, hợp kim hóa bề mặt, đánh bóng bề mặt43, v.v. Phát minh ra laser đã thúc đẩy những phát triển mới trong các kỹ thuật gia công vật liệu và các kết quả sơ bộ đã được tóm tắt trong nhiều bài đánh giá và chuyên khảo44,45,46.
Cần lưu ý rằng bất kỳ tác động không dừng nào lên môi trường, bao gồm tác động laser lên môi trường hấp thụ, đều dẫn đến sự kích thích sóng âm trong môi trường đó với hiệu suất nhiều hay ít. Ban đầu, trọng tâm chính là sự kích thích sóng âm bằng laser trong chất lỏng và các cơ chế kích thích nhiệt khác nhau của âm thanh (giãn nở vì nhiệt, bay hơi, thay đổi thể tích trong quá trình chuyển pha, co lại, v.v.) 47, 48, 49. Nhiều chuyên khảo 50, 51, 52 cung cấp các phân tích lý thuyết về quá trình này và các ứng dụng thực tế có thể có của nó.
Những vấn đề này sau đó đã được thảo luận tại nhiều hội nghị khác nhau và sự kích thích bằng laser của siêu âm có ứng dụng trong cả ứng dụng công nghiệp của công nghệ laser53 và y học54. Do đó, có thể coi rằng khái niệm cơ bản về quá trình mà ánh sáng laser xung tác động lên môi trường hấp thụ đã được thiết lập. Kiểm tra siêu âm bằng laser được sử dụng để phát hiện khuyết tật của các mẫu được sản xuất bằng SLM55,56.
Hiệu ứng của sóng xung kích do laser tạo ra trên vật liệu là cơ sở của quá trình phun bi xung kích laser57,58,59, cũng được sử dụng để xử lý bề mặt các bộ phận được sản xuất bằng phương pháp bồi đắp60. Tuy nhiên, quá trình gia cường bằng xung kích laser có hiệu quả nhất đối với các xung laser nano giây và bề mặt chịu tải cơ học (ví dụ: có lớp chất lỏng)59 vì tải cơ học làm tăng áp suất cực đại.
Các thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu những tác động có thể có của nhiều trường vật lý khác nhau lên cấu trúc vi mô của vật liệu đông đặc. Sơ đồ chức năng của thiết lập thí nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Một laser trạng thái rắn Nd:YAG xung hoạt động ở chế độ chạy tự do (thời gian xung \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) đã được sử dụng. Mỗi xung laser được truyền qua một loạt các bộ lọc mật độ trung tính và một hệ thống tấm chia chùm tia. Tùy thuộc vào sự kết hợp của các bộ lọc mật độ trung tính, năng lượng xung trên mục tiêu thay đổi từ \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) đến \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Chùm tia laser phản xạ từ bộ chia chùm tia được đưa đến một điốt quang để thu thập dữ liệu đồng thời và hai nhiệt lượng kế (điốt quang có thời gian phản hồi dài vượt quá \(1~\text {ms}\)) được sử dụng để xác định ánh sáng tới và phản xạ từ mục tiêu, và hai đồng hồ đo công suất (điốt quang có thời gian phản hồi ngắn times\(<10~\text {ns}\)) để xác định công suất quang tới và phản xạ. Các nhiệt lượng kế và máy đo công suất được hiệu chuẩn để đưa ra giá trị theo đơn vị tuyệt đối bằng cách sử dụng máy dò nhiệt điện Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 và gương điện môi được gắn tại vị trí mẫu. Hội tụ chùm tia vào mục tiêu bằng thấu kính (Lớp phủ chống phản xạ ở \(1,06 \upmu \text {m}\), tiêu cự \(160~\text {mm}\)) và eo chùm tia tại bề mặt mục tiêu 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Sơ đồ chức năng của thiết lập thực nghiệm: 1—laser; 2—chùm tia laser; 3—bộ lọc mật độ trung tính; 4—điốt quang đồng bộ; 5—bộ chia chùm tia; 6—màng chắn; 7—lượng nhiệt kế của chùm tia tới; 8 – lượng nhiệt kế của chùm tia phản xạ; 9 – máy đo công suất chùm tia tới; 10 – máy đo công suất chùm tia phản xạ; 11 – thấu kính hội tụ; 12 – gương; 13 – mẫu; 14 – bộ chuyển đổi áp điện băng thông rộng; 15 – bộ chuyển đổi 2D; 16 – vi điều khiển định vị; 17 – đơn vị đồng bộ hóa; 18 – hệ thống thu thập kỹ thuật số đa kênh với nhiều tốc độ lấy mẫu khác nhau; 19 – máy tính cá nhân.
Xử lý siêu âm được thực hiện như sau. Tia laser hoạt động ở chế độ chạy tự do; do đó thời lượng của xung laser là \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), bao gồm nhiều thời lượng, mỗi thời lượng khoảng \(1,5~\upmu \text {s} \). Hình dạng thời gian của xung laser và quang phổ của nó bao gồm một đường bao tần số thấp và một điều chế tần số cao, với tần số trung bình khoảng \(0,7~\text {MHz}\), như thể hiện trong Hình 2.- Đường bao tần số cung cấp quá trình gia nhiệt và sau đó làm tan chảy và bay hơi vật liệu, trong khi thành phần tần số cao cung cấp các rung động siêu âm do hiệu ứng quang âm. Dạng sóng của xung siêu âm do tia laser tạo ra chủ yếu được xác định bởi hình dạng thời gian của cường độ xung laser. Tần số này nằm trong khoảng từ \(7~\text {kHz}\) đến \ (2~\text {MHz}\), và tần số trung tâm là \(~ 0,7~\text {MHz}\). Các xung âm thanh do hiệu ứng quang âm thanh được ghi lại bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi áp điện băng thông rộng làm bằng màng polyvinylidene fluoride. Dạng sóng được ghi lại và quang phổ của nó được hiển thị trong Hình 2. Cần lưu ý rằng hình dạng của các xung laser là hình dạng điển hình của laser chế độ chạy tự do.
Phân bố thời gian của cường độ xung laser (a) và tốc độ âm thanh ở bề mặt sau của mẫu (b), phổ của xung laser (c) và xung siêu âm (d) trung bình trên 300 xung laser (đường cong màu đỏ) cho một xung laser duy nhất (đường cong màu xanh).
Chúng ta có thể phân biệt rõ ràng các thành phần tần số thấp và tần số cao của quá trình xử lý âm thanh tương ứng với lớp bao tần số thấp của xung laser và điều chế tần số cao. Bước sóng của sóng âm do lớp bao xung laser tạo ra vượt quá \(40~\text {cm}\); do đó, hiệu ứng chính của các thành phần tần số cao băng thông rộng của tín hiệu âm thanh trên cấu trúc vi mô là điều được mong đợi.
Các quá trình vật lý trong SLM rất phức tạp và xảy ra đồng thời trên các thang không gian và thời gian khác nhau. Do đó, các phương pháp đa thang phù hợp nhất để phân tích lý thuyết về SLM. Các mô hình toán học ban đầu phải là đa vật lý. Cơ học và nhiệt vật lý của môi trường đa pha “rắn-lỏng nóng chảy” tương tác với khí quyển khí trơ sau đó có thể được mô tả hiệu quả. Các đặc điểm của tải nhiệt vật liệu trong SLM như sau.
Tốc độ làm nóng và làm mát lên tới \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ do chiếu xạ laser cục bộ với mật độ công suất lên tới \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Chu trình nóng chảy-đông đặc kéo dài từ 1 đến \(10~\text {ms}\), góp phần vào quá trình đông đặc nhanh chóng của vùng nóng chảy trong quá trình làm mát.
Việc gia nhiệt nhanh bề mặt mẫu dẫn đến sự hình thành ứng suất nhiệt đàn hồi cao trong lớp bề mặt. Một phần đủ lớn (lên đến 20%) của lớp bột bị bốc hơi mạnh63, dẫn đến tải trọng áp suất bổ sung lên bề mặt để đáp ứng với quá trình cắt bỏ bằng laser. Do đó, ứng suất gây ra làm biến dạng đáng kể hình dạng của bộ phận, đặc biệt là gần các giá đỡ và các thành phần cấu trúc mỏng. Tốc độ gia nhiệt cao trong quá trình ủ laser xung dẫn đến sự tạo ra sóng ứng suất siêu âm lan truyền từ bề mặt đến chất nền. Để có được dữ liệu định lượng chính xác về ứng suất cục bộ và phân bố ứng suất, một mô phỏng vi mô về vấn đề biến dạng đàn hồi liên hợp với truyền nhiệt và truyền khối được thực hiện.
Các phương trình chi phối của mô hình bao gồm (1) các phương trình truyền nhiệt không ổn định trong đó độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào trạng thái pha (bột, nóng chảy, đa tinh thể) và nhiệt độ, (2) các dao động trong biến dạng đàn hồi sau khi phá hủy liên tục và phương trình giãn nở nhiệt đàn hồi. Bài toán giá trị biên được xác định bằng các điều kiện thực nghiệm. Thông lượng laser điều chế được xác định trên bề mặt mẫu. Làm mát đối lưu bao gồm trao đổi nhiệt dẫn và thông lượng bay hơi. Thông lượng khối lượng được xác định dựa trên tính toán áp suất hơi bão hòa của vật liệu bay hơi. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng đàn hồi dẻo được sử dụng trong đó ứng suất nhiệt đàn hồi tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ. Đối với công suất danh nghĩa \(300~\text {W}\), tần số \(10^5~\text {Hz}\), hệ số gián đoạn 100 và \(200~\upmu \text {m}\ ) của đường kính chùm tia hiệu dụng.
Hình 3 cho thấy kết quả mô phỏng số của vùng nóng chảy bằng mô hình toán học vĩ mô. Đường kính của vùng nóng chảy là \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) bán kính) và \(40~\upmu \text {m}\) độ sâu. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt thay đổi cục bộ theo thời gian là \(100~\text {K}\) do hệ số gián đoạn cao của điều chế xung. Tốc độ làm nóng \(V_h\) và làm mát \(V_c\) lần lượt theo thứ tự \(10^7\) và \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Các giá trị này phù hợp với phân tích trước đây của chúng tôi64. Sự khác biệt về thứ tự độ lớn giữa \(V_h\) và \(V_c\) dẫn đến quá nhiệt nhanh chóng của lớp bề mặt, khi đó dẫn nhiệt đến chất nền không đủ để loại bỏ nhiệt. Do đó, tại \(t=26~\upmu \text {s}\) nhiệt độ bề mặt đạt đỉnh cao tới \(4800~\text {K}\). Sự bay hơi mạnh của vật liệu có thể khiến bề mặt mẫu phải chịu áp suất quá mức và bong ra.
Kết quả mô phỏng số vùng nóng chảy của quá trình ủ xung laser đơn trên tấm mẫu 316L. Thời gian từ khi bắt đầu xung đến độ sâu của vũng nóng chảy đạt giá trị cực đại là \(180~\upmu\text {s}\). Đường đẳng nhiệt \(T = T_L = 1723~\text {K}\) biểu thị ranh giới giữa pha lỏng và pha rắn. Đường đẳng nhiệt (đường màu vàng) tương ứng với ứng suất chảy được tính theo hàm của nhiệt độ trong phần tiếp theo. Do đó, trong miền giữa hai đường đẳng nhiệt (đường đẳng nhiệt \(T=T_L\) và đường đẳng nhiệt \(\sigma =\sigma _V(T)\)), pha rắn phải chịu tải trọng cơ học mạnh, có thể dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc vi mô.
Hiệu ứng này được giải thích thêm trong Hình 4a, trong đó mức áp suất trong vùng nóng chảy được biểu diễn dưới dạng hàm của thời gian và khoảng cách từ bề mặt. Đầu tiên, hành vi áp suất liên quan đến sự điều chế cường độ xung laser được mô tả trong Hình 2 ở trên. Áp suất tối đa \text{s}\) khoảng \(10~\text {MPa}\) được quan sát thấy ở khoảng \(t=26~\upmu). Thứ hai, sự dao động của áp suất cục bộ tại điểm điều khiển có cùng đặc điểm dao động như tần số \(500~\text {kHz}\). Điều này có nghĩa là sóng áp suất siêu âm được tạo ra ở bề mặt và sau đó lan truyền vào chất nền.
Các đặc điểm tính toán của vùng biến dạng gần vùng nóng chảy được thể hiện trong Hình 4b. Sự phá hủy bằng laser và ứng suất nhiệt đàn hồi tạo ra sóng biến dạng đàn hồi lan truyền vào chất nền. Như có thể thấy từ hình, có hai giai đoạn tạo ra ứng suất. Trong pha đầu tiên của \(t < 40~\upmu \text {s}\), ứng suất Mises tăng lên \(8~\text {MPa}\) với sự điều chế tương tự như áp suất bề mặt. Ứng suất này xảy ra do sự phá hủy bằng laser và không quan sát thấy ứng suất nhiệt đàn hồi tại các điểm kiểm soát vì vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt ban đầu quá nhỏ. Khi nhiệt tản vào chất nền, điểm kiểm soát tạo ra ứng suất nhiệt đàn hồi cao trên \(40~\text {MPa}\).
Mức ứng suất điều biến thu được có tác động đáng kể đến giao diện rắn-lỏng và có thể là cơ chế kiểm soát chi phối đường đông đặc. Kích thước của vùng biến dạng lớn hơn vùng nóng chảy từ 2 đến 3 lần. Như thể hiện trong Hình 3, vị trí của đường đẳng nhiệt nóng chảy và mức ứng suất bằng với ứng suất giới hạn chảy được so sánh. Điều này có nghĩa là chiếu xạ laser xung cung cấp tải trọng cơ học cao trong các khu vực cục bộ với đường kính hiệu dụng từ 300 đến \(800~\upmu \text {m}\) tùy thuộc vào thời gian tức thời.
Do đó, điều chế phức tạp của quá trình ủ laser xung dẫn đến hiệu ứng siêu âm. Con đường lựa chọn cấu trúc vi mô sẽ khác nếu so sánh với SLM không có tải siêu âm. Các vùng không ổn định bị biến dạng dẫn đến các chu kỳ nén và kéo giãn tuần hoàn trong pha rắn. Do đó, việc hình thành các ranh giới hạt và ranh giới hạt phụ mới trở nên khả thi. Do đó, các đặc tính cấu trúc vi mô có thể được thay đổi một cách có chủ ý, như được hiển thị bên dưới. Các kết luận thu được cung cấp khả năng thiết kế một nguyên mẫu SLM điều khiển bằng siêu âm do điều chế xung gây ra. Trong trường hợp này, có thể loại trừ cuộn cảm áp điện 26 được sử dụng ở nơi khác.
(a) Áp suất theo thời gian, được tính toán ở các khoảng cách khác nhau từ bề mặt 0, 20 và \(40~\upmu \text {m}\) dọc theo trục đối xứng. (b) Ứng suất Von Mises phụ thuộc thời gian được tính toán trong ma trận rắn ở các khoảng cách 70, 120 và \(170~\upmu \text {m}\) từ bề mặt mẫu.
Các thí nghiệm được thực hiện trên các tấm thép không gỉ AISI 321H có kích thước \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Sau mỗi xung laser, tấm di chuyển \(50~\upmu \text {m}\), và eo chùm tia laser trên bề mặt mục tiêu là khoảng \(100~\upmu \text {m}\). Có tới năm lần chùm tia tiếp theo được thực hiện dọc theo cùng một đường dẫn để tạo ra sự nóng chảy lại của vật liệu đã xử lý để tinh chế hạt. Trong mọi trường hợp, vùng nóng chảy lại được siêu âm, tùy thuộc vào thành phần dao động của bức xạ laser. Điều này dẫn đến diện tích hạt trung bình giảm hơn 5 lần. Hình 5 cho thấy cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy bằng laser thay đổi như thế nào theo số chu kỳ nóng chảy lại tiếp theo (lần chạy).
Biểu đồ phụ (a,d,g,j) và (b,e,h,k) – cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy bằng laser, biểu đồ phụ (c,f,i,l) – phân bố diện tích của các hạt màu. Tô bóng biểu diễn các hạt được sử dụng để tính toán biểu đồ histogram. Màu sắc tương ứng với các vùng hạt (xem thanh màu ở đầu biểu đồ histogram. Biểu đồ phụ (ac) tương ứng với thép không gỉ chưa qua xử lý và biểu đồ phụ (df), (gi), (jl) tương ứng với 1, 3 và 5 lần nấu chảy lại.
Vì năng lượng xung laser không thay đổi giữa các lần chạy tiếp theo nên độ sâu của vùng nóng chảy là như nhau. Do đó, kênh tiếp theo hoàn toàn "bao phủ" kênh trước đó. Tuy nhiên, biểu đồ cho thấy diện tích hạt trung bình và trung vị giảm khi số lần chạy tăng. Điều này có thể chỉ ra rằng tia laser đang tác động lên chất nền chứ không phải lớp nóng chảy.
Sự tinh chỉnh hạt có thể là do quá trình làm nguội nhanh vũng nóng chảy65. Một loạt thí nghiệm khác đã được thực hiện trong đó bề mặt của các tấm thép không gỉ (321H và 316L) được tiếp xúc với bức xạ laser sóng liên tục trong khí quyển (Hình 6) và chân không (Hình 7). Công suất laser trung bình (lần lượt là 300 W và 100 W) và độ sâu của vũng nóng chảy gần với kết quả thực nghiệm của laser Nd:YAG ở chế độ chạy tự do. Tuy nhiên, một cấu trúc cột điển hình đã được quan sát thấy.
Cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy bằng laser của laser sóng liên tục (công suất không đổi 300 W, tốc độ quét 200 mm/giây, thép không gỉ AISI 321H).
(a) Cấu trúc vi mô và (b) hình ảnh nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử của vùng nóng chảy bằng laser trong chân không với tia laser sóng liên tục (công suất không đổi 100 W, tốc độ quét 200 mm/giây, thép không gỉ AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Do đó, có thể thấy rõ ràng rằng sự điều chế phức tạp của cường độ xung laser có tác động đáng kể đến cấu trúc vi mô thu được. Chúng tôi tin rằng hiệu ứng này có bản chất cơ học và xảy ra do sự tạo ra các rung động siêu âm lan truyền từ bề mặt được chiếu xạ của khối nóng chảy sâu vào mẫu. Các kết quả tương tự đã thu được trong 13, 26, 34, 66, 67 khi sử dụng bộ chuyển đổi áp điện bên ngoài và sonotrode cung cấp siêu âm cường độ cao trong nhiều vật liệu khác nhau bao gồm hợp kim Ti-6Al-4V 26 và thép không gỉ 34 kết quả của. Cơ chế có thể được suy đoán như sau. Siêu âm mạnh có thể gây ra hiện tượng tạo lỗ rỗng âm thanh, như đã chứng minh trong hình ảnh X-quang synchrotron tại chỗ cực nhanh. Sự sụp đổ của các bong bóng tạo lỗ rỗng lần lượt tạo ra sóng xung kích trong vật liệu nóng chảy, có áp suất phía trước đạt khoảng \(100~\text {MPa}\)69. Các sóng xung kích như vậy có thể đủ mạnh để thúc đẩy sự hình thành các hạt nhân pha rắn có kích thước tới hạn trong chất lỏng dạng khối, phá vỡ cấu trúc cột điển hình Cấu trúc hạt của sản xuất bồi đắp từng lớp.
Ở đây, chúng tôi đề xuất một cơ chế khác chịu trách nhiệm cho việc sửa đổi cấu trúc bằng siêu âm cường độ cao. Ngay sau khi đông đặc, vật liệu ở nhiệt độ cao gần điểm nóng chảy và có ứng suất giới hạn cực kỳ thấp. Sóng siêu âm cường độ cao có thể khiến dòng chảy dẻo làm thay đổi cấu trúc hạt của vật liệu vừa đông đặc, nóng. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm đáng tin cậy về sự phụ thuộc nhiệt độ của ứng suất giới hạn có sẵn tại \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (xem Hình 8). Do đó, để kiểm tra giả thuyết này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng động lực học phân tử (MD) của thành phần Fe-Cr-Ni tương tự như thép AISI 316 L để đánh giá hành vi ứng suất giới hạn gần điểm nóng chảy. Để tính ứng suất giới hạn, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật giãn ứng suất cắt MD được trình bày chi tiết trong 70, 71, 72, 73. Đối với các tính toán tương tác giữa các nguyên tử, chúng tôi đã sử dụng Mô hình nguyên tử nhúng (EAM) từ 74. Các mô phỏng MD đã được thực hiện bằng cách sử dụng mã LAMMPS 75,76. Chi tiết về các mô phỏng MD sẽ được công bố ở nơi khác. Kết quả tính toán MD của ứng suất chảy theo nhiệt độ được thể hiện trong Hình 8 cùng với dữ liệu thực nghiệm có sẵn và các đánh giá khác77,78,79,80,81,82.
Ứng suất chảy cho thép không gỉ austenit AISI cấp 316 và thành phần mô hình so với nhiệt độ cho mô phỏng MD. Các phép đo thực nghiệm từ tài liệu tham khảo: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. tham khảo. (f) 82 là mô hình thực nghiệm về sự phụ thuộc giữa ứng suất chảy và nhiệt độ để đo ứng suất trong dây chuyền trong quá trình sản xuất bồi đắp hỗ trợ bằng laser. Kết quả của các mô phỏng MD quy mô lớn trong nghiên cứu này được biểu thị là \(\vartriangleleft\) đối với tinh thể đơn vô hạn không có khuyết tật và \(\vartriangleright\) đối với các hạt hữu hạn có tính đến kích thước hạt trung bình thông qua mối quan hệ Hall-Petch Kích thước\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Có thể thấy rằng ở \(T>1500~\text {K}\) ứng suất chảy giảm xuống dưới \(40~\text {MPa}\). Mặt khác, ước tính dự đoán rằng biên độ siêu âm do tia laser tạo ra vượt quá \(40~\text {MPa}\) (xem Hình 4b), đủ để tạo ra dòng chảy dẻo trong vật liệu nóng vừa đông đặc.
Sự hình thành cấu trúc vi mô của thép không gỉ austenit 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) trong quá trình SLM đã được nghiên cứu thực nghiệm bằng cách sử dụng nguồn laser xung điều biến cường độ phức tạp.
Kích thước hạt giảm trong vùng nóng chảy bằng laser được phát hiện do quá trình nóng chảy lại liên tục bằng laser sau 1, 3 hoặc 5 lần chiếu.
Mô hình vĩ mô cho thấy kích thước ước tính của vùng mà biến dạng siêu âm có thể ảnh hưởng tích cực đến mặt trận đông đặc lên tới \(1~\text {mm}\).
Mô hình MD vi mô cho thấy giới hạn chảy của thép không gỉ austenit AISI 316 giảm đáng kể xuống \(40~\text {MPa}\) gần điểm nóng chảy.
Kết quả thu được gợi ý một phương pháp kiểm soát cấu trúc vi mô của vật liệu bằng cách sử dụng phương pháp xử lý laser điều biến phức tạp và có thể làm cơ sở để tạo ra những cải tiến mới cho kỹ thuật SLM xung.
Liu, Y. et al.Sự tiến hóa vi cấu trúc và tính chất cơ học của vật liệu composite TiB2/AlSi10Mg tại chỗ bằng phương pháp nấu chảy chọn lọc bằng laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al.Kỹ thuật ranh giới hạt kết tinh lại của quá trình nấu chảy chọn lọc bằng laser của thép không gỉ 316L [J]. Tạp chí Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Phát triển tại chỗ các cấu trúc vi mô dạng bánh sandwich với độ dẻo tăng cường bằng cách nung nóng lại hợp kim titan nóng chảy bằng laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Sản xuất bồi đắp các bộ phận Ti-6Al-4V bằng phương pháp lắng đọng kim loại bằng laser (LMD): quy trình, cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Mô hình hóa vi cấu trúc của quá trình lắng đọng năng lượng bằng bột kim loại laser của hợp kim 718.Thêm vào.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Nghiên cứu hình ảnh cạnh Bragg neutron tham số của các mẫu được sản xuất theo phương pháp bồi đắp được xử lý bằng phương pháp phun bi sốc laser.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al.Cấu trúc vi mô gradient và tính chất cơ học của Ti-6Al-4V được chế tạo bằng phương pháp nung chảy chùm tia điện tử.Tạp chí Alma Mater.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).