Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan göstərəcəyik.
İstehsal prosesində məhsulların mikrostrukturunu idarə etmək üçün selektiv lazer əritməsinə əsaslanan yeni bir mexanizm təklif olunur. Mexanizm mürəkkəb intensivlik modulyasiyalı lazer şüalanması ilə əridilmiş hovuzda yüksək intensivlikli ultrasəs dalğalarının yaranmasına əsaslanır. Eksperimental tədqiqatlar və ədədi simulyasiyalar göstərir ki, bu idarəetmə mexanizmi texniki cəhətdən mümkündür və müasir selektiv lazer əritmə maşınlarının dizaynına effektiv şəkildə inteqrasiya edilə bilər.
Son onilliklərdə mürəkkəb formalı hissələrin əlavə istehsalı (Əİ) əhəmiyyətli dərəcədə artmışdır. Lakin, selektiv lazer əritməsi (SLM)1,2,3, birbaşa lazer metal çökməsi4,5,6, elektron şüa əriməsi7,8 və digərləri9,10 daxil olmaqla, müxtəlif əlavə istehsal proseslərinə baxmayaraq, hissələr qüsurlu ola bilər. Bu, əsasən yüksək istilik qradiyentləri, yüksək soyutma sürətləri və materialın əridilməsi və yenidən əridilməsində istilik dövrlərinin mürəkkəbliyi ilə əlaqəli əridilmiş hovuzun bərkimə prosesinin spesifik xüsusiyyətləri ilə əlaqədardır 11 ki, bu da epitaksial dənə böyüməsinə və əhəmiyyətli məsaməliliyə səbəb olur. 12,13 göstərdi ki, incə bərabər oxlu dənə strukturlarına nail olmaq üçün istilik qradiyentlərini, soyutma sürətlərini və ərinti tərkibini idarə etmək və ya ultrasəs kimi müxtəlif xüsusiyyətlərə malik xarici sahələr tərəfindən əlavə fiziki zərbələr tətbiq etmək lazımdır.
Çoxsaylı nəşrlər ənənəvi tökmə proseslərində vibrasiya emalının bərkimə prosesinə təsiri ilə bağlıdır14,15. Lakin, toplu əriməyə xarici sahənin tətbiqi istənilən material mikrostrukturunu yaratmır. Maye fazanın həcmi kiçikdirsə, vəziyyət kəskin şəkildə dəyişir. Bu halda, xarici sahə bərkimə prosesinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Güclü səs sahələri16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, qövs qarışdırma28 və salınım29, impulslu plazma qövsləri zamanı elektromaqnit təsirləri30,31 və digər üsullar32 nəzərdən keçirilmişdir. Xarici yüksək intensivlikli ultrasəs mənbəyindən (20 kHz-də) istifadə edərək substrata yapışdırın. Ultrasəslə induksiya edilən dənəvər təmizlənmə, temperatur qradiyentinin azalması və kavitasiya yolu ilə yeni kristallitlər yaratmaq üçün ultrasəs gücləndirilməsi səbəbindən artan konstitutiv subsoyutma zonası ilə əlaqələndirilir.
Bu işdə, ərimiş lazerin özünün yaratdığı səs dalğaları ilə əridilmiş hovuzu ultrasəslə cilalamaqla austenitik paslanmayan poladların dənəvər strukturunun dəyişdirilməsi ehtimalını araşdırdıq. İşığı udma mühitinə düşən lazer şüalanmasının intensivlik modulyasiyası, materialın mikrostrukturunu dəyişdirən ultrasəs dalğalarının yaranmasına səbəb olur. Lazer şüalanmasının bu intensivlik modulyasiyası mövcud SLM 3D printerlərinə asanlıqla inteqrasiya edilə bilər. Bu işdəki təcrübələr səthləri intensivlik modulyasiyalı lazer şüalanmasına məruz qalan paslanmayan polad lövhələrdə aparılmışdır. Beləliklə, texniki olaraq lazer səthi emalı aparılır. Lakin, belə bir lazer emalı hər təbəqənin səthində, təbəqə-təbəqə qurulma zamanı aparılarsa, bütün həcmə və ya həcmin seçilmiş hissələrinə təsirlər əldə edilir. Başqa sözlə, hissə təbəqə-təbəqə qurularsa, hər təbəqənin lazer səthi emalı "lazer həcm emalı"na bərabərdir.
Ultrasəs buynuz əsaslı ultrasəs terapiyasında isə, dayanan səs dalğasının ultrasəs enerjisi komponent boyunca paylanır, lazerlə induksiya edilən ultrasəs intensivliyi isə lazer şüalanmasının udulduğu nöqtəyə yaxın yüksək dərəcədə cəmlənir. SLM toz yatağı əritmə maşınında sonotroddan istifadə etmək mürəkkəbdir, çünki lazer şüalanmasına məruz qalan toz yatağının üst səthi hərəkətsiz qalmalıdır. Bundan əlavə, hissənin üst səthində mexaniki gərginlik yoxdur. Buna görə də, akustik gərginlik sıfıra yaxındır və hissəcik sürəti hissənin bütün üst səthi üzərində maksimum amplituda malikdir. Bütün əridilmiş hovuzun içərisindəki səs təzyiqi qaynaq başlığı tərəfindən yaradılan maksimum təzyiqin 0,1%-ni keçə bilməz, çünki paslanmayan poladda 20 kHz tezliyə malik ultrasəs dalğalarının dalğa uzunluğu 0,3 m²-dir və dərinlik adətən 0,3 m²-dən azdır. Buna görə də, ultrasəsin kavitasiyaya təsiri az ola bilər.
Qeyd etmək lazımdır ki, birbaşa lazer metal çökdürməsində intensivlik modulyasiyalı lazer şüalanmasının istifadəsi tədqiqatın aktiv sahəsidir35,36,37,38.
Lazer şüalanmasının mühitə düşən istilik effektləri, demək olar ki, bütün material emalı lazer üsullarının 39, 40, məsələn, kəsmə 41, qaynaq, sərtləşdirmə, qazma 42, səthin təmizlənməsi, səthin ərintilənməsi, səthin cilalanması 43 və s. üçün əsasdır və bir çox icmal və monoqrafiyalarda 44, 45, 46 ilkin nəticələr ümumiləşdirilmişdir.
Qeyd etmək lazımdır ki, mühitə hər hansı qeyri-stasionar təsir, o cümlədən udma mühitinə uzunmüddətli təsir, orada akustik dalğaların az və ya çox səmərəliliklə oyanmasına səbəb olur. Əvvəlcə əsas diqqət mayelərdə dalğaların lazerlə oyanmasına və səsin müxtəlif istilik oyanma mexanizmlərinə (istilik genişlənməsi, buxarlanma, faza keçidi zamanı həcm dəyişikliyi, daralma və s.) yönəlmişdi. 47, 48, 49. Çoxsaylı monoqrafiyalarda 50, 51, 52 bu prosesin və onun mümkün praktik tətbiqlərinin nəzəri təhlilləri verilmişdir.
Bu məsələlər sonradan müxtəlif konfranslarda müzakirə edildi və ultrasəsin lazerlə stimullaşdırılması həm lazer texnologiyasının sənaye tətbiqlərində, həm də tibbdə tətbiq olunur53. Buna görə də, impulslu lazer işığının udma mühitinə təsir etmə prosesinin əsas konsepsiyasının müəyyən edildiyini düşünmək olar55,56. Lazer ultrasəs müayinəsi SLM tərəfindən istehsal olunmuş nümunələrin qüsurlarının aşkarlanması üçün istifadə olunur55,56.
Lazerlə yaradılan şok dalğalarının materiallara təsiri, əlavə olaraq istehsal olunan hissələrin səthinin işlənməsi üçün də istifadə olunan lazer şokunun deşilməsinin57,58,59 əsasını təşkil edir60. Bununla belə, lazer şokunun gücləndirilməsi nanosaniyə lazer impulslarında və mexaniki yüklənmiş səthlərdə (məsələn, maye təbəqəsi ilə)59 ən təsirli olur, çünki mexaniki yükləmə pik təzyiqi artırır.
Müxtəlif fiziki sahələrin bərkimiş materialların mikrostrukturuna mümkün təsirlərini araşdırmaq üçün təcrübələr aparılmışdır. Təcrübə qurğusunun funksional diaqramı Şəkil 1-də göstərilmişdir. Sərbəst işləmə rejimində işləyən impulslu Nd:YAG bərk hal lazeri (impuls müddəti \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) istifadə edilmişdir. Hər bir lazer impulsu bir sıra neytral sıxlıq filtrlərindən və şüa bölücü lövhə sistemindən keçirilir. Neytral sıxlıq filtrlərinin kombinasiyasından asılı olaraq, hədəfdəki impuls enerjisi \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ilə \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) arasında dəyişir. Şüa bölücüsündən əks olunan lazer şüası eyni vaxtda məlumat əldə etmək üçün fotodiodla ötürülür və hədəfə düşən və ondan əks olunanı təyin etmək üçün iki kalorimetr (uzun cavab müddəti \(1~\text {ms}\)-dən çox olan fotodiodlar) və iki güc ölçən cihaz (qısa cavablı fotodiodlar) istifadə olunur. Düşən və əks olunan optik gücü təyin etmək üçün dəfə(<10~\text {ns}\)) istifadə edildi. Kalorimetrlər və güc ölçənləri termopil detektoru Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 və nümunə yerinə quraşdırılmış dielektrik güzgü istifadə edərək mütləq vahidlərdə dəyərlər vermək üçün kalibrləndi. Şüanı hədəfə linza (əks etdirmə örtüyü 1.06 m-də), fokus məsafəsi 160 mm-də) və hədəf səthində şüa beli 60–100 m-də istifadə edərək fokuslayın.
Təcrübə qurğusunun funksional sxematik diaqramı: 1—lazer; 2—lazer şüası; 3—neytral sıxlıq filtri; 4—sinxronlaşdırılmış fotodiod; 5—şüa bölücü; 6—diafraqma; 7—düşən şüanın kalorimetri; 8—əks olunmuş şüanın kalorimetri; 9—düşən şüa güc ölçən cihaz; 10—əks olunmuş şüa güc ölçən cihaz; 11—fokuslama linzası; 12—güzgü; 13—nümunə; 14—genişzolaqlı pyezoelektrik çevirici; 15—2D çevirici; 16—yerləşdirmə mikrokontrolleri; 17—sinxronizasiya qurğusu; 18—müxtəlif nümunə götürmə sürətlərinə malik çoxkanallı rəqəmsal toplama sistemi; 19—fərdi kompüter.
Ultrasəs müalicəsi aşağıdakı kimi aparılır. Lazer sərbəst işləmə rejimində işləyir; buna görə də lazer impulsunun müddəti təxminən 1,5 MHz olan çoxsaylı müddətlərdən ibarət olan 150 mq-dır. Lazer impulsunun və onun spektrinin zaman forması, Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, orta tezliyi təxminən 0,7 MHz olan aşağı tezlikli zərfdən və yüksək tezlikli modulyasiyadan ibarətdir. Tezlik zərfi materialın qızmasını və sonrakı əriməsini və buxarlanmasını təmin edir, yüksək tezlikli komponent isə fotoakustik effektə görə ultrasəs titrəmələrini təmin edir. Lazer tərəfindən yaradılan ultrasəs impulsunun dalğa forması əsasən lazer impulsunun intensivliyinin zaman forması ilə müəyyən edilir. Bu, \(7~\text {kHz}\) ilə \(2~\text {MHz}\) arasında dəyişir və mərkəzi tezlik \(~ 0.7~\text {MHz}\)-dir. Fotoakustik effektə görə akustik impulslar poliviniliden flüorid filmlərindən hazırlanmış genişzolaqlı pyezoelektrik çeviricilər istifadə edilərək qeydə alınıb. Qeydə alınmış dalğa forması və onun spektri Şəkil 2-də göstərilib. Qeyd etmək lazımdır ki, lazer impulslarının forması sərbəst işləyən rejimli lazer üçün tipikdir.
Nümunənin arxa səthində lazer impuls intensivliyinin (a) və səs sürətinin (b) zaman paylanması, tək lazer impulsunun (c) və ultrasəs impulsunun (d) spektrlərinin (mavi əyri) orta hesabla 300 lazer impulsundan çox olması (qırmızı əyri).
Lazer impulsunun aşağı tezlikli zərfinə və yüksək tezlikli modulyasiyaya uyğun olaraq akustik emalın aşağı tezlikli və yüksək tezlikli komponentlərini aydın şəkildə ayırd edə bilərik. Lazer impuls zərfinin yaratdığı akustik dalğaların dalğa uzunluqları \(40~\mətn {sm}}-dən çoxdur; buna görə də, akustik siqnalın genişzolaqlı yüksək tezlikli komponentlərinin mikrostruktur üzərində əsas təsiri gözlənilir.
SLM-də fiziki proseslər mürəkkəbdir və eyni zamanda müxtəlif məkan və zaman miqyaslarında baş verir. Buna görə də, SLM-in nəzəri təhlili üçün çoxmiqyaslı metodlar ən uyğundur. Riyazi modellər əvvəlcə çoxfiziki olmalıdır. Daha sonra inert qaz atmosferi ilə qarşılıqlı təsir göstərən çoxfazalı mühitin "bərk-maye əriməsi"nin mexanikası və termofizikası effektiv şəkildə təsvir edilə bilər. SLM-də material istilik yüklərinin xüsusiyyətləri aşağıdakılardır.
Lokal lazer şüalanması səbəbindən istilik və soyutma sürətləri \(10^{13}~\text {W} sm}^2\)-ə qədər güc sıxlığı ilə \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{-ə qədər.
Ərimə-bərkimə dövrü 1 ilə 10 ms arasında davam edir və bu da soyuma zamanı ərimə zonasının sürətli bərkiməsinə kömək edir.
Nümunə səthinin sürətli qızması səth təbəqəsində yüksək termoelastik gərginliklərin əmələ gəlməsinə səbəb olur. Toz təbəqəsinin kifayət qədər (20%-ə qədər) hissəsi güclü şəkildə buxarlanır63 ki, bu da lazer ablasiyasına cavab olaraq səthdə əlavə təzyiq yükü yaradır. Nəticədə, induksiya olunmuş deformasiya hissənin həndəsəsini, xüsusən də yaxın dayaqlarda və nazik struktur elementlərdə əhəmiyyətli dərəcədə təhrif edir. İmpulslu lazer tavlamasında yüksək qızdırma sürəti səthdən substrata yayılan ultrasəs deformasiya dalğalarının yaranmasına səbəb olur. Yerli gərginlik və deformasiya paylanması haqqında dəqiq kəmiyyət məlumatları əldə etmək üçün istilik və kütlə ötürülməsi ilə əlaqəli elastik deformasiya probleminin mezoskopik simulyasiyası aparılır.
Modelin idarəedici tənliklərinə (1) istilik keçiriciliyinin faza vəziyyətindən (toz, ərimə, polikristal) və temperaturdan asılı olduğu qeyri-sabit istilik ötürmə tənlikləri, (2) davamlı ablyasiyadan sonra elastik deformasiyadakı dalğalanmalar və termoelastik genişlənmə tənliyi daxildir. Sərhəd dəyəri problemi eksperimental şərtlərlə müəyyən edilir. Modulyasiya olunmuş lazer axını nümunə səthində müəyyən edilir. Konvektiv soyutma keçirici istilik mübadiləsini və buxarlanma axınını əhatə edir. Kütlə axını buxarlanan materialın doymuş buxar təzyiqinin hesablanması əsasında müəyyən edilir. Termoelastik gərginliyin temperatur fərqi ilə mütənasib olduğu elastoplastik gərginlik-deformasiya əlaqəsi istifadə olunur. Effektiv şüa diametrinin nominal gücü \(300~\text {W}\), tezlik \(10^5~\text {Hz}\), fasiləli əmsal 100 və \(200~\upmu \text {m}\) üçün.
Şəkil 3, makroskopik riyazi modeldən istifadə edərək əridilmiş zonanın ədədi simulyasiyasının nəticələrini göstərir. Ərimə zonasının diametri 200-300 km (radius 100 km) və dərinliyi 40 km-dir. Simulyasiya nəticələri göstərir ki, impuls modulyasiyasının yüksək fasiləli faktoruna görə səth temperaturu lokal olaraq zamanla 100-300 km (K) dəyişir. Qızdırma və soyutma sürətləri müvafiq olaraq 107 km (107 km) və 106 km (K)/s) arasındadır. Bu dəyərlər əvvəlki təhlilimizlə yaxşı uyğun gəlir. 107 km (V km) və 106 km (V km) arasındakı böyüklük fərqi səth təbəqəsinin sürətlə həddindən artıq istiləşməsinə səbəb olur, burada substrata istilik keçiriciliyi istiliyi aradan qaldırmaq üçün kifayət deyil. Buna görə də, 107 km (t=26 km) olduqda... Səth temperaturu pik həddə çatdıqda pik həddə çatır (4800~\text {K}). Materialın güclü buxarlanması nümunə səthinin həddindən artıq təzyiqə məruz qalmasına və qopmasına səbəb ola bilər.
316L nümunə lövhəsində tək lazer impulslu tavlamanın ərimə zonasının ədədi simulyasiya nəticələri. İmpulsun başlanğıcından əridilmiş hovuzun dərinliyinə qədər olan müddət maksimum dəyərə çatana qədər \(180~\upmu\text {s}\)-dir. İzoterm \(T = T_L = 1723~\text {K}\) maye və bərk fazalar arasındakı sərhədi təmsil edir. İzobarlar (sarı xətlər) növbəti hissədə temperaturun funksiyası kimi hesablanmış axıcılıq gərginliyinə uyğundur. Buna görə də, iki izolyator arasındakı sahədə (izotermlər \(T=T_L\) və izobarlar \(sigma =\sigma _V(T)\)) bərk faza güclü mexaniki yüklərə məruz qalır ki, bu da mikrostrukturda dəyişikliklərə səbəb ola bilər.
Bu təsir Şəkil 4a-da daha ətraflı izah olunur, burada əridilmiş zonadakı təzyiq səviyyəsi zaman və səthdən məsafənin funksiyası kimi qrafik şəklində göstərilir. Birincisi, təzyiq davranışı yuxarıdakı Şəkil 2-də təsvir edilən lazer impuls intensivliyinin modulyasiyası ilə əlaqədardır. Təxminən 10 MPa maksimum təzyiq təxminən 26 m³-də müşahidə edilmişdir. İkincisi, nəzarət nöqtəsində yerli təzyiqin dalğalanması 500 kHz tezliyi ilə eyni rəqs xüsusiyyətlərinə malikdir. Bu o deməkdir ki, ultrasəs təzyiq dalğaları səthdə yaranır və sonra substrata yayılır.
Ərimə zonasına yaxın deformasiya zonasının hesablanmış xüsusiyyətləri Şəkil 4b-də göstərilmişdir. Lazer ablasiyası və termoelastik gərginlik substrata yayılan elastik deformasiya dalğaları yaradır. Şəkildən göründüyü kimi, gərginliyin yaranmasının iki mərhələsi var. t < 40~\upmu \text {s}\-nin birinci mərhələsində Mises gərginliyi səth təzyiqinə bənzər modulyasiya ilə 8~\text {MPa}\-yə qədər yüksəlir. Bu gərginlik lazer ablasiyası səbəbindən baş verir və ilkin istilik təsir zonası çox kiçik olduğundan nəzarət nöqtələrində heç bir termoelastik gərginlik müşahidə edilməmişdir. İstilik substrata yayıldıqda, nəzarət nöqtəsi 40~\text {MPa}\-dən yuxarı yüksək termoelastik gərginlik yaradır.
Əldə edilən modulyasiya edilmiş gərginlik səviyyələri bərk-maye sərhədinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir və bərkimə yolunu idarə edən idarəetmə mexanizmi ola bilər. Deformasiya zonasının ölçüsü ərimə zonasının ölçüsündən 2-3 dəfə böyükdür. Şəkil 3-də göstərildiyi kimi, ərimə izoterminin yeri və çıxım gərginliyinə bərabər olan gərginlik səviyyəsi müqayisə edilir. Bu o deməkdir ki, impulslu lazer şüalanması ani vaxtdan asılı olaraq 300 ilə 800 m arasında effektiv diametrə malik lokal sahələrdə yüksək mexaniki yüklər təmin edir.
Buna görə də, impulslu lazer tavlamasının mürəkkəb modulyasiyası ultrasəs effektinə gətirib çıxarır. Mikrostruktur seçim yolu ultrasəs yükü olmayan SLM ilə müqayisədə fərqlidir. Deformasiyaya uğramış qeyri-sabit bölgələr bərk fazada dövri sıxılma və dartılma dövrlərinə səbəb olur. Beləliklə, yeni dənə sərhədlərinin və alt dənə sərhədlərinin əmələ gəlməsi mümkün olur. Buna görə də, aşağıda göstərildiyi kimi, mikrostruktur xüsusiyyətləri qəsdən dəyişdirilə bilər. Əldə edilən nəticələr impuls modulyasiyası ilə induksiya edilmiş ultrasəslə idarə olunan SLM prototipini dizayn etmək imkanı verir. Bu halda, başqa yerdə istifadə edilən pyezoelektrik induktor 26 istisna edilə bilər.
(a) Simmetriya oxu boyunca 0, 20 və 40 m/dərəcəli səthdən müxtəlif məsafələrdə hesablanmış zaman funksiyası kimi təzyiq.(b) Zamandan asılı Von Nümunə səthindən 70, 120 və 170 m/dərəcəli məsafələrdə bərk matrisdə hesablanmış gərginlik.
Təcrübələr AISI 321H paslanmayan polad lövhələr üzərində aparılmışdır. Hər lazer impulsundan sonra lövhə 50 m hərəkət edir və hədəf səthindəki lazer şüasının uzunluğu təxminən 100 m-dir. Emal olunmuş materialın dənəvər təmizlənməsi üçün təkrar əridilməsinə səbəb olmaq üçün eyni yol boyunca beşə qədər şüa keçidi həyata keçirilir. Bütün hallarda, lazer şüalanmasının salınım komponentindən asılı olaraq, təkrar əridilmiş zona ultrasəslə işlənmişdir. Bu, orta dənəvər sahəsinin 5 dəfədən çox azalmasına səbəb olur. Şəkil 5, lazerlə əridilmiş bölgənin mikrostrukturunun sonrakı təkrar əridmə dövrlərinin (keçidlərinin) sayı ilə necə dəyişdiyini göstərir.
Alt qrafiklər (a,d,g,j) və (b,e,h,k) – lazerlə əridilmiş bölgələrin mikrostrukturu, alt qrafiklər (c,f,i,l) – rəngli dənələrin sahə paylanması. Kölgələndirmə histoqramı hesablamaq üçün istifadə olunan hissəcikləri təmsil edir. Rənglər dənə bölgələrinə uyğundur (histoqramın yuxarısındakı rəng zolağına baxın. Alt qrafiklər (ac) emal olunmamış paslanmayan polada, alt qrafiklər (df), (gi), (jl) isə 1, 3 və 5 təkrar əriməyə uyğundur.
Lazer impuls enerjisi sonrakı keçidlər arasında dəyişmədiyindən, ərimiş zonanın dərinliyi eynidir. Beləliklə, sonrakı kanal əvvəlkini tamamilə "örtür". Lakin histoqram göstərir ki, orta və median dənə sahəsi keçidlərin sayının artması ilə azalır. Bu, lazerin əriməyə deyil, substrata təsir etdiyini göstərə bilər.
Dənəciklərin təmizlənməsi əridilmiş hovuzun sürətlə soyuması nəticəsində yarana bilər65. Paslanmayan polad lövhələrin (321H və 316L) səthlərinin atmosferdə (Şəkil 6) və vakuumda (Şəkil 7) davamlı dalğa lazer şüalanmasına məruz qaldığı başqa bir təcrübə dəsti aparılmışdır. Orta lazer gücü (müvafiq olaraq 300 Vt və 100 Vt) və əridilmiş hovuzun dərinliyi sərbəst işləmə rejimində Nd:YAG lazerinin eksperimental nəticələrinə yaxındır. Lakin, tipik sütunlu struktur müşahidə edilmişdir.
Davamlı dalğa lazerinin lazerlə əridilmiş bölgəsinin mikrostrukturu (300 Vt sabit güc, 200 mm/s skan sürəti, AISI 321H paslanmayan polad).
(a) Vakuum fasiləsiz dalğa lazerinin (sabit güc 100 Vt, skanlama sürəti 200 mm/s, AISI 316L paslanmayan polad) lazer ərimə zonasının mikrostrukturu və (b) elektron arxa səpələnmə difraksiya təsviri \ (\sim 2~\text {mbar}\).
Buna görə də, lazer impuls intensivliyinin mürəkkəb modulyasiyasının yaranan mikrostruktura əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərdiyi açıq şəkildə göstərilir. Biz inanırıq ki, bu təsir mexaniki təbiətlidir və ərimənin şüalanmış səthindən nümunənin dərinliyinə yayılan ultrasəs vibrasiyalarının yaranması səbəbindən baş verir. Oxşar nəticələr 13, 26, 34, 66, 67-də Ti-6Al-4V ərintisi 26 və paslanmayan polad 34 daxil olmaqla müxtəlif materiallarda yüksək intensivlikli ultrasəs təmin edən xarici pyezoelektrik çeviricilər və sonotrodlardan istifadə etməklə əldə edilmişdir. Mümkün mexanizm aşağıdakı kimi fərziyyə edilir. Güclü ultrasəs ultrasürətli in situ sinxrotron rentgen görüntüləməsində göstərildiyi kimi, akustik kavitasiyaya səbəb ola bilər. Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi öz növbəsində əridilmiş materialda ön təzyiqi təxminən 100-169 sm-ə çatan şok dalğaları yaradır. Bu cür şok dalğaları toplu mayelərdə kritik ölçülü bərk fazalı nüvələrin əmələ gəlməsini təşviq etmək üçün kifayət qədər güclü ola bilər və tipik sütunlu dənə strukturunu pozur. qat-qat qatqı istehsalı.
Burada intensiv sonikasiya ilə struktur modifikasiyasından məsul olan başqa bir mexanizm təklif edirik. Bərkidilmədən dərhal sonra material ərimə nöqtəsinə yaxın yüksək temperaturda olur və olduqca aşağı məhsuldarlıq gərginliyinə malikdir. Güclü ultrasəs dalğaları plastik axınının yeni bərkimiş isti materialın dənəcik strukturunu dəyişdirməsinə səbəb ola bilər. Bununla belə, məhsuldarlıq gərginliyinin temperaturdan asılılığı haqqında etibarlı eksperimental məlumatlar \(T\lessim 1150~\text {K}\) ünvanında mövcuddur (Şəkil 8-ə baxın). Buna görə də, hipotezi yoxlamaq üçün ərimə nöqtəsinə yaxın məhsuldarlıq gərginliyinin davranışını qiymətləndirmək üçün AISI 316 L poladına bənzər Fe-Cr-Ni tərkibinin molekulyar dinamika (MD) simulyasiyalarını apardıq. Məhsuldarlıq gərginliyini hesablamaq üçün 70, 71, 72, 73-cü maddələrdə ətraflı təsvir edilmiş MD kəsmə gərginliyinin relaksasiya texnikasından istifadə etdik. Atomlararası qarşılıqlı təsir hesablamaları üçün 74-cü maddədən Yerləşdirilmiş Atom Modelindən (EAM) istifadə etdik. MD simulyasiyaları LAMMPS kodları 75,76 istifadə edilərək aparıldı. MD simulyasiyasının təfərrüatları başqa yerdə dərc olunacaq. Məhsuldarlığın MD hesablama nəticələri Temperaturun funksiyası kimi gərginlik mövcud eksperimental məlumatlar və digər qiymətləndirmələrlə birlikdə Şəkil 8-də göstərilmişdir77,78,79,80,81,82.
AISI dərəcəli 316 austenitik paslanmayan polad üçün məhsuldarlıq gərginliyi və MD simulyasiyaları üçün model tərkibinin temperatura qarşı təsiri. İstinadlardan eksperimental ölçmələr: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. istinad edin. (f)82 lazerlə dəstəklənən aşqar istehsalı zamanı xətt içi stress ölçməsi üçün məhsuldarlıq gərginliyi-temperatur asılılığının empirik modelidir. Bu tədqiqatdakı genişmiqyaslı MD simulyasiya nəticələri, qüsursuz sonsuz tək kristal üçün \(\vartriangleft\) və Hall-Petch əlaqəsi Ölçüləri \(d = 50~\upmu \text {m}\) vasitəsilə orta dənə ölçüsü nəzərə alınmaqla sonlu dənəciklər üçün \(\vartriangleright\) kimi işarələnir.
Göründüyü kimi, \(T>1500~\text {K}\)-də axıcılıq gərginliyi \(40~\text {MPa}\-dən aşağı düşür. Digər tərəfdən, hesablamalar lazerlə yaradılan ultrasəs amplitudasının \(40~\text {MPa}\)-dən çox olduğunu (Şəkil 4b-yə baxın) proqnozlaşdırır ki, bu da təzə bərkimiş isti materialda plastik axını yaratmaq üçün kifayətdir.
SLM zamanı 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitik paslanmayan poladın mikrostruktur əmələ gəlməsi mürəkkəb intensivlik modulyasiyalı impulslu lazer mənbəyindən istifadə etməklə eksperimental olaraq araşdırılmışdır.
1, 3 və ya 5 keçiddən sonra davamlı lazer təkrar əriməsi səbəbindən lazer ərimə zonasında dənə ölçüsünün azalması aşkar edilmişdir.
Makroskopik modelləşdirmə göstərir ki, ultrasəs deformasiyasının bərkimə cəbhəsinə müsbət təsir göstərə biləcəyi bölgənin təxmin edilən ölçüsü \(1~\text {mm}\)-ə qədərdir.
Mikroskopik MD modeli göstərir ki, AISI 316 austenitik paslanmayan poladın ərimə nöqtəsinə yaxın məsamə möhkəmliyi əhəmiyyətli dərəcədə \(40~\text {MPa}\)-ə qədər azalır.
Əldə edilən nəticələr, mürəkkəb modulyasiya edilmiş lazer emalından istifadə edərək materialların mikrostrukturuna nəzarət etmək üçün bir üsul təklif edir və impulslu SLM texnikasının yeni modifikasiyalarının yaradılması üçün əsas ola bilər.
Liu, Y. və b. Lazer selektiv əritmə yolu ilə yerində TiB2/AlSi10Mg kompozitlərinin mikrostruktur təkamülü və mexaniki xüsusiyyətləri [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. və b. 316L paslanmayan poladın lazerlə selektiv əridilməsinin yenidən kristallaşma dənəcik sərhəd mühəndisliyi [J]. Alma Mater jurnalı. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. və Qiu, C. Lazerlə əridilmiş titan ərintilərinin lazerlə yenidən qızdırılması ilə gücləndirilmiş elastikliyə malik sendviç mikrostrukturlarının yerində inkişafı.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. və b. Lazer metal çökdürmə (LMD) yolu ilə Ti-6Al-4V hissələrinin əlavə istehsalı: proses, mikrostruktur və mexaniki xüsusiyyətlər. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. və b. 718 ərintisinin lazer metal tozuna yönəlmiş enerji çökməsinin mikrostruktur modelləşdirilməsi. İstehsala əlavə et.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. və digərləri. Lazer Şoku ilə İşlənmiş Əlavə İstehsal Edilmiş Nümunələrin Parametrik Neytron Bragg Kənar Görüntüləmə Tədqiqi.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. və b. Elektron şüa əritməsi ilə əlavə olaraq istehsal edilən Ti-6Al-4V-nin qradiyent mikrostrukturu və mexaniki xüsusiyyətləri. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).