نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون تنسيق أو جافا سكريبت.
يُقترح آلية جديدة تعتمد على الصهر الانتقائي بالليزر للتحكم في البنية المجهرية للمنتجات في عملية التصنيع. وتعتمد هذه الآلية على توليد موجات فوق صوتية عالية الكثافة في حوض الصهر بواسطة تشعيع ليزري معقد مُعدَّل الشدة. تُظهر الدراسات التجريبية والمحاكاة العددية أن آلية التحكم هذه قابلة للتطبيق تقنيًا ويمكن دمجها بفعالية في تصميم آلات الصهر الانتقائي بالليزر الحديثة.
شهدت تقنية التصنيع بالإضافة (AM) للأجزاء ذات الأشكال المعقدة نموًا ملحوظًا في العقود الأخيرة. ومع ذلك، ورغم تنوع عمليات التصنيع بالإضافة، بما في ذلك الصهر الانتقائي بالليزر (SLM)¹،²،³، والترسيب المباشر للمعادن بالليزر⁴،⁵،⁶، والصهر بشعاع الإلكترون⁷،⁸ وغيرها⁹،¹⁰، قد تحتوي الأجزاء على عيوب. ويعود ذلك أساسًا إلى الخصائص المميزة لعملية تصلب حوض الصهر، المرتبطة بتدرجات حرارية عالية، ومعدلات تبريد سريعة، وتعقيد دورات التسخين في صهر المواد وإعادة صهرها¹¹، مما يؤدي إلى نمو حبيبي متناحي ومسامية كبيرة¹²،¹³. وتُظهر النتائج أنه من الضروري التحكم في التدرجات الحرارية، ومعدلات التبريد، وتركيب السبيكة، أو تطبيق صدمات فيزيائية إضافية من خلال مجالات خارجية ذات خصائص متنوعة (مثل الموجات فوق الصوتية) لتحقيق هياكل حبيبية متساوية المحاور دقيقة.
تتناول العديد من المنشورات تأثير المعالجة بالاهتزاز على عملية التصلب في عمليات الصب التقليدية^14،15. ومع ذلك، فإن تطبيق مجال خارجي على المصهورات الكبيرة لا يُنتج البنية المجهرية المطلوبة للمادة. إذا كان حجم الطور السائل صغيرًا، يتغير الوضع بشكل جذري. في هذه الحالة، يؤثر المجال الخارجي بشكل كبير على عملية التصلب. وقد تم أخذ التأثيرات الكهرومغناطيسية في الاعتبار أثناء استخدام المجالات الصوتية المكثفة^{16،17،18،19،20،21،22،23،24،25،26،27}، والتحريك بالقوس الكهربائي²⁸، والتذبذب²⁹، وأقواس البلازما النبضية^30،31، وغيرها من الطرق³². يتم تثبيت الركيزة باستخدام مصدر خارجي عالي الكثافة للموجات فوق الصوتية (بتردد 20 كيلوهرتز). يُعزى تحسين الحبيبات الناتج عن الموجات فوق الصوتية إلى زيادة منطقة التبريد الفرعي التركيبي بسبب انخفاض تدرج درجة الحرارة، وتعزيز الموجات فوق الصوتية لتوليد بلورات جديدة من خلال التكهف.
في هذا العمل، بحثنا إمكانية تغيير البنية الحبيبية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عن طريق معالجة حوض الصهر بالموجات فوق الصوتية الناتجة عن ليزر الصهر نفسه. يؤدي تعديل شدة إشعاع الليزر الساقط على الوسط الممتص للضوء إلى توليد موجات فوق صوتية، تُغير بدورها البنية المجهرية للمادة. يمكن دمج تعديل شدة إشعاع الليزر هذا بسهولة في طابعات SLM ثلاثية الأبعاد الحالية. أُجريت التجارب في هذا العمل على ألواح من الفولاذ المقاوم للصدأ عُرضت أسطحها لإشعاع ليزر مُعدَّل الشدة. لذا، من الناحية التقنية، تتم معالجة السطح بالليزر. مع ذلك، إذا طُبقت هذه المعالجة على سطح كل طبقة على حدة، أثناء عملية البناء طبقة تلو الأخرى، فإن التأثيرات تتحقق على الحجم الكلي أو على أجزاء مُحددة منه. بعبارة أخرى، إذا بُني الجزء طبقة تلو الأخرى، فإن معالجة سطح كل طبقة بالليزر تُعادل "معالجة الحجم بالليزر".
في حين أن العلاج بالموجات فوق الصوتية باستخدام بوق فوق صوتي، تتوزع طاقة الموجة الصوتية المستقرة في جميع أنحاء المكون، فإن شدة الموجات فوق الصوتية الناتجة عن الليزر تتركز بشكل كبير بالقرب من نقطة امتصاص إشعاع الليزر. يُعد استخدام مسبار صوتي في آلة دمج مسحوق الطباعة الانتقائية بالليزر (SLM) أمرًا معقدًا، نظرًا لضرورة بقاء السطح العلوي لطبقة المسحوق المعرضة لإشعاع الليزر ثابتًا. إضافةً إلى ذلك، لا يوجد إجهاد ميكانيكي على السطح العلوي للجزء. لذلك، يكون الإجهاد الصوتي قريبًا من الصفر، وتكون سرعة الجسيمات في أقصى سعتها على كامل السطح العلوي للجزء. لا يمكن أن يتجاوز ضغط الصوت داخل حوض الصهر 0.1% من أقصى ضغط يولده رأس اللحام، لأن طول موجة الموجات فوق الصوتية بتردد 20 كيلوهرتز في الفولاذ المقاوم للصدأ يبلغ حوالي 0.3 متر، بينما يكون العمق عادةً أقل من حوالي 0.3 مليمتر. لذلك، قد يكون تأثير الموجات فوق الصوتية على التكهف ضئيلاً.
تجدر الإشارة إلى أن استخدام إشعاع الليزر المعدل الشدة في الترسيب المباشر للمعادن بالليزر هو مجال بحث نشط 35،36،37،38.
يُعد التأثير الحراري لإشعاع الليزر الساقط على الوسط أساسًا لجميع تقنيات الليزر تقريبًا 39، 40 لمعالجة المواد، مثل القطع 41، واللحام، والتصليد، والحفر 42، وتنظيف الأسطح، وسبائك الأسطح، وتلميع الأسطح 43، وما إلى ذلك. وقد حفز اختراع الليزر تطورات جديدة في تقنيات معالجة المواد، وتم تلخيص النتائج الأولية في العديد من المراجعات والدراسات 44، 45، 46.
تجدر الإشارة إلى أن أي تأثير غير مستقر على الوسط، بما في ذلك تأثير الليزر على الوسط الممتص، يؤدي إلى إثارة موجات صوتية فيه بكفاءة متفاوتة. في البداية، انصب التركيز الرئيسي على إثارة الموجات بالليزر في السوائل وآليات الإثارة الحرارية المختلفة للصوت (التمدد الحراري، والتبخر، وتغير الحجم أثناء التحول الطوري، والانكماش، وما إلى ذلك) 47، 48، 49. تقدم العديد من الدراسات 50، 51، 52 تحليلات نظرية لهذه العملية وتطبيقاتها العملية المحتملة.
نوقشت هذه القضايا لاحقًا في مؤتمرات مختلفة، ولتحفيز الموجات فوق الصوتية بالليزر تطبيقات في كل من التطبيقات الصناعية لتكنولوجيا الليزر⁵³ والطب⁵⁴. لذلك، يمكن اعتبار أن المفهوم الأساسي للعملية التي يؤثر بها ضوء الليزر النبضي على وسط ماص قد تم ترسيخه. يُستخدم فحص الموجات فوق الصوتية بالليزر للكشف عن العيوب في العينات المصنعة بتقنية الطباعة الانتقائية بالليزر⁵⁵،⁵⁶.
إن تأثير موجات الصدمة المتولدة بالليزر على المواد هو أساس عملية التشكيل بالصدمة بالليزر 57،58،59، والتي تستخدم أيضًا لمعالجة سطح الأجزاء المصنعة بالإضافة 60. ومع ذلك، فإن تقوية الصدمة بالليزر تكون أكثر فعالية على نبضات الليزر النانوثانية والأسطح المحملة ميكانيكيًا (على سبيل المثال، مع طبقة من السائل) 59 لأن التحميل الميكانيكي يزيد من ذروة الضغط.
أُجريت تجارب لدراسة التأثيرات المحتملة لمختلف المجالات الفيزيائية على البنية المجهرية للمواد المتصلبة. يوضح الشكل 1 المخطط الوظيفي للإعداد التجريبي. استُخدم ليزر Nd:YAG نبضي ذو حالة صلبة يعمل في وضع التشغيل الحر (مدة النبضة \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). تمر كل نبضة ليزر عبر سلسلة من مرشحات الكثافة المحايدة ونظام لوحة تقسيم الشعاع. اعتمادًا على تركيبة مرشحات الكثافة المحايدة، تتراوح طاقة النبضة على الهدف من \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) إلى \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). يُغذى شعاع الليزر المنعكس من مقسم الشعاع إلى ثنائي ضوئي للحصول على البيانات في الوقت نفسه، ويُستخدم مقياسان حراريان (ثنائيات ضوئية ذات زمن استجابة طويل يتجاوز \(1~\text {ms}\)) لتحديد الإشعاع الساقط على الهدف والمنعكس منه، ومقياسان للطاقة (ثنائيات ضوئية ذات زمن استجابة قصير أوقات الاستجابة (<10 نانوثانية) لتحديد القدرة الضوئية الساقطة والمنعكسة. تمت معايرة المسعرات الحرارية ومقاييس القدرة لإعطاء قيم بوحدات مطلقة باستخدام كاشف حراري Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ومرآة عازلة مثبتة عند موضع العينة. يتم تركيز الشعاع على الهدف باستخدام عدسة (طلاء مضاد للانعكاس عند 1.06 ميكرومتر، طول بؤري 160 مليمتر) وقطر شعاع عند سطح الهدف يتراوح بين 60 و100 ميكرومتر.
مخطط وظيفي للإعداد التجريبي: 1- ليزر؛ 2- شعاع ليزر؛ 3- مرشح الكثافة المحايدة؛ 4- ثنائي ضوئي متزامن؛ 5- مقسم شعاع؛ 6- غشاء؛ 7- مقياس حرارة الشعاع الساقط؛ 8- مقياس حرارة الشعاع المنعكس؛ 9- مقياس طاقة الشعاع الساقط؛ 10- مقياس طاقة الشعاع المنعكس؛ 11- عدسة تركيز؛ 12- مرآة؛ 13- عينة؛ 14- محول طاقة كهرضغطية عريض النطاق؛ 15- محول ثنائي الأبعاد؛ 16- وحدة تحكم دقيقة لتحديد المواقع؛ 17- وحدة تزامن؛ 18- نظام اكتساب بيانات رقمي متعدد القنوات بمعدلات أخذ عينات مختلفة؛ 19- حاسوب شخصي.
تُجرى المعالجة بالموجات فوق الصوتية كما يلي: يعمل الليزر في وضع التشغيل الحر؛ لذا فإن مدة نبضة الليزر هي \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)، وتتكون من عدة مدد زمنية تقارب \(1.5~\upmu \text {s } \) لكل منها. يتكون الشكل الزمني لنبضة الليزر وطيفها من غلاف منخفض التردد وتعديل عالي التردد، بمتوسط ​​تردد يبلغ حوالي \(0.7~\text {MHz}\)، كما هو موضح في الشكل 2. يوفر غلاف التردد التسخين وما يتبعه من انصهار وتبخر للمادة، بينما يوفر مكون التردد العالي الاهتزازات فوق الصوتية الناتجة عن التأثير الكهروضوئي. يتحدد شكل موجة النبضة فوق الصوتية الناتجة عن الليزر بشكل أساسي من خلال الشكل الزمني لشدة نبضة الليزر. يتراوح نطاق التردد من 7 كيلوهرتز إلى 2 ميجاهرتز، ويبلغ تردد المركز حوالي 0.7 ميجاهرتز. تم تسجيل النبضات الصوتية الناتجة عن التأثير الكهروضوئي باستخدام محولات طاقة كهرضغطية واسعة النطاق مصنوعة من أغشية فلوريد البولي فينيليدين. يوضح الشكل 2 شكل الموجة المسجلة وطيفها. تجدر الإشارة إلى أن شكل نبضات الليزر نموذجي لليزر ذي نمط التشغيل الحر.
التوزيع الزمني لشدة نبضة الليزر (أ) وسرعة الصوت على السطح الخلفي للعينة (ب)، وأطياف نبضة الليزر (ج) ونبضة الموجات فوق الصوتية (د) بمتوسط ​​300 نبضة ليزر (المنحنى الأحمر) لنبضة ليزر واحدة (المنحنى الأزرق).
يمكننا التمييز بوضوح بين مكونات التردد المنخفض والتردد العالي للمعالجة الصوتية، والتي تتوافق مع الغلاف منخفض التردد لنبضة الليزر والتعديل عالي التردد على التوالي. تتجاوز أطوال موجات الموجات الصوتية المتولدة من غلاف نبضة الليزر 40 سم؛ لذلك، من المتوقع أن يكون التأثير الرئيسي لمكونات التردد العالي واسعة النطاق للإشارة الصوتية على البنية المجهرية.
تتسم العمليات الفيزيائية في تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLM) بالتعقيد، إذ تحدث في آنٍ واحد على نطاقات مكانية وزمنية مختلفة. لذا، تُعدّ الطرق متعددة النطاقات الأنسب للتحليل النظري لهذه التقنية. ينبغي أن تكون النماذج الرياضية متعددة الأبعاد في البداية، ما يسمح بوصف ميكانيكا وخواص الديناميكا الحرارية لوسط متعدد الأطوار (مصهور صلب-سائل) يتفاعل مع جو من الغاز الخامل وصفًا دقيقًا. وفيما يلي خصائص الأحمال الحرارية للمواد في تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر.
معدلات التسخين والتبريد تصل إلى \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ بسبب الإشعاع الليزري الموضعي بكثافات طاقة تصل إلى \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
تستغرق دورة الانصهار والتصلب ما بين 1 و \(10~\text {ms}\)، مما يساهم في التصلب السريع لمنطقة الانصهار أثناء التبريد.
يؤدي التسخين السريع لسطح العينة إلى تكوّن إجهادات حرارية مرنة عالية في الطبقة السطحية. ويتبخر جزء كبير (يصل إلى 20%) من طبقة المسحوق بشكل ملحوظ، مما ينتج عنه ضغط إضافي على السطح استجابةً للاستئصال بالليزر. ونتيجةً لذلك، يُشوّه الإجهاد الناتج هندسة القطعة بشكل كبير، خاصةً بالقرب من الدعامات والعناصر الهيكلية الرقيقة. ويؤدي معدل التسخين العالي في التلدين بالليزر النبضي إلى توليد موجات إجهاد فوق صوتية تنتشر من السطح إلى الركيزة. وللحصول على بيانات كمية دقيقة حول توزيع الإجهاد والانفعال الموضعي، تُجرى محاكاة مجهرية لمسألة التشوه المرن المقترن بانتقال الحرارة والكتلة.
تشمل المعادلات الحاكمة للنموذج ما يلي: (1) معادلات انتقال الحرارة غير المستقرة، حيث تعتمد الموصلية الحرارية على الحالة الطورية (مسحوق، مصهور، متعدد البلورات) ودرجة الحرارة، (2) تقلبات التشوه المرن بعد الاستئصال المستمر ومعادلة التمدد الحراري المرن. تُحدد مسألة القيمة الحدية بناءً على الظروف التجريبية. يُحدد تدفق الليزر المُعدَّل على سطح العينة. يشمل التبريد بالحمل الحراري التبادل الحراري التوصيلي والتدفق التبخيري. يُحدد تدفق الكتلة بناءً على حساب ضغط البخار المشبع للمادة المتبخرة. تُستخدم علاقة الإجهاد-الانفعال المرنة اللدنة، حيث يتناسب الإجهاد الحراري المرن طرديًا مع فرق درجة الحرارة. بالنسبة للقدرة الاسمية 300 واط، والتردد 10⁵ هرتز، ومعامل التقطع 100، وقطر الشعاع الفعال 200 ميكرومتر.
يوضح الشكل 3 نتائج المحاكاة العددية للمنطقة المنصهرة باستخدام نموذج رياضي ماكروسكوبي. يبلغ قطر منطقة الانصهار 200 ميكرومتر (نصف قطرها 100 ميكرومتر) وعمقها 40 ميكرومتر. تُظهر نتائج المحاكاة أن درجة حرارة السطح تتغير محليًا مع الزمن بمقدار 100 كلفن نتيجةً لعامل التقطع العالي لتعديل النبضة. معدلات التسخين (V_h) والتبريد (V_c) في حدود 10⁷ و10⁶ كلفن/ثانية على التوالي. تتوافق هذه القيم بشكل جيد مع تحليلنا السابق⁶⁴. يؤدي اختلاف مقداري بين V_h وV_c إلى ارتفاع سريع في درجة حرارة الطبقة السطحية، حيث يكون التوصيل الحراري إلى الركيزة غير كافٍ لإزالة الحرارة الزائدة. بسبب الحرارة، عند الزمن \(t=26~\upmu \text {s}\) تصل درجة حرارة السطح إلى ذروتها عند \(4800~\text {K}\). يمكن أن يؤدي التبخر الشديد للمادة إلى تعرض سطح العينة لضغط مفرط وتقشره.
نتائج المحاكاة العددية لمنطقة الانصهار الناتجة عن تلدين نبضة ليزرية واحدة على صفيحة عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L. يبلغ الزمن من بداية النبضة حتى وصول عمق حوض الانصهار إلى أقصى قيمة له 180 ميكروثانية. يمثل خط تساوي درجة الحرارة (T = T_L = 1723 كلفن) الحد الفاصل بين الطورين السائل والصلب. تتوافق خطوط تساوي الضغط (الخطوط الصفراء) مع إجهاد الخضوع المحسوب كدالة لدرجة الحرارة في القسم التالي. بالتالي، في النطاق الواقع بين خطي تساوي درجة الحرارة (T = T_L) وخطوط تساوي الضغط (σ = σ_V(T))، يتعرض الطور الصلب لأحمال ميكانيكية قوية، مما قد يؤدي إلى تغييرات في البنية المجهرية.
يُوضَّح هذا التأثير بشكلٍ أكبر في الشكل 4أ، حيث يُرسم مستوى الضغط في المنطقة المنصهرة كدالة للزمن والمسافة من السطح. أولًا، يرتبط سلوك الضغط بتعديل شدة نبضة الليزر الموضحة في الشكل 2 أعلاه. وقد لوحظ ضغط أقصى (ثانية) يبلغ حوالي 10 ميجا باسكال عند الزمن t = 26 ميكروثانية تقريبًا. ثانيًا، يتميز تذبذب الضغط الموضعي عند نقطة التحكم بنفس خصائص التذبذب بتردد 500 كيلو هرتز. وهذا يعني أن موجات الضغط فوق الصوتية تتولد على السطح ثم تنتشر داخل الركيزة.
تُظهر الشكل 4ب الخصائص المحسوبة لمنطقة التشوه بالقرب من منطقة الانصهار. يُولّد الاستئصال بالليزر والإجهاد الحراري المرن موجات تشوه مرنة تنتشر داخل الركيزة. وكما هو موضح في الشكل، هناك مرحلتان لتوليد الإجهاد. خلال المرحلة الأولى (t < 40 ميكروثانية)، يرتفع إجهاد فون ميزس إلى 8 ميجا باسكال بتعديل مشابه لضغط السطح. يحدث هذا الإجهاد نتيجةً للاستئصال بالليزر، ولم يُلاحظ أي إجهاد حراري مرن في نقاط التحكم لأن المنطقة المتأثرة بالحرارة في البداية كانت صغيرة جدًا. عندما تتبدد الحرارة في الركيزة، تُولّد نقطة التحكم إجهادًا حراريًا مرنًا عاليًا يتجاوز 40 ميجا باسكال.
تؤثر مستويات الإجهاد المُعدَّلة المُحَصَّلة تأثيرًا كبيرًا على سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل، وقد تكون هي آلية التحكم في مسار التصلب. يبلغ حجم منطقة التشوه ضعفين إلى ثلاثة أضعاف حجم منطقة الانصهار. وكما هو موضح في الشكل 3، تتم مقارنة موقع خط تساوي درجة حرارة الانصهار ومستوى الإجهاد المُساوي لإجهاد الخضوع. وهذا يعني أن تشعيع الليزر النبضي يُولِّد أحمالًا ميكانيكية عالية في مناطق موضعية بقطر فعّال يتراوح بين 300 و800 ميكرومتر، وذلك تبعًا للوقت اللحظي.
لذا، يؤدي التعديل المعقد لعملية التلدين بالليزر النبضي إلى التأثير فوق الصوتي. ويختلف مسار اختيار البنية المجهرية مقارنةً بتقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLM) بدون تحميل فوق صوتي. وتؤدي المناطق غير المستقرة المشوهة إلى دورات دورية من الضغط والتمدد في الطور الصلب، مما يجعل تكوين حدود حبيبية وحدود حبيبية فرعية جديدة أمرًا ممكنًا. وبالتالي، يمكن تغيير خصائص البنية المجهرية عمدًا، كما هو موضح أدناه. وتوفر الاستنتاجات التي تم التوصل إليها إمكانية تصميم نموذج أولي لتقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLM) يعمل بالموجات فوق الصوتية والمحفزة بتعديل النبضات. وفي هذه الحالة، يمكن الاستغناء عن المحث الكهروإجهادي 26 المستخدم في مكان آخر.
(أ) الضغط كدالة للزمن، محسوبًا على مسافات مختلفة من السطح 0 و20 و40 ميكرومتر على طول محور التناظر. (ب) إجهاد فون ميزس المعتمد على الزمن محسوبًا في مصفوفة صلبة على مسافات 70 و120 و170 ميكرومتر من سطح العينة.
أُجريت التجارب على ألواح من الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 321H بأبعاد 20 × 20 × 5 مم. بعد كل نبضة ليزر، تتحرك اللوح مسافة 50 ميكرومتر، ويبلغ قطر شعاع الليزر على سطح الهدف حوالي 100 ميكرومتر. يتم تمرير الشعاع حتى خمس مرات متتالية على طول المسار نفسه لإعادة صهر المادة المعالجة بهدف تحسين بنية الحبيبات. في جميع الحالات، تم تعريض المنطقة المعاد صهرها للموجات فوق الصوتية، وذلك تبعًا للمكون التذبذبي لإشعاع الليزر. ينتج عن ذلك انخفاض في متوسط ​​مساحة الحبيبات بأكثر من خمسة أضعاف. يوضح الشكل 5 كيف تتغير البنية المجهرية للمنطقة المنصهرة بالليزر مع عدد دورات إعادة الصهر المتتالية (التمريرات).
الرسومات الفرعية (أ، د، ز، ي) و(ب، هـ، ح، ك) - البنية المجهرية للمناطق المنصهرة بالليزر، الرسومات الفرعية (ج، و، ط، ل) - توزيع مساحة الحبيبات الملونة. يمثل التظليل الجسيمات المستخدمة في حساب المدرج التكراري. تتوافق الألوان مع مناطق الحبيبات (انظر شريط الألوان أعلى المدرج التكراري). الرسومات الفرعية (أ ج) تتوافق مع الفولاذ المقاوم للصدأ غير المعالج، والرسومات الفرعية (د و)، (ز ط)، (ي ل) تتوافق مع عمليات إعادة الصهر 1 و3 و5 على التوالي.
بما أن طاقة نبضة الليزر لا تتغير بين المرورات المتتالية، فإن عمق المنطقة المنصهرة يبقى ثابتًا. وبالتالي، فإن القناة اللاحقة "تغطي" القناة السابقة تمامًا. مع ذلك، يُظهر الرسم البياني أن متوسط ​​مساحة الحبيبات ووسيطها يتناقصان مع ازدياد عدد المرورات. قد يشير هذا إلى أن الليزر يؤثر على الركيزة وليس على المادة المنصهرة.
قد يكون تحسين بنية الحبيبات ناتجًا عن التبريد السريع للحوض المنصهر.⁶⁵ أُجريت مجموعة أخرى من التجارب حيث عُرِّضت أسطح صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ (321H و316L) لإشعاع ليزر ذي موجة مستمرة في الهواء (الشكل 6) وفي الفراغ (الشكل 7). كانت قدرة الليزر المتوسطة (300 واط و100 واط على التوالي) وعمق الحوض المنصهر قريبة من النتائج التجريبية لليزر Nd:YAG في وضع التشغيل الحر. ومع ذلك، لوحظ وجود بنية عمودية نموذجية.
البنية المجهرية للمنطقة المنصهرة بالليزر في ليزر الموجة المستمرة (300 واط طاقة ثابتة، 200 مم/ثانية سرعة المسح، الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 321H).
(أ) البنية المجهرية و (ب) صور حيود الإلكترون الخلفي للمنطقة المنصهرة بالليزر في الفراغ باستخدام ليزر موجة مستمرة (100 واط طاقة ثابتة، 200 مم/ثانية سرعة المسح، AISI 316L الفولاذ المقاوم للصدأ) (~ 2 ملي بار).
لذلك، يتضح جليًا أن التعديل المعقد لشدة نبضة الليزر له تأثير كبير على البنية المجهرية الناتجة. نعتقد أن هذا التأثير ذو طبيعة ميكانيكية، ويحدث نتيجة لتوليد اهتزازات فوق صوتية تنتشر من سطح المصهور المُشعّع إلى أعماق العينة. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة في المراجع 13، 26، 34، 66، 67 باستخدام محولات طاقة كهرضغطية خارجية وأقطاب صوتية توفر موجات فوق صوتية عالية الكثافة في مواد مختلفة، بما في ذلك سبيكة Ti-6Al-4V (المرجع 26) والفولاذ المقاوم للصدأ (المرجع 34). ويُفترض أن الآلية المحتملة هي كالتالي: يمكن للموجات فوق الصوتية المكثفة أن تُسبب تجويفًا صوتيًا، كما هو موضح في التصوير بالأشعة السينية السنكروترونية فائقة السرعة في الموقع. ويؤدي انهيار فقاعات التجويف بدوره إلى توليد موجات صدمية في المادة المنصهرة، يصل ضغطها الأمامي إلى حوالي 100 ميجا باسكال (المرجع 69). وقد تكون هذه الموجات الصدمية قوية بما يكفي لتعزيز تكوين نوى صلبة ذات حجم حرج في المادة. السوائل، مما يؤدي إلى تعطيل بنية الحبيبات العمودية النموذجية للتصنيع الإضافي طبقة تلو الأخرى.
نقترح هنا آلية أخرى مسؤولة عن التعديل البنيوي الناتج عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية المكثفة. فمباشرةً بعد التصلب، تكون المادة عند درجة حرارة عالية قريبة من نقطة الانصهار، وتتميز بإجهاد خضوع منخفض للغاية. يمكن للموجات فوق الصوتية المكثفة أن تُحدث تدفقًا لدنًا يُغير بنية حبيبات المادة الساخنة المتصلبة حديثًا. ومع ذلك، تتوفر بيانات تجريبية موثوقة حول اعتماد إجهاد الخضوع على درجة الحرارة عند درجة حرارة أقل من أو تساوي 1150 كلفن (انظر الشكل 8). لذلك، ولاختبار هذه الفرضية، أجرينا محاكاة ديناميكية جزيئية (MD) لتركيبة من الحديد والكروم والنيكل مشابهة لصلب AISI 316L لتقييم سلوك إجهاد الخضوع بالقرب من نقطة الانصهار. لحساب إجهاد الخضوع، استخدمنا تقنية استرخاء إجهاد القص الديناميكية الموضحة بالتفصيل في المراجع 70 و71 و72 و73. أما لحسابات التفاعل بين الذرات، فقد استخدمنا نموذج الذرة المضمنة (EAM) من المرجع 74. أُجريت محاكاة MD باستخدام برامج LAMMPS. 75،76. سيتم نشر تفاصيل محاكاة الديناميكا الجزيئية في مكان آخر. تظهر نتائج حسابات الديناميكا الجزيئية لإجهاد الخضوع كدالة لدرجة الحرارة في الشكل 8 إلى جانب البيانات التجريبية المتاحة والتقييمات الأخرى 77،78،79،80،81،82.
إجهاد الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من الدرجة 316 AISI وتركيب النموذج مقابل درجة الحرارة لمحاكاة الديناميكا الجزيئية. القياسات التجريبية من المراجع: (أ) 77، (ب) 78، (ج) 79، (د) 80، (هـ) 81. (و) 82 هو نموذج تجريبي لاعتماد إجهاد الخضوع على درجة الحرارة لقياس الإجهاد المباشر أثناء التصنيع الإضافي بمساعدة الليزر. يُشار إلى نتائج محاكاة الديناميكا الجزيئية واسعة النطاق في هذه الدراسة بـ \(\vartriangleleft\) لبلورة أحادية لانهائية خالية من العيوب و \(\vartriangleright\) لحبيبات محدودة مع مراعاة متوسط ​​حجم الحبيبات عبر علاقة هال-بيتتش، الأبعاد: \(d = 50 ميكرومتر).
يمكن ملاحظة أنه عند درجة حرارة أعلى من 1500 كلفن، ينخفض ​​إجهاد الخضوع إلى أقل من 40 ميجا باسكال. من ناحية أخرى، تشير التقديرات إلى أن سعة الموجات فوق الصوتية المتولدة بواسطة الليزر تتجاوز 40 ميجا باسكال (انظر الشكل 4ب)، وهو ما يكفي لإحداث تدفق لدن في المادة الساخنة المتصلبة حديثًا.
تم التحقق تجريبياً من تكوين البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) أثناء عملية الطباعة الانتقائية بالليزر باستخدام مصدر ليزر نبضي معقد معدل الشدة.
وقد لوحظ انخفاض في حجم الحبيبات في منطقة الصهر بالليزر نتيجة لإعادة الصهر بالليزر بشكل مستمر بعد 1 أو 3 أو 5 تمريرات.
تُظهر النمذجة المجهرية أن الحجم المقدر للمنطقة التي قد يؤثر فيها التشوه فوق الصوتي بشكل إيجابي على جبهة التصلب يصل إلى \(1~\text {mm}\).
يُظهر نموذج MD المجهري أن قوة الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي AISI 316 تنخفض بشكل كبير إلى \(40~\text {MPa}\) بالقرب من نقطة الانصهار.
تشير النتائج التي تم الحصول عليها إلى طريقة للتحكم في البنية المجهرية للمواد باستخدام معالجة الليزر المعدلة المعقدة ويمكن أن تكون بمثابة الأساس لإنشاء تعديلات جديدة لتقنية SLM النبضية.
ليو، واي. وآخرون. التطور الميكروي والخواص الميكانيكية لمركبات TiB2/AlSi10Mg المصنعة في الموقع بواسطة الصهر الانتقائي بالليزر [J]. مجلة السبائك والمركبات 853، 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
غاو، إس. وآخرون. هندسة حدود الحبيبات لإعادة التبلور في عملية الصهر الانتقائي بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ 316L [J]. مجلة ألما ماتير. 200، 366-377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ development of sandwich microstructures with enhanced ductility by laser reheating of laser-melted titanium alloys.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
أزارنيا، أ. وآخرون. التصنيع الإضافي لأجزاء Ti-6Al-4V بواسطة ترسيب المعادن بالليزر (LMD): العملية، والبنية المجهرية، والخواص الميكانيكية. مجلة السبائك والمركبات 804، 163-191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
كومارا، سي. وآخرون. النمذجة الميكروية لترسيب الطاقة الموجهة لمسحوق المعدن بالليزر لسبائك 718. إضافة إلى التصنيع. 25، 357-364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. دراسة تصوير حافة براغ النيوترونية البارامترية لعينات مصنعة بالإضافة إلى معالجة بالصدمة الليزرية. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
تان، إكس. وآخرون. البنية المجهرية المتدرجة والخواص الميكانيكية لسبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V المصنعة بالإضافة بواسطة صهر الحزمة الإلكترونية. مجلة ألما ماتير. 97، 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).