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 cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo tiếp tục được hỗ trợ, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không cần tạo kiểu và JavaScript.
Một cơ chế mới dựa trên sự nóng chảy laser chọn lọc để kiểm soát cấu trúc vi mô của sản phẩm trong quy trình sản xuất đã được đề xuất. Cơ chế này dựa vào việc tạo ra sóng siêu âm cường độ cao trong bể nóng chảy bằng cách chiếu xạ laser điều biến cường độ phức tạp. Các nghiên cứu thử nghiệm và mô phỏng số cho thấy cơ chế điều khiển này khả thi về mặt kỹ thuật và có thể được tích hợp hiệu quả vào thiết kế của các máy nấu chảy laser chọn lọc hiện đại.
Sản xuất bồi đắp (AM) các bộ phận có hình dạng phức tạp đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, mặc dù có nhiều quy trình sản xuất bồi đắp, bao gồm nấu chảy bằng laser chọn lọc (SLM)1,2,3, lắng đọng kim loại trực tiếp bằng laser4,5,6, nấu chảy bằng chùm tia điện tử7,8 và các loại khác9,10, các Bộ phận có thể bị lỗi. tăng trưởng 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 tính chất khác nhau (ví dụ: siêu âm) để đạt được cấu trúc hạt mịn.
Nhiều ấn phẩm quan tâm đến tác động của xử lý rung động đối với quá trình hóa rắn trong các quy trình đúc thông thường14,15. Tuy nhiên, việc áp dụng một trường bên ngoài cho sự nóng chảy khối 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 hóa rắn. Các hiệu ứng điện từ đã được xem xét trong các 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 cách sử dụng nguồn siêu âm cường độ cao bên ngoài (ở 20 kHz). Sự tinh chỉnh hạt do siêu âm gây ra là do vùng làm lạnh phụ có thành phần tăng lên do độ dốc nhiệt độ giảm và tăng cường siêu âm để tạo ra các tinh thể mới thông qua tạo bọt.
Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu khả năng thay đổi cấu trúc hạt của thép không gỉ austenit bằng cách cách âm bể nóng chảy bằng sóng âm thanh do chính tia laser nóng chảy tạo ra. Sự điều biến cường độ của bức xạ laser tới môi trường hấp thụ ánh sáng dẫn đến việc tạo ra sóng siêu âm, làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu. Sự điều biến 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 điều biến cường độ. xử lý bề mặt được thực hiện. Tuy nhiên, nếu quá trình xử lý bằng laser như vậy được thực hiện trên bề mặt của từng lớp, trong quá trình tích tụ từng lớp, sẽ đạt được hiệu ứng trên toàn bộ khối hoặc trên các phần được chọn của khối. Nói cách khác, nếu bộ phận được xây dựng theo từng lớp, thì việc xử lý bề mặt bằng laser của từng lớp tương đương với “xử lý khối bằng laser”.
Trong khi trong liệu pháp siêu âm dựa trên sừng siêu âm, năng lượng siêu âm của sóng âm thanh đứng được phân phối khắp bộ phận, trong khi cường độ siêu âm do tia laze gây ra tập trung cao độ gần điểm mà bức xạ laze được hấp thụ. một phần. Áp suất âm thanh bên trong toàn bộ bể nóng chảy không thể vượt quá 0,1% áp suất tối đa 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, ảnh hưởng của siêu âm đối với sự tạo bọt 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 tích cực35,36,37,38.
Hiệu ứng nhiệt của sự cố bức xạ laze trên môi trường là cơ sở cho hầu hết các kỹ thuật laze 39, 40 để xử lý 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. Việc phát minh ra laze đã kích thích những phát triển mới trong kỹ thuật xử lý 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 cố định nào lên môi trường, bao gồm cả tác động phát tia laze lên môi trường hấp thụ, đều dẫn đến sự kích thích sóng âm trong đó với hiệu quả ít nhiều. Ban đầu, trọng tâm chính là kích thích laser của sóng trong chất lỏng và các cơ chế kích thích nhiệt khác nhau của âm thanh (giãn nở nhiệt, bay hơi, thay đổi âm lượng trong quá trình chuyển pha, co lại, v.v.) 47, 48, 49. các ứng dụng thực tế có thể.
Những vấn đề này sau đó đã được thảo luận tại các hội nghị khác nhau và kích thích siêu âm bằng laser có các ứng dụng trong cả ứng dụng công nghệ laser53 và y học54. Do đó, có thể coi rằng khái niệm cơ bản về quy 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 lỗi của các mẫu do SLM sản xuất55,56.
Tác động của sóng xung kích do tia laser tạo ra trên vật liệu là cơ sở của quá trình tạo xung kích bằng laze57,58,59, cũng được sử dụng để xử lý bề mặt của các bộ phận được sản xuất theo phương pháp bồi đắp60. Tuy nhiên, việc tăng cường xung kích bằng laze có hiệu quả nhất đối với các xung laze nano giây và các bề mặt chịu tải cơ học (ví dụ: với một lớp chất lỏng)59 vì tải trọng cơ học làm tăng áp suất cực đại.
Các thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu các tác động có thể có của các trường vật lý khác nhau đối với cấu trúc vi mô của vật liệu hóa rắn. Sơ đồ chức năng của thiết lập thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Một laser trạng thái rắn Nd:YAG dạng xung hoạt động ở chế độ chạy tự do (thời lượng xung \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) đã được sử dụng. Mỗi xung laser được truyền qua một loạt bộ lọc mật độ trung tính và hệ thống tấm tách 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 laze phản xạ từ bộ tách 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 sự cố tới và phản xạ từ mục tiêu và hai đồng hồ đo công suất (điốt quang có thời gian phản hồi ngắn\(< 10~\text {ns}\)) để xác định công suất quang tới và phản xạ. Nhiệt lượng kế và đồng hồ đo công suất đã 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 lấy mẫu. Tập trung chùm tia vào mục tiêu bằng thấu kính (lớp phủ chống phản xạ ở \(1.06 \upmu \text {m}\), độ dài tiêu cự \(160~\text {mm}\)) và một eo chùm tia tại bề mặt mục tiêu 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Sơ đồ chức năng của thiết lập thử nghiệm: 1—laser;2—chùm laze;3—bộ lọc mật độ trung tính;4—điốt quang đồng bộ;5—bộ tách chùm tia;6—cơ hoành;7—nhiệt lượng kế của chùm tia tới ;8 – nhiệt lượng kế của chùm tia phản xạ;9 – đồng hồ 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 – đầu dò 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 nhận kỹ thuật số đa kênh với các tốc độ lấy mẫu khác nhau;19 – máy tính cá nhân.
Điều trị siêu âm được thực hiện như sau. Tia laser hoạt động ở chế độ chạy tự do;do đó, thời lượng của xung laze là \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), bao gồm nhiều khoảng thời gian xấp xỉ \(1,5~\upmu \text {s } \) mỗi thời lượng. Hình dạng tạm thời của xung laze và phổ của nó bao gồm một đường bao tần số thấp và một biến điệu 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 nhiệt và sự nóng chảy tiếp theo và sự bay hơi của 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 laser tạo ra chủ yếu được xác định bởi hình dạng thời gian của cường độ xung laser.Đó là 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 được ghi lại bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi áp điện băng thông rộng làm bằng màng polyvinylidene fluoride. Dạng sóng ghi được và phổ của nó được thể hiện trong Hình 2. Cần lưu ý rằng hình dạng của các xung laser là điển hình của laser chế độ chạy tự do.
Phân bố tạm thời cường độ xung laze (a) và tốc độ âm thanh ở bề mặt sau của mẫu (b), phổ của xung laze (c) và xung siêu âm (d) trung bình trên 300 xung laze (đường cong màu đỏ) cho một xung laze (đường cong màu xanh lam) .
Chúng ta có thể phân biệt rõ ràng các thành phần tần số thấp và tần số cao của xử lý âm thanh tương ứng với đường bao tần số thấp của xung laser và điều biến tần số cao. Bước sóng của sóng âm do đường bao xung laser tạo ra vượt quá \(40~\text {cm}\);do đó, tác dụng chính của các thành phần tần số cao băng thông rộng của tín hiệu âm thanh trên cấu trúc vi mô được mong đợi.
Các quá trình vật lý trong SLM rất phức tạp và xảy ra đồng thời trên các quy mô không gian và thời gian khác nhau. Do đó, các phương pháp đa quy mô là 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 "tan chảy lỏng-rắn" tương tác với môi trường khí trơ sau đó có thể được mô tả một cách 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 laze cục bộ với mật độ công suất lên tới \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Chu kỳ đông đặc-nóng chảy kéo dài từ 1 đến \(10~\text {ms}\), góp phần làm đông đặc nhanh chóng vùng nóng chảy trong quá trình làm mát.
Làm nóng nhanh bề mặt mẫu dẫn đến sự hình thành các ứng suất nhiệt đàn hồi cao trong lớp bề mặt. Một phần đầy đủ (lên đến 20%) của lớp bột bị bay hơi mạnh63, dẫn đến tải thêm áp suất lên bề mặt để đáp ứng với quá trình cắt bỏ bằng laser. Do đó, biến dạng gây ra làm biến dạng đáng kể hình dạng của bộ phận, đặc biệt là gần các giá đỡ và các phần tử kết cấu mỏng. Tốc độ gia nhiệt cao trong quá trình ủ xung laser dẫn đến việc tạo ra sóng biến dạng siêu âm lan truyền từ bề mặt đến bề mặt. Để có được dữ liệu định lượng chính xác về sự phân bố ứng suất và biến dạng cục bộ, một mô phỏng siêu âm của bài toán biến dạng đàn hồi kết hợp với truyền nhiệt và truyền khối được thực hiện.
Các phương trình chi phối của mô hình bao gồm (1) phương trình truyền nhiệt không ổn định trong đó độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào trạng thái pha (bột, tan chảy, đa tinh thể) và nhiệt độ, (2) dao động biến dạng đàn hồi sau quá trình cắt bỏ liên tục và phương trình giãn nở nhiệt đàn hồi. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng đàn hồi được sử dụng khi ứng suất đàn hồi tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ. Đối với công suất định mức \(300~\text {W}\), 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 nhiệt hạch 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 sưởi ấm \(V_h\) 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 tốt với phân tích trước đây của chúng tôi64. Thứ tự chênh lệch cường độ giữa \(V_h\) và \(V_c\) dẫn đến lớp bề mặt quá nóng nhanh chóng, trong đó dẫn nhiệt tới đế 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 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 khi độ sâu của bể nóng chảy đạt đến giá trị tối đa là \(180~\upmu\text {s}\). Đường đẳng nhiệt\(T = T_L = 1723~\text {K}\) biểu thị ranh giới giữa pha lỏng và pha rắn. Các isobar (đường màu vàng) tương ứng với ứng suất năng suất được tính như một hàm của nhiệt độ trong phần tiếp theo. Do đó e, trong miền giữa hai đường đẳng nhiệt (đường đẳng nhiệt\(T=T_L\) và đường đẳng lượng\(\sigma =\sigma _V(T)\)), pha rắn chịu tải trọng cơ học mạnh, điều này có thể dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc vi mô.
Hiệu ứng này được giải thích rõ hơn trong Hình 4a, trong đó mức áp suất trong vùng nóng chảy được vẽ dưới dạng hàm của thời gian và khoảng cách từ bề mặt. Đầu tiên, hành vi áp suất có liên quan đến sự điều biến 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 các đặc điểm dao động giống như tần số của \( 500~\text {kHz}\).Điều này có nghĩa là sóng áp suất siêu âm được tạo ra trên bề mặt và sau đó truyền vào chất nền.
Các đặc điểm được tính toán của vùng biến dạng gần vùng nóng chảy được thể hiện trong Hình 4b. Quá trình cắt bỏ bằng laze và ứng suất đàn hồi nhiệt tạo ra các sóng biến dạng đàn hồi truyền vào chất nền. Như có thể thấy trong hình, có hai giai đoạn tạo ra ứng suất. Trong giai đoạn đầu tiên của \(t < 40~\upmu \text {s}\), ứng suất Mises tăng lên \(8~\text {MPa}\) với sự điều biến tương tự như áp suất bề mặt. Ứng suất này xảy ra do quá trình cắt bỏ bằng laser và không có ứng suất nhiệt đàn hồi đã được quan sát thấy ở các điểm kiểm soát vì vùng ảnh hưởng nhiệt ban đầu quá nhỏ. Khi nhiệt được tản vào chất nền, điểm kiểm soát tạo ra ứng suất đàn hồi nhiệt cao trên \(40~\text {MPa}\).
Các mức ứng suất điều biến thu được có tác động đáng kể đến giao diện rắn-lỏng và có thể là cơ chế điều khiển chi phối đường hóa rắn. Kích thước của vùng biến dạng lớn hơn 2 đến 3 lần so với vùng nóng chảy. Như thể hiện trong Hình 3, vị trí của đường đẳng nhiệt nóng chảy và mức ứng suất bằng với ứng suất chảy được so sánh. Điều này có nghĩa là chiếu xạ laser xung cung cấp tải trọng cơ học cao ở các khu vực cục bộ có đường kính hiệu dụng trong khoảng từ 300 đến \(800~\upmu \text {m}\ ) phụ thuộc vào thời gian tức thời.
Do đó, quá trình điều chế phức tạp của quá trình ủ laser xung dẫn đến hiệu ứng siêu âm. Lộ trình lựa chọn cấu trúc vi mô sẽ khác nếu so với SLM không tải siêu âm. Các vùng không ổn định bị biến dạng dẫn đến các chu kỳ nén và kéo dài định kỳ trong pha rắn. Do đó, việc hình thành các ranh giới hạt mới và ranh giới hạt con trở nên khả thi. Do đó, các đặc tính cấu trúc vi mô có thể được thay đổi một cách có chủ ý, như hình dưới đây. Các kết luận thu được cung cấp khả năng thiết kế một nguyên mẫu SLM điều khiển bằng siêu âm điều biến xung. Trong trường hợp này, cuộn cảm áp điện 26 được sử dụng ở nơi khác có thể được loại trừ.
(a) Áp suất là một hàm của thời gian, được tính 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 vào thời gian được tính trong một ma trận rắn ở khoảng cách 70, 120 và \(170~\upmu \text {m}\) tính 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 laze, tấm di chuyển \(50~\upmu \text {m}\) và vòng eo của chùm tia laze trên bề mặt mục tiêu là khoảng \(100~\upmu \text {m}\). vùng nóng chảy được cách 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 nấu chảy lại tiếp theo (vượt qua).
Các ô con (a,d,g,j) và (b,e,h,k) – vi cấu trúc của các vùng nóng chảy bằng laser, các ô con (c,f,i,l) – phân bố vùng của các hạt màu.Bóng đại diện cho các hạt được sử dụng để tính toán biểu đồ. Màu sắc tương ứng với các vùng hạt (xem thanh màu ở đầu biểu đồ. Các ô con (ac) tương ứng với thép không gỉ chưa qua xử lý và các ô con (df), (gi), (jl) tương ứng với 1, 3 và 5 remelts.
Vì năng lượng xung laser không thay đổi giữa các lần đi tiếp theo, nên độ sâu của vùng nóng chảy là như nhau. Do đó, kênh tiếp theo hoàn toàn “che phủ” kênh trước đó. Tuy nhiên, biểu đồ cho thấy diện tích hạt trung bình và trung bình giảm khi số lần đi qua tăng lên. Điều này có thể chỉ ra rằng tia laser đang tác động lên chất nền chứ không phải trên bề mặt tan chảy.
Sự tinh chỉnh hạt có thể được gây ra bởi sự làm mát nhanh của hồ bơi nóng chảy65. Một bộ thí nghiệm khác được thực hiện trong đó các bề mặt của các tấm thép không gỉ (321H và 316L) được tiếp xúc với bức xạ laser liên tục trong khí quyển (Hình 6). -Runcy Mode. Tuy nhiên, một cấu trúc cột điển hình đã được quan sát.
Cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy bằng laze của laze 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 electron của vùng nóng chảy bằng laser trong chân không bằng laser sóng liên tục (công suất không đổi 100 W, tốc độ quét 200 mm/s, thép không gỉ AISI 316L)\ (\ sim 2~\text {mbar}\).
Do đó, rõ ràng là sự điều biến phức tạp của cường độ xung laser có ảnh hưởng 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 chất tan chảy sâu vào trong mẫu. Các kết quả tương tự thu được trong các mẫu 13, 26, 34, 66, 67 sử dụng bộ chuyển đổi áp điện bên ngoài và sonotrodes cung cấp sóng siêu âm cường độ cao trong các vật liệu khác nhau bao gồm hợp kim Ti-6Al-4V 2 6 và thép không gỉ 34 là kết quả của. Cơ chế có thể được suy đoán như sau. Siêu âm cường độ cao có thể gây ra hiện tượng xâm thực âm thanh, như đã được chứng minh trong hình ảnh chụp X-quang synchrotron tại chỗ cực nhanh. Sự sụp đổ của các bong bóng xâm thực lần lượt tạo ra sóng xung kích trong vật liệu nóng chảy, có áp suất phía trước đạt khoảng \(100~\text {MPa}\)69. 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 khối, phá vỡ cấu trúc hạt cột điển hình của sản xuất bồi đắp từng lớp.
Ở đây, chúng tôi đề xuất một cơ chế khác chịu trách nhiệm sửa đổi cấu trúc bằng cách siêu âm cường độ cao. Ngay sau khi hóa rắn, vật liệu ở nhiệt độ cao gần với điểm nóng chảy và có ứng suất chảy cực kỳ thấp. Sóng siêu âm cường độ cao có thể khiến dòng chảy nhựa thay đổi cấu trúc hạt của vật liệu nóng, vừa đông cứng. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm đáng tin cậy về sự phụ thuộc nhiệt độ của ứng suất chảy có sẵn tại \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (xem Hình 8). (MD) mô phỏng thành phần Fe-Cr-Ni tương tự như thép AISI 316 L để đánh giá hành vi ứng suất chảy gần điểm nóng chảy. Để tính toán ứng suất chảy, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật thư giãn ứng suất cắt MD được nêu chi tiết trong 70, 71, 72, 73. Các kết quả tính toán MD của ứng suất chảy dưới dạng một hàm của 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 đối với thép không gỉ austenit loại 316 AISI và thành phần mô hình so với nhiệt độ đối với các mô phỏng MD. Các phép đo thực nghiệm từ các tài liệu tham khảo: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. tham khảo. (f)82 là một mô hình thực nghiệm về sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ đối với phép đo ứng suất trên dây chuyền trong quá trình sản xuất bồi đắp có hỗ trợ bằng laser. Kết quả của các mô phỏng MD quy mô lớn trong nghiên cứu này được biểu thị ed dưới dạng \(\vartriangleleft\) cho tinh thể đơn vô hạn không có khuyết tật và \(\vartriangleright\) cho các hạt hữu hạn có tính đến kích thước hạt trung bình thông qua Kích thước quan hệ Hall-Petch\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Có thể thấy rằng tại \(T>1500~\text {K}\), ứng suất chảy giảm xuống dưới \(40~\text {MPa}\). Mặt khác, các ước tính dự đoán rằng biên độ siêu âm do laser tạo ra vượt quá \(40~\text {MPa}\) (xem Hình 4b), đủ để tạo ra dòng chảy dẻo trong vật liệu nóng vừa đông cứng.
Sự hình thành vi cấu trúc 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 chế cường độ phức tạp.
Giảm kích thước hạt trong vùng nóng chảy bằng laser đã được tìm thấy do làm nóng lại bằng laser liên tục sau 1, 3 hoặc 5 lần chạy.
Mô hình vĩ mô cho thấy kích thước ước tính của khu vực nơi biến dạng siêu âm có thể ảnh hưởng tích cực đến mặt trước hóa rắn lên tới \(1~\text {mm}\).
Mô hình MD hiển vi cho thấy cường độ chảy của thép không gỉ austenit AISI 316 giảm đáng kể xuống còn \(40~\text {MPa}\) gần điểm nóng chảy.
Các kết quả thu được đề xuất một phương pháp kiểm soát cấu trúc vi mô của vật liệu bằng cách sử dụng xử lý laser biến điệu phức tạp và có thể làm cơ sở để tạo ra các cải tiến mới của kỹ thuật SLM xung.
Liu, Y. và cộng sự. Sự phát triển cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp TiB2/AlSi10Mg tại chỗ bằng phương pháp nóng chảy chọn lọc bằng laser [J].J.Hợp kim.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. và cộng sự. Kỹ thuật tái kết tinh ranh giới hạt của sự nóng 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 vi cấu trúc bánh sandwich với độ dẻo được tăng cường bằng cách nung nóng lại các hợp kim titan nóng chảy bằng laze.science.Rep.10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Sản xuất bổ sung các bộ phận Ti-6Al-4V bằng lắng đọng kim loại laze (LMD): quy trình, vi cấu trúc và tính chất cơ học.J.Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. và cộng sự.Mô hình vi cấu trúc của quá trình lắng đọng năng lượng định hướng bằng bột kim loại bằng laser của Hợp kim 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. và cộng sự. Nghiên cứu hình ảnh cạnh Bragg cạnh neutron tham số về các mẫu được sản xuất phụ gia được xử lý bằng xung kích laze Peening.science.Rep.11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. và cộng sự.Cấu trúc vi mô gradient và tính chất cơ học của Ti-6Al-4V được chế tạo bổ sung bằng quá trình nung chảy chùm tia điện tử.Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).