نشكرك على زيارة Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصيك باستخدام متصفح محدث (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). في غضون ذلك، لضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون تنسيق وJavaScript.
تم اقتراح آلية جديدة تعتمد على الصهر الانتقائي بالليزر للتحكم في البنية الدقيقة للمنتجات في عملية التصنيع. تعتمد الآلية على توليد موجات فوق صوتية عالية الكثافة في حوض المنصهر عن طريق إشعاع الليزر المعقد المعدل الكثافة. تظهر الدراسات التجريبية والمحاكاة العددية أن آلية التحكم هذه قابلة للتنفيذ من الناحية الفنية ويمكن دمجها بشكل فعال في تصميم آلات الصهر الانتقائي بالليزر الحديثة.
شهد التصنيع الإضافي (AM) للأجزاء المعقدة نموًا ملحوظًا في العقود الأخيرة. ومع ذلك، ورغم تنوع عمليات التصنيع الإضافي، بما في ذلك الصهر الانتقائي بالليزر (SLM)1،2،3، وترسيب المعادن بالليزر المباشر4،5،6، والصهر بشعاع الإلكترون7،8، وغيرها9،10، إلا أن هذه الأجزاء قد تكون معيبة. ويعود ذلك أساسًا إلى الخصائص المحددة لعملية تصلب البركة المنصهرة، المرتبطة بالتدرجات الحرارية العالية، ومعدلات التبريد العالية، وتعقيد دورات التسخين في مواد الصهر وإعادة الصهر11، مما يؤدي إلى نمو حبيبات متراكبة ومسامية كبيرة12،13. تُظهر النتائج أنه من الضروري التحكم في التدرجات الحرارية، ومعدلات التبريد، وتركيب السبائك، أو تطبيق صدمات فيزيائية إضافية من خلال مجالات خارجية ذات خصائص مختلفة (مثل الموجات فوق الصوتية) للحصول على هياكل حبيبات دقيقة متساوية المحاور.
تهتم العديد من المنشورات بتأثير معالجة الاهتزاز على عملية التصلب في عمليات الصب التقليدية14،15. ومع ذلك، فإن تطبيق مجال خارجي على المصهور السائب لا ينتج البنية الدقيقة للمادة المطلوبة. إذا كان حجم الطور السائل صغيرًا، يتغير الوضع بشكل كبير. في هذه الحالة، يؤثر المجال الخارجي بشكل كبير على عملية التصلب. تم النظر في التأثيرات الكهرومغناطيسية أثناء المجالات الصوتية المكثفة16،17،18،19،20،21،22،23،24،25،26،27، وتحريك القوس28 والتذبذب29، وأقواس البلازما النبضية30،31 وطرق أخرى32. يتم التثبيت على الركيزة باستخدام مصدر الموجات فوق الصوتية عالي الكثافة الخارجي (عند 20 كيلو هرتز). يعزى تحسين الحبوب الناتج عن الموجات فوق الصوتية إلى زيادة منطقة التبريد الفرعي التركيبية بسبب انخفاض التدرج في درجة الحرارة وتعزيز الموجات فوق الصوتية لتوليد بلورات جديدة من خلال التجويف.
في هذا العمل، قمنا بالتحقيق في إمكانية تغيير بنية حبيبات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عن طريق معالجة حوض المنصهر بالموجات الصوتية التي يولدها الليزر المنصهر نفسه. يؤدي تعديل شدة إشعاع الليزر الساقط على الوسط الممتص للضوء إلى توليد موجات فوق صوتية، مما يغير البنية الدقيقة للمادة. يمكن دمج تعديل شدة إشعاع الليزر هذا بسهولة في طابعات SLM ثلاثية الأبعاد الموجودة. أجريت التجارب في هذا العمل على صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ تعرضت أسطحها لإشعاع ليزر معدل الشدة. لذلك، من الناحية الفنية، يتم إجراء معالجة سطح الليزر. ومع ذلك، إذا تم إجراء مثل هذه المعالجة بالليزر على سطح كل طبقة، أثناء البناء طبقة تلو الأخرى، يتم تحقيق تأثيرات على الحجم بالكامل أو على أجزاء مختارة من الحجم. بمعنى آخر، إذا تم بناء الجزء طبقة تلو الأخرى، فإن المعالجة السطحية بالليزر لكل طبقة تعادل "معالجة حجم الليزر".
في حين أنه في العلاج بالموجات فوق الصوتية القائم على القرن بالموجات فوق الصوتية، يتم توزيع طاقة الموجات فوق الصوتية للموجة الصوتية الدائمة في جميع أنحاء المكون، بينما تكون شدة الموجات فوق الصوتية المستحثة بالليزر مركزة للغاية بالقرب من النقطة التي يتم فيها امتصاص إشعاع الليزر. إن استخدام السونوترودين في آلة دمج فراش المسحوق SLM معقد لأن السطح العلوي لفراش المسحوق المعرض لإشعاع الليزر يجب أن يظل ثابتًا. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد ضغط ميكانيكي على السطح العلوي للجزء. لذلك، يكون الضغط الصوتي قريبًا من الصفر وسرعة الجسيمات لها سعة قصوى على كامل السطح العلوي للجزء. لا يمكن أن يتجاوز ضغط الصوت داخل حوض المنصهر بالكامل 0.1٪ من أقصى ضغط يولده رأس اللحام، لأن الطول الموجي للموجات فوق الصوتية بتردد 20 كيلو هرتز في الفولاذ المقاوم للصدأ هو \(\sim 0.3~\text {م}\)، والعمق عادة ما يكون أقل من \(\sim 0.3~\text {مم}\). لذلك، قد يكون تأثير الموجات فوق الصوتية على التجويف صغير.
تجدر الإشارة إلى أن استخدام إشعاع الليزر المعدل الشدة في الترسيب المعدني المباشر بالليزر هو مجال بحثي نشط35،36،37،38.
إن التأثير الحراري لإشعاع الليزر الساقط على الوسط هو الأساس لجميع تقنيات الليزر تقريبًا 39، 40 لمعالجة المواد، مثل القطع41، واللحام، والتصلب، والحفر42، وتنظيف الأسطح، وسبائك الأسطح، وتلميع الأسطح43، وما إلى ذلك. وقد حفز اختراع الليزر تطورات جديدة في تقنيات معالجة المواد، وقد تم تلخيص النتائج الأولية في العديد من المراجعات والدراسات44،45،46.
تجدر الإشارة إلى أن أي عمل غير ثابت على الوسط، بما في ذلك عمل الليزر على الوسط الماص، يؤدي إلى إثارة الموجات الصوتية فيه بكفاءة أكثر أو أقل. في البداية، كان التركيز الرئيسي على إثارة الليزر للموجات في السوائل وآليات الإثارة الحرارية المختلفة للصوت (التمدد الحراري، التبخر، التغير في الحجم أثناء انتقال الطور، الانكماش، إلخ.) 47، 48، 49. تقدم العديد من الدراسات50، 51، 52 تحليلات نظرية لهذه العملية وتطبيقاتها العملية المحتملة.
وقد تمت مناقشة هذه القضايا لاحقًا في مؤتمرات مختلفة، كما أن إثارة الليزر للموجات فوق الصوتية لها تطبيقات في كل من التطبيقات الصناعية لتكنولوجيا الليزر53 والطب54. وبالتالي، يمكن اعتبار أن المفهوم الأساسي للعملية التي يعمل بها ضوء الليزر النبضي على وسط ماص قد تم تأسيسه. يتم استخدام فحص الموجات فوق الصوتية بالليزر للكشف عن العيوب في العينات المصنعة باستخدام SLM55،56.
إن تأثير موجات الصدمة المولدة بالليزر على المواد هو أساس عملية صدم الليزر57،58،59، والتي تستخدم أيضًا في معالجة أسطح الأجزاء المصنعة بشكل إضافي60. ومع ذلك، فإن تقوية صدمة الليزر تكون أكثر فعالية على نبضات الليزر النانوية والأسطح المحملة ميكانيكيًا (على سبيل المثال، بطبقة من السائل)59 لأن التحميل الميكانيكي يزيد من ضغط الذروة.
أجريت تجارب للتحقيق في التأثيرات المحتملة لمختلف المجالات الفيزيائية على البنية الدقيقة للمواد الصلبة. يظهر الرسم التخطيطي الوظيفي للإعداد التجريبي في الشكل 1. تم استخدام ليزر الحالة الصلبة النبضي Nd:YAG الذي يعمل في وضع التشغيل الحر (مدة النبضة \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). يتم تمرير كل نبضة ليزر من خلال سلسلة من مرشحات الكثافة المحايدة ونظام لوحة مقسم الشعاع. بناءً على مجموعة مرشحات الكثافة المحايدة، تتراوح طاقة النبضة على الهدف من \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) إلى \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). يتم تغذية شعاع الليزر المنعكس من مقسم الشعاع إلى الصمام الضوئي للحصول على البيانات المتزامنة، ويتم استخدام اثنين من أجهزة قياس السعرات الحرارية (الصمامات الضوئية ذات وقت استجابة طويل يتجاوز \(1~\text {ms}\)) لتحديد الساقط على الهدف والمنعكس منه، ومقياسين للطاقة (ثنائيات ضوئية ذات أوقات استجابة قصيرة \(<10~\text {ns}\)) لتحديد القدرة الضوئية الواردة والمنعكسة. تم معايرة السعرات الحرارية وأجهزة قياس القدرة لإعطاء القيم في وحدات مطلقة باستخدام كاشف الثيرموبيل Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ومرآة عازلة مثبتة في موقع العينة. ركز الشعاع على الهدف باستخدام عدسة (طلاء مضاد للانعكاس عند \(1.06 \upmu \text {m}\)، والبعد البؤري \(160~\text {mm}\)) وخصر الشعاع عند سطح الهدف 60– \(100~\upmu\text {m}\).
الرسم التخطيطي الوظيفي للإعداد التجريبي: 1- ليزر؛ 2- شعاع ليزر؛ 3- مرشح كثافة محايدة؛ 4- ثنائي ضوئي متزامن؛ 5- مقسم شعاع؛ 6- غشاء؛ 7- مسعر الشعاع الساقط؛ 8- مسعر الشعاع المنعكس؛ 9- مقياس قدرة الشعاع الساقط؛ 10- مقياس قدرة الشعاع المنعكس؛ 11- عدسة التركيز؛ 12- مرآة؛ 13- عينة؛ 14- محول كهربائي ضغطي عريض النطاق؛ 15- محول ثنائي الأبعاد؛ 16- متحكم تحديد المواقع؛ 17- وحدة المزامنة؛ 18- نظام اكتساب رقمي متعدد القنوات بمعدلات أخذ عينات مختلفة؛ 19- حاسوب شخصي.
يتم إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية على النحو التالي. يعمل الليزر في وضع التشغيل الحر؛ وبالتالي فإن مدة نبضة الليزر هي \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)، والتي تتكون من مدد متعددة تبلغ حوالي \(1.5~\upmu \text {s} \) لكل منها. يتكون الشكل الزمني لنبضة الليزر وطيفها من غلاف منخفض التردد وتعديل عالي التردد، بتردد متوسط ​​يبلغ حوالي \(0.7~\text {MHz}\)، كما هو موضح في الشكل 2.- يوفر غلاف التردد التسخين والذوبان اللاحق والتبخر للمادة، بينما يوفر المكون عالي التردد الاهتزازات فوق الصوتية بسبب التأثير الضوئي الصوتي. يتم تحديد شكل موجة النبضة فوق الصوتية التي يولدها الليزر بشكل أساسي من خلال الشكل الزمني لشدة نبضة الليزر. يتراوح تردده من (7 كيلو هرتز) إلى (2 ميجا هرتز)، والتردد المركزي هو (0.7 ميجا هرتز). تم تسجيل النبضات الصوتية الناتجة عن التأثير الضوئي الصوتي باستخدام محولات كهربائية ضغطية عريضة النطاق مصنوعة من أفلام فلوريد البولي فينيلدين. يظهر الشكل الموجي المسجل وطيفه في الشكل 2. تجدر الإشارة إلى أن شكل نبضات الليزر هو نموذجي لليزر ذي الوضع الحر.
التوزيع الزمني لشدة نبضة الليزر (أ) وسرعة الصوت على السطح الخلفي للعينة (ب)، وأطياف نبضة الليزر (ج) والنبضة 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 المقابلة للغلاف منخفض التردد لنبضة الليزر والتعديل عالي التردد على التوالي. تتجاوز أطوال الموجات الصوتية الناتجة عن غلاف نبضة الليزر \(40~\text {cm}\)؛ لذلك، من المتوقع أن يكون التأثير الرئيسي لمكونات التردد العالي ذات النطاق العريض للإشارة الصوتية على البنية الدقيقة.
العمليات الفيزيائية في SLM معقدة وتحدث في وقت واحد على مقاييس مكانية وزمانية مختلفة. لذلك، فإن الطرق متعددة المقاييس هي الأنسب للتحليل النظري لـ SLM. يجب أن تكون النماذج الرياضية متعددة الفيزياء في البداية. يمكن بعد ذلك وصف ميكانيكا وفيزياء الحرارة لوسط متعدد المراحل "ذوبان صلب سائل" يتفاعل مع جو من الغاز الخامل بشكل فعال. خصائص الأحمال الحرارية المادية في SLM هي كما يلي.
معدلات تسخين وتبريد تصل إلى \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ بسبب إشعاع الليزر الموضعي بكثافات طاقة تصل إلى \(10^{13}~\text {W} سم2\).
تستمر 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 تكوين إجهادات حرارية مرنة عالية في الطبقة السطحية. يتم تبخير جزء كافٍ (حتى 20٪) من طبقة المسحوق بقوة63، مما يؤدي إلى حمل ضغط إضافي على السطح استجابةً للاستئصال بالليزر. وبالتالي، فإن الإجهاد المستحث يشوه هندسة الجزء بشكل كبير، وخاصة بالقرب من الدعامات والعناصر الهيكلية الرقيقة. يؤدي معدل التسخين العالي في التلدين بالليزر النبضي إلى توليد موجات إجهاد فوق صوتية تنتشر من السطح إلى الركيزة. من أجل الحصول على بيانات كمية دقيقة عن توزيع الإجهاد والانفعال المحلي، يتم إجراء محاكاة متوسطة الحجم لمشكلة التشوه المرن المقترنة بنقل الحرارة والكتلة.
تتضمن المعادلات الحاكمة للنموذج (1) معادلات نقل الحرارة غير المستقرة حيث تعتمد الموصلية الحرارية على حالة الطور (مسحوق، منصهر، متعدد البلورات) ودرجة الحرارة، (2) التقلبات في التشوه المرن بعد الاستئصال المستمر ومعادلة التمدد الحراري المرن. يتم تحديد مشكلة القيمة الحدودية من خلال الظروف التجريبية. يتم تعريف تدفق الليزر المعدل على سطح العينة. يتضمن التبريد الحملي تبادل الحرارة الموصل والتدفق التبخيري. يتم تعريف تدفق الكتلة بناءً على حساب ضغط البخار المشبع للمادة المتبخرة. يتم استخدام علاقة الإجهاد والانفعال المرنة حيث يكون الإجهاد الحراري المرن متناسبًا مع فرق درجة الحرارة. بالنسبة للقدرة الاسمية \(300~\text {W}\) والتردد \(10^5~\text {Hz}\) والمعامل المتقطع 100 و\(200~\upmu \text {m}\) لقطر الشعاع الفعال.
يوضح الشكل 3 نتائج المحاكاة العددية للمنطقة المنصهرة باستخدام نموذج رياضي مجهري. يبلغ قطر منطقة الاندماج 200 متر (نصف قطر 100 متر) وعمق 40 مترًا. تُظهر نتائج المحاكاة أن درجة حرارة السطح تتغير محليًا مع الوقت بمقدار 100 كلفن بسبب عامل التقطع العالي لتعديل النبضة. تبلغ معدلات التسخين Vh والتبريد Vc حوالي 107 كلفن/ثانية على التوالي. تتفق هذه القيم جيدًا مع تحليلنا السابق64. يؤدي الفرق في الحجم بين Vh وVc إلى ارتفاع سريع في درجة حرارة الطبقة السطحية، حيث تكون التوصيل الحراري للركيزة غير كافٍ لإزالة الحرارة. لذلك، عند \(t=26~\upmu \text {s}\) تصل درجة حرارة السطح إلى ذروتها عند \(4800~\text {K}\). يمكن أن يؤدي التبخر القوي للمادة إلى تعرض سطح العينة لضغط زائد وتقشيره.
نتائج المحاكاة العددية لمنطقة الانصهار لعملية التلدين بنبضة ليزر واحدة على لوحة عينة 316L. الوقت من بداية النبضة إلى عمق حوض المنصهر الذي يصل إلى القيمة القصوى هو \(180~\upmu\text {s}\). يمثل خط تساوي الحرارة \(T = T_L = 1723~\text {K}\) الحد الفاصل بين الطور السائل والطور الصلب. تتوافق خطوط تساوي الحرارة (الخطوط الصفراء) مع إجهاد الخضوع المحسوب كدالة لدرجة الحرارة في القسم التالي. لذلك، في المجال بين خطي تساوي الحرارة (خطوط تساوي الحرارة \(T=T_L\) وخطوط تساوي الحرارة \(\sigma =\sigma _V(T)\))، تتعرض الطور الصلب لأحمال ميكانيكية قوية، مما قد يؤدي إلى تغييرات في البنية الدقيقة.
تم توضيح هذا التأثير بشكل أكبر في الشكل 4أ، حيث تم رسم مستوى الضغط في المنطقة المنصهرة كدالة للزمن والمسافة من السطح. أولاً، يرتبط سلوك الضغط بتعديل شدة نبضة الليزر الموضحة في الشكل 2 أعلاه. تم ملاحظة أقصى ضغط \text{s}\) يبلغ حوالي \(10~\text {MPa}\) عند حوالي \(t=26~\upmu). ثانيًا، يتميز تقلب الضغط المحلي عند نقطة التحكم بنفس خصائص التذبذب مثل تردد \(500~\text {kHz}\). وهذا يعني أن موجات الضغط فوق الصوتية تتولد عند السطح ثم تنتشر في الركيزة.
تظهر الخصائص المحسوبة لمنطقة التشوه بالقرب من منطقة الانصهار في الشكل 4ب. يولد الاستئصال بالليزر والإجهاد المرن الحراري موجات تشوه مرنة تنتشر في الركيزة. كما يمكن رؤيته من الشكل، هناك مرحلتان لتوليد الإجهاد. خلال المرحلة الأولى من \(t < 40~\upmu \text {s}\)، يرتفع إجهاد ميزس إلى \(8~\text {MPa}\) مع تعديل مماثل لضغط السطح. يحدث هذا الإجهاد بسبب الاستئصال بالليزر، ولم يتم ملاحظة أي إجهاد مرن حراري في نقاط التحكم لأن المنطقة المتأثرة بالحرارة الأولية كانت صغيرة جدًا. عندما تتبدد الحرارة في الركيزة، تولد نقطة التحكم إجهادًا مرنًا حراريًا عاليًا أعلى من \(40~\text {MPa}\).
إن مستويات الإجهاد المعدلة التي تم الحصول عليها لها تأثير كبير على واجهة السائل الصلب وقد تكون آلية التحكم التي تحكم مسار التصلب. حجم منطقة التشوه أكبر من حجم منطقة الانصهار بمقدار 2 إلى 3 مرات. كما هو موضح في الشكل 3، تتم مقارنة موقع خط الحرارة المتساوي للانصهار ومستوى الإجهاد الذي يساوي إجهاد الخضوع. وهذا يعني أن إشعاع الليزر النبضي يوفر أحمالًا ميكانيكية عالية في مناطق موضعية بقطر فعال يتراوح بين 300 و \(800~\upmu \text {m}\) اعتمادًا على الوقت اللحظي.
لذلك، يؤدي التعديل المعقد للتلدين بالليزر النبضي إلى التأثير بالموجات فوق الصوتية. يختلف مسار اختيار البنية الدقيقة إذا ما قورن بـ SLM بدون تحميل بالموجات فوق الصوتية. تؤدي المناطق غير المستقرة المشوهة إلى دورات دورية من الضغط والتمدد في الطور الصلب. وبالتالي، يصبح تكوين حدود حبيبية جديدة وحدود حبيبية فرعية أمرًا ممكنًا. لذلك، يمكن تغيير الخصائص الدقيقة عن عمد، كما هو موضح أدناه. توفر الاستنتاجات التي تم الحصول عليها إمكانية تصميم نموذج أولي لـ SLM مدفوع بالموجات فوق الصوتية المستحث بالتعديل النبضي. في هذه الحالة، يمكن استبعاد المحث الكهرضغطي 26 المستخدم في مكان آخر.
(أ) الضغط كدالة للزمن، محسوب على مسافات مختلفة من السطح 0 و20 و40 مترًا على طول محور التناظر. (ب) إجهاد فون ميزس المعتمد على الزمن محسوب في مصفوفة صلبة على مسافات 70 و120 و170 مترًا من سطح العينة.
تم إجراء التجارب على ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 321H بأبعاد \(20\times 20\times 5~\text {مم}\). بعد كل نبضة ليزر، تتحرك اللوحة \(50~\upmu \text {م}\)، ويبلغ محيط شعاع الليزر على سطح الهدف حوالي \(100~\upmu \text {م}\). يتم إجراء ما يصل إلى خمس تمريرات شعاع لاحقة على طول نفس المسار لتحفيز إعادة صهر المادة المعالجة لتكرير الحبوب. في جميع الحالات، تم تطبيق الموجات فوق الصوتية على المنطقة المعاد صهرها، اعتمادًا على المكون التذبذبي لإشعاع الليزر. يؤدي هذا إلى انخفاض في متوسط ​​مساحة الحبوب بأكثر من 5 أضعاف. يوضح الشكل 5 كيف يتغير التركيب الدقيق للمنطقة المنصهرة بالليزر مع عدد دورات إعادة الصهر اللاحقة (التمريرات).
المخططات الفرعية (أ، د، ز، ي) و(ب، هـ، ح، ك) - البنية الدقيقة للمناطق المنصهرة بالليزر، المخططات الفرعية (ج، و، ط، ل) - توزيع مساحات الحبيبات الملونة. يمثل التظليل الجسيمات المستخدمة في حساب الهيستوغرام. تتوافق الألوان مع مناطق الحبيبات (انظر شريط الألوان أعلى الهيستوغرام). المخططات الفرعية (أ) تتوافق مع الفولاذ المقاوم للصدأ غير المعالج، والمخططات الفرعية (د، ف، ج، ل) تتوافق مع إعادة الصهر 1 و3 و5.
نظرًا لأن طاقة نبضة الليزر لا تتغير بين التمريرات اللاحقة، فإن عمق المنطقة المنصهرة يكون هو نفسه. وبالتالي، فإن القناة اللاحقة "تغطي" القناة السابقة تمامًا. ومع ذلك، يوضح الرسم البياني أن مساحة الحبوب المتوسطة والمتوسطة تتناقص مع زيادة عدد التمريرات. قد يشير هذا إلى أن الليزر يعمل على الركيزة بدلاً من المصهور.
وقد يحدث تنقية الحبوب نتيجة للتبريد السريع للحوض المنصهر65. وقد أجريت مجموعة أخرى من التجارب حيث تعرضت أسطح صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ (321H و316L) لإشعاع الليزر الموجي المستمر في الغلاف الجوي (الشكل 6) والفراغ (الشكل 7). إن متوسط ​​قوة الليزر (300 وات و100 وات على التوالي) وعمق الحوض المنصهر قريبان من النتائج التجريبية لليزر Nd:YAG في وضع التشغيل الحر. ومع ذلك، لوحظ وجود بنية عمودية نموذجية.
البنية الدقيقة للمنطقة المنصهرة بالليزر في ليزر الموجة المستمرة (قوة ثابتة 300 واط، سرعة مسح 200 مم/ثانية، الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 321H).
(أ) البنية الدقيقة و(ب) صور حيود التشتت الخلفي للإلكترونات للمنطقة المنصهرة بالليزر في الفراغ باستخدام ليزر الموجة المستمرة (قوة ثابتة 100 وات، سرعة مسح 200 مم/ثانية، الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 316L) (\sim 2~\text {mbar}\).
لذلك، فقد تبين بوضوح أن التعديل المعقد لشدة نبضة الليزر له تأثير كبير على البنية الدقيقة الناتجة. ونعتقد أن هذا التأثير ميكانيكي بطبيعته ويحدث بسبب توليد اهتزازات فوق صوتية تنتشر من السطح المشع للصهر عميقًا في العينة. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة في 13 و26 و34 و66 و67 باستخدام محولات كهربائية ضغطية خارجية وأجهزة سونوترودية توفر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة في مواد مختلفة بما في ذلك سبيكة Ti-6Al-4V 26 والفولاذ المقاوم للصدأ 34 نتيجة. ويتم التكهن بالآلية المحتملة على النحو التالي. يمكن أن تسبب الموجات فوق الصوتية المكثفة تجويفًا صوتيًا، كما هو موضح في التصوير بالأشعة السينية السنكروترونية فائقة السرعة في الموقع. ويؤدي انهيار فقاعات التجويف بدوره إلى توليد موجات صدمة في المادة المنصهرة، التي يصل ضغطها الأمامي إلى حوالي \(100~\text {MPa}\)69. وقد تكون موجات الصدمة هذه قوية بما يكفي لتعزيز تكوين نوى الطور الصلب ذات الحجم الحرج في السوائل السائبة، مما يؤدي إلى تعطيل بنية الحبوب العمودية النموذجية للتصنيع الإضافي طبقة تلو الأخرى.
هنا، نقترح آلية أخرى مسؤولة عن التعديل الهيكلي عن طريق الموجات فوق الصوتية المكثفة. بعد التصلب مباشرة، تكون المادة عند درجة حرارة عالية قريبة من نقطة الانصهار ولها إجهاد خضوع منخفض للغاية. يمكن للموجات فوق الصوتية المكثفة أن تسبب تدفقًا بلاستيكيًا لتغيير بنية حبيبات المادة الساخنة المتصلبة للتو. ومع ذلك، تتوفر بيانات تجريبية موثوقة حول اعتماد إجهاد الخضوع على درجة الحرارة عند \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (انظر الشكل 8). لذلك، لاختبار هذه الفرضية، أجرينا عمليات محاكاة ديناميكية جزيئية (MD) لتركيب Fe-Cr-Ni مشابه لفولاذ AISI 316 L من أجل تقييم سلوك إجهاد الخضوع بالقرب من نقطة الانصهار. لحساب إجهاد الخضوع، استخدمنا تقنية استرخاء إجهاد القص MD المفصلة في 70 و71 و72 و73. لحسابات التفاعل بين الذرات، استخدمنا النموذج الذري المضمن (EAM) من 74. تم إجراء عمليات محاكاة MD باستخدام رموز LAMMPS 75،76. سيتم نشر تفاصيل عمليات محاكاة التباين الميكانيكي في مكان آخر. تظهر نتائج حساب التباين الميكانيكي لإجهاد الخضوع كدالة لدرجة الحرارة في الشكل 8 مع البيانات التجريبية المتاحة والتقييمات الأخرى77،78،79،80،81،82.
إجهاد الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من الدرجة 316 AISI وتركيب النموذج مقابل درجة الحرارة لمحاكاة MD. القياسات التجريبية من المراجع: (أ) 77، (ب) 78، (ج) 79، (د) 80، (هـ) 81. راجع. (و) 82 هو نموذج تجريبي لاعتماد إجهاد الخضوع على درجة الحرارة لقياس الإجهاد المباشر أثناء التصنيع الإضافي بمساعدة الليزر. تمت الإشارة إلى نتائج عمليات محاكاة MD واسعة النطاق في هذه الدراسة على أنها \(\vartriangleleft\) لبلورة واحدة لا نهائية خالية من العيوب و\(\vartriangleright\) للحبوب المحدودة مع مراعاة متوسط ​​حجم الحبوب من خلال علاقة هول-بيتش الأبعاد\(d = 50~\upmu \text {m}\).
يمكن ملاحظة أنه عند \(T>1500~\text {K}\) ينخفض ​​إجهاد الخضوع إلى أقل من \(40~\text {MPa}\). ومن ناحية أخرى، تتوقع التقديرات أن سعة الموجات فوق الصوتية المولدة بالليزر تتجاوز \(40~\text {MPa}\) (انظر الشكل 4ب)، وهو ما يكفي لتحفيز التدفق البلاستيكي في المادة الساخنة التي تصلب للتو.
تم التحقيق تجريبيا في تكوين البنية الدقيقة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) أثناء SLM باستخدام مصدر ليزر نبضي معقد معدّل الشدة.
تم العثور على انخفاض في حجم الحبيبات في منطقة ذوبان الليزر بسبب إعادة الصهر المستمر بالليزر بعد 1 أو 3 أو 5 تمريرات.
يُظهر النمذجة العيانية أن الحجم المقدر للمنطقة حيث قد يؤثر التشوه بالموجات فوق الصوتية بشكل إيجابي على جبهة التصلب يصل إلى \(1~\text {mm}\).
يوضح 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 الدقيقة للمواد باستخدام معالجة الليزر المعدلة المعقدة ويمكن أن تكون بمثابة الأساس لإنشاء تعديلات جديدة لتقنية SLM النبضية.
ليو، ي. وآخرون. التطور البنيوي الدقيق والخصائص الميكانيكية لمركبات TiB2/AlSi10Mg في الموقع عن طريق الصهر الانتقائي بالليزر [مجلة].مجلة سبائك.مركب.853، 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
جاو، س. وآخرون. هندسة حدود حبيبات إعادة التبلور للصهر الانتقائي بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ 316L [مجلة]. مجلة ألما ماتر. 200، 366-377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
تشين، إكس. وتشيو، سي. التطوير الموضعي للهياكل الدقيقة الساندويتشية ذات اللدونة المحسنة عن طريق إعادة تسخين سبائك التيتانيوم المنصهرة بالليزر. العلوم. التقرير 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 الدقيقة، والخصائص الميكانيكية. مجلة السبائك. 804، 163-191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
كومارا، سي وآخرون. النمذجة الدقيقة لترسيب الطاقة الموجهة لمسحوق المعدن بالليزر للسبائك 718. إضافة إلى التصنيع. 25، 357-364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
بوسي، م. وآخرون. دراسة التصوير البارامتري لحافة براج للنيوترونات للعينات المصنعة بشكل إضافي والمعالجة بتقنية التكسير بالصدمات بالليزر. مجلة العلوم. 11، 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
تان، إكس وآخرون. البنية الدقيقة المتدرجة والخصائص الميكانيكية لـ Ti-6Al-4V المصنعة بشكل إضافي عن طريق ذوبان حزمة الإلكترونات. مجلة ألما ماتر. 97، 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).