Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth gyfyngedig ar gyfer CSS. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n diffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn arddangos y wefan heb steilio a JavaScript.
Cynigir mecanwaith newydd yn seiliedig ar doddi laser dethol i reoli microstrwythur cynhyrchion yn y broses weithgynhyrchu. Mae'r mecanwaith yn dibynnu ar gynhyrchu tonnau uwchsonig dwyster uchel yn y pwll tawdd trwy arbelydru laser cymhleth wedi'i fodiwleiddio â dwyster. Mae astudiaethau arbrofol ac efelychiadau rhifiadol yn dangos bod y mecanwaith rheoli hwn yn dechnegol ymarferol a gellir ei integreiddio'n effeithiol i ddyluniad peiriannau toddi laser dethol modern.
Mae gweithgynhyrchu ychwanegol (AM) rhannau cymhleth eu siâp wedi tyfu'n sylweddol yn ystod y degawdau diwethaf. Fodd bynnag, er gwaethaf yr amrywiaeth o brosesau gweithgynhyrchu ychwanegol, gan gynnwys toddi laser dethol (SLM)1,2,3, dyddodiad metel laser uniongyrchol4,5,6, toddi trawst electron7,8 ac eraill9,10, gall y Rhannau fod yn ddiffygiol. Mae hyn yn bennaf oherwydd nodweddion penodol y broses solidio pwll tawdd sy'n gysylltiedig â graddiannau thermol uchel, cyfraddau oeri uchel, a chymhlethdod cylchoedd gwresogi mewn deunyddiau toddi ac aildoddi11, sy'n arwain at dwf grawn epitacsial a mandylledd sylweddol12,13. Mae'r canlyniadau'n dangos ei bod yn angenrheidiol rheoli graddiannau thermol, cyfraddau oeri, a chyfansoddiad aloi, neu gymhwyso siociau ffisegol ychwanegol trwy feysydd allanol o wahanol briodweddau (e.e. uwchsain) i gyflawni strwythurau grawn cyfartal mân.
Mae nifer o gyhoeddiadau'n ymwneud ag effaith triniaeth dirgryniad ar y broses galedu mewn prosesau castio confensiynol14,15.Fodd bynnag, nid yw rhoi maes allanol ar doddi swmp yn cynhyrchu'r microstrwythur deunydd a ddymunir.Os yw cyfaint y cyfnod hylif yn fach, mae'r sefyllfa'n newid yn ddramatig.Yn yr achos hwn, mae'r maes allanol yn effeithio'n sylweddol ar y broses galedu.Ystyriwyd effeithiau electromagnetig yn ystod meysydd acwstig dwys16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, cymysgu arc28 ac osgiliad29, arcau plasma pwls30,31 a dulliau eraill32.Ymlynwch â'r swbstrad gan ddefnyddio ffynhonnell uwchsain dwyster uchel allanol (ar 20 kHz).Priodolir y mireinio grawn a achosir gan uwchsain i'r parth is-oeri cyfansoddiadol cynyddol oherwydd y graddiant tymheredd is a'r gwelliant uwchsain i gynhyrchu crisialau newydd trwy geudod.
Yn y gwaith hwn, fe wnaethom ymchwilio i'r posibilrwydd o newid strwythur grawn dur gwrthstaen austenitig trwy soniceiddio'r pwll tawdd gyda thonnau sain a gynhyrchir gan y laser toddi ei hun. Mae modiwleiddio dwyster yr ymbelydredd laser sy'n digwydd ar y cyfrwng sy'n amsugno golau yn arwain at gynhyrchu tonnau uwchsain, sy'n newid microstrwythur y deunydd. Gellir integreiddio'r modiwleiddio dwyster hwn o ymbelydredd laser yn hawdd i argraffwyr 3D SLM presennol. Perfformiwyd yr arbrofion yn y gwaith hwn ar blatiau dur gwrthstaen y bu eu harwynebau'n agored i ymbelydredd laser wedi'i fodiwleiddio â dwyster. Felly, yn dechnegol, gwneir triniaeth arwyneb laser. Fodd bynnag, os perfformir triniaeth laser o'r fath ar wyneb pob haen, yn ystod adeiladu haen wrth haen, cyflawnir effeithiau ar y gyfaint gyfan neu ar rannau dethol o'r gyfaint. Mewn geiriau eraill, os yw'r rhan wedi'i hadeiladu haen wrth haen, mae triniaeth arwyneb laser pob haen yn gyfwerth â "thriniaeth cyfaint laser".
Tra mewn therapi uwchsonig sy'n seiliedig ar gorn uwchsonig, mae egni uwchsonig y don sain sefydlog wedi'i ddosbarthu ledled y gydran, tra bod y dwyster uwchsonig a achosir gan laser wedi'i grynhoi'n fawr ger y pwynt lle mae'r ymbelydredd laser yn cael ei amsugno. Mae defnyddio sonotrode mewn peiriant asio gwely powdr SLM yn gymhleth oherwydd dylai wyneb uchaf y gwely powdr sy'n agored i'r ymbelydredd laser aros yn llonydd. Yn ogystal, nid oes straen mecanyddol ar wyneb uchaf y rhan. Felly, mae'r straen acwstig yn agos at sero ac mae gan gyflymder y gronynnau osgled uchaf dros wyneb uchaf cyfan y rhan. Ni all y pwysau sain y tu mewn i'r pwll tawdd cyfan fod yn fwy na 0.1% o'r pwysau uchaf a gynhyrchir gan y pen weldio, oherwydd bod tonfedd tonnau uwchsonig gydag amledd o 20 kHz mewn dur di-staen yn \(\sim 0.3~\text {m}\), ac mae'r dyfnder fel arfer yn llai na \(\sim 0.3~\text {mm}\). Felly, gall effaith uwchsain ar geudod fod yn fach.
Dylid nodi bod defnyddio ymbelydredd laser wedi'i fodiwleiddio â dwyster mewn dyddodiad metel laser uniongyrchol yn faes ymchwil gweithredol35,36,37,38.
Effaith thermol ymbelydredd laser sy'n digwydd i'r cyfrwng yw sail bron pob techneg laser 39, 40 ar gyfer prosesu deunyddiau, megis torri41, weldio, caledu, drilio42, glanhau arwynebau, aloi arwynebau, caboli arwynebau43, ac ati. Ysgogodd dyfeisio'r laser ddatblygiadau newydd mewn technegau prosesu deunyddiau, ac mae canlyniadau rhagarweiniol wedi'u crynhoi mewn nifer o adolygiadau a monograffau44,45,46.
Dylid nodi bod unrhyw weithred ansefydlog ar y cyfrwng, gan gynnwys gweithred laserio ar y cyfrwng amsugnol, yn arwain at gyffroi tonnau acwstig ynddo gyda mwy neu lai o effeithlonrwydd. I ddechrau, y prif ffocws oedd cyffroi tonnau mewn hylifau â laser a'r gwahanol fecanweithiau cyffroi thermol ar gyfer sain (ehangu thermol, anweddu, newid cyfaint yn ystod y cyfnod pontio, crebachu, ac ati) 47, 48, 49. Mae nifer o fonograffau 50, 51, 52 yn darparu dadansoddiadau damcaniaethol o'r broses hon a'i chymwysiadau ymarferol posibl.
Trafodwyd y materion hyn wedi hynny mewn amrywiol gynadleddau, ac mae gan gyffroi laser uwchsain gymwysiadau mewn cymwysiadau diwydiannol technoleg laser53 a meddygaeth54. Felly, gellir ystyried bod y cysyniad sylfaenol o'r broses lle mae golau laser pwls yn gweithredu ar gyfrwng amsugnol wedi'i sefydlu. Defnyddir archwiliad uwchsain laser ar gyfer canfod diffygion samplau a weithgynhyrchir gan SLM55,56.
Effaith tonnau sioc a gynhyrchir gan laser ar ddeunyddiau yw sail peening sioc laser57,58,59, a ddefnyddir hefyd ar gyfer trin wyneb rhannau a weithgynhyrchir yn ychwanegol60. Fodd bynnag, mae cryfhau sioc laser yn fwyaf effeithiol ar bylsau laser nanoeiliad ac arwynebau sydd wedi'u llwytho'n fecanyddol (e.e., gyda haen o hylif)59 oherwydd bod llwytho mecanyddol yn cynyddu'r pwysau brig.
Cynhaliwyd arbrofion i ymchwilio i effeithiau posibl gwahanol feysydd ffisegol ar ficrostrwythur deunyddiau wedi'u solidio. Dangosir y diagram swyddogaethol o'r gosodiad arbrofol yn Ffigur 1. Defnyddiwyd laser cyflwr solid Nd:YAG pwlsedig yn gweithredu mewn modd rhedeg rhydd (hyd y pwls \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Mae pob pwls laser yn cael ei basio trwy gyfres o hidlwyr dwysedd niwtral a system plât hollti trawst. Yn dibynnu ar y cyfuniad o hidlwyr dwysedd niwtral, mae egni'r pwls ar y targed yn amrywio o \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) i \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Mae'r trawst laser sy'n adlewyrchu o'r holltwr trawst yn cael ei fwydo i ffotodiod ar gyfer caffael data ar yr un pryd, a defnyddir dau galorimedr (ffotodiodau gydag amser ymateb hir sy'n fwy na \(1~\text {ms}\)) i bennu'r digwyddiad i'r targed ac a adlewyrchir ohono, a dau fesurydd pŵer (ffotodiodau gydag ymateb byr times\(<10~\text {ns}\)) i bennu pŵer optegol digwyddiadol ac adlewyrchol. Calibrawyd calorimedrau a mesuryddion pŵer i roi gwerthoedd mewn unedau absoliwt gan ddefnyddio synhwyrydd thermopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 a drych dielectrig wedi'i osod yn lleoliad y sampl. Canolbwyntiwch y trawst ar y targed gan ddefnyddio lens (gorchudd gwrth-adlewyrchol ar \(1.06 \upmu \text {m}\), hyd ffocal \(160~\text {mm}\)) a gwasg trawst ar wyneb y targed 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagram sgematig swyddogaethol o'r gosodiad arbrofol: 1—laser; 2—trawst laser; 3—hidlydd dwysedd niwtral; 4—ffotodeuod cydamserol; 5—holltwr trawst; 6—diaffram; 7—calorimedr y trawst digwyddiadol; 8 – calorimedr y trawst adlewyrchol; 9 – mesurydd pŵer trawst digwyddiadol; 10 – mesurydd pŵer trawst adlewyrchol; 11 – lens ffocysu; 12 – drych; 13 – sampl; 14 – trawsddygiwr piezoelectrig band eang; 15 – trawsnewidydd 2D; 16 – microreolydd lleoli; 17 – uned gydamseru; 18 – system gaffael ddigidol aml-sianel gyda chyfraddau samplu amrywiol; 19 – cyfrifiadur personol.
Cynhelir triniaeth uwchsonig fel a ganlyn. Mae'r laser yn gweithredu mewn modd rhedeg rhydd; felly hyd y pwls laser yw \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), sy'n cynnwys hydau lluosog o tua \(1.5~\upmu \text {s } \) yr un. Mae siâp amserol y pwls laser a'i sbectrwm yn cynnwys amlen amledd isel a modiwleiddio amledd uchel, gydag amledd cyfartalog o tua \(0.7~\text {MHz}\), fel y dangosir yn Ffigur 2.- Mae'r amlen amledd yn darparu'r gwresogi a'r toddi a'r anweddiad dilynol o'r deunydd, tra bod y gydran amledd uchel yn darparu'r dirgryniadau uwchsonig oherwydd yr effaith ffotoacwstig. Mae tonffurf y pwls uwchsonig a gynhyrchir gan y laser yn cael ei bennu'n bennaf gan siâp amser dwyster y pwls laser. Mae o \(7~\text {kHz}\) i \(2~\text {MHz}\), ac amledd y canol yw \(~ 0.7~\text {MHz}\). Cofnodwyd curiadau acwstig oherwydd yr effaith ffotoacwstig gan ddefnyddio trawsddygiaduron piezoelectrig band eang wedi'u gwneud o ffilmiau fflworid polyfinyliden. Dangosir y donffurf a gofnodwyd a'i sbectrwm yn Ffigur 2. Dylid nodi bod siâp y curiadau laser yn nodweddiadol o laser modd rhedeg rhydd.
Dosbarthiad amserol dwyster pwls laser (a) a chyflymder sain ar wyneb cefn y sampl (b), sbectrwm pwls laser (c) a phwls uwchsonig (d) wedi'u cyfartaleddu dros 300 o bwls laser (cromlin goch) ar gyfer un pwls laser (cromlin las).
Gallwn wahaniaethu'n glir rhwng cydrannau amledd isel ac amledd uchel y driniaeth acwstig sy'n cyfateb i amlen amledd isel y pwls laser a'r modiwleiddio amledd uchel, yn y drefn honno. Mae tonfeddi'r tonnau acwstig a gynhyrchir gan amlen y pwls laser yn fwy na \(40~\text {cm}\); felly, disgwylir prif effaith cydrannau amledd uchel band eang y signal acwstig ar y microstrwythur.
Mae'r prosesau ffisegol mewn SLM yn gymhleth ac yn digwydd ar yr un pryd ar wahanol raddfeydd gofodol ac amserol. Felly, dulliau aml-raddfa sydd fwyaf addas ar gyfer dadansoddiad damcaniaethol o SLM. Dylai modelau mathemategol fod yn aml-ffisegol i ddechrau. Yna gellir disgrifio mecaneg a thermoffiseg "toddiad solid-hylif" cyfrwng aml-gam sy'n rhyngweithio ag awyrgylch nwy anadweithiol yn effeithiol. Dyma nodweddion llwythi thermol deunydd mewn SLM.
Cyfraddau gwresogi ac oeri hyd at \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ oherwydd arbelydru laser lleol gyda dwyseddau pŵer hyd at \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Mae'r cylch toddi-solideiddio yn para rhwng 1 a 10 ms, sy'n cyfrannu at solideiddio cyflym y parth toddi yn ystod oeri.
Mae gwresogi cyflym arwyneb y sampl yn arwain at ffurfio straen thermoelastig uchel yn yr haen arwyneb. Mae cyfran ddigonol (hyd at 20%) o'r haen bowdr yn cael ei anweddu'n gryf63, sy'n arwain at lwyth pwysau ychwanegol ar yr wyneb mewn ymateb i abladiad laser. O ganlyniad, mae'r straen a achosir yn ystumio geometreg y rhan yn sylweddol, yn enwedig ger cefnogaeth ac elfennau strwythurol tenau. Mae'r gyfradd wresogi uchel mewn anelio laser pwls yn arwain at gynhyrchu tonnau straen uwchsonig sy'n lledaenu o'r wyneb i'r swbstrad. Er mwyn cael data meintiol cywir ar y dosbarthiad straen a straen lleol, perfformir efelychiad mesosgopig o'r broblem anffurfiad elastig sy'n gysylltiedig â throsglwyddo gwres a màs.
Mae hafaliadau llywodraethol y model yn cynnwys (1) hafaliadau trosglwyddo gwres ansefydlog lle mae dargludedd thermol yn dibynnu ar gyflwr y cyfnod (powdr, toddi, polygrisialog) a thymheredd, (2) amrywiadau mewn anffurfiad elastig ar ôl abladiad continwwm a hafaliad ehangu thermoelastig. Pennir y broblem gwerth ffin gan amodau arbrofol. Diffinnir y fflwcs laser wedi'i fodiwleiddio ar wyneb y sampl. Mae oeri darfudol yn cynnwys cyfnewid gwres dargludol a fflwcs anweddol. Diffinnir y fflwcs màs yn seiliedig ar gyfrifo pwysedd anwedd dirlawn y deunydd anweddu. Defnyddir y berthynas straen-straen elastoplastig lle mae'r straen thermoelastig yn gymesur â'r gwahaniaeth tymheredd. Ar gyfer pŵer enwol \(300~\text {W}\), amledd \(10^5~\text {Hz}\), cyfernod ysbeidiol 100 a \(200~\upmu \text {m}\) o ddiamedr effeithiol y trawst.
Mae Ffigur 3 yn dangos canlyniadau efelychu rhifiadol y parth tawdd gan ddefnyddio model mathemategol macrosgopig. Diamedr y parth asio yw 200~m (radius 100~m) a dyfnder o 40~m. Mae canlyniadau'r efelychu yn dangos bod tymheredd yr wyneb yn amrywio'n lleol gydag amser fel 100~K oherwydd ffactor ysbeidiol uchel y modiwleiddio pwls. Mae cyfraddau gwresogi (V_h) ac oeri (V_c) tua 10^7) a 10^6~K/s), yn y drefn honno. Mae'r gwerthoedd hyn yn cytuno'n dda â'n dadansoddiad blaenorol64. Mae gwahaniaeth maint rhwng (V_h) a (V_c) yn arwain at orboethi cyflym yr haen wyneb, lle nad yw dargludiad thermol i'r swbstrad yn ddigonol i gael gwared ar y gwres. Felly, ar t=26~ {s}\) mae tymheredd yr wyneb yn cyrraedd uchafbwynt mor uchel â \(4800~\text {K}\). Gall anweddiad egnïol y deunydd achosi i wyneb y sampl gael ei orchuddio â gormod o bwysau a'i blicio i ffwrdd.
Canlyniadau efelychu rhifiadol parth toddi anelio pwls laser sengl ar blât sampl 316L. Yr amser o ddechrau'r pwls i ddyfnder y pwll tawdd yn cyrraedd y gwerth mwyaf yw \(180~\upmu\text {s}\). Mae'r isotherm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) yn cynrychioli'r ffin rhwng y cyfnodau hylif a solet. Mae'r isobarau (llinellau melyn) yn cyfateb i'r straen cynnyrch a gyfrifir fel swyddogaeth o dymheredd yn yr adran nesaf. Felly, yn y parth rhwng y ddwy isolin (isothermau\(T=T_L\) ac isobarau\(\sigma =\sigma _V(T)\)), mae'r cyfnod solet yn destun llwythi mecanyddol cryf, a all arwain at newidiadau yn y microstrwythur.
Eglurir yr effaith hon ymhellach yn Ffigur 4a, lle mae lefel y pwysau yn y parth tawdd wedi'i phlotio fel swyddogaeth o amser a phellter o'r wyneb. Yn gyntaf, mae ymddygiad y pwysau yn gysylltiedig â modiwleiddio dwyster pwls y laser a ddisgrifir yn Ffigur 2 uchod. Gwelwyd pwysau uchaf o tua 10~ MPa tua 26~. Yn ail, mae gan amrywiad y pwysau lleol yn y pwynt rheoli yr un nodweddion osgiliad â amledd 500~ kHz. Mae hyn yn golygu bod tonnau pwysau uwchsonig yn cael eu cynhyrchu ar yr wyneb ac yna'n ymledu i'r swbstrad.
Dangosir y nodweddion cyfrifedig o'r parth anffurfiad ger y parth toddi yn Ffig. 4b. Mae abladiad laser a straen thermoelastig yn cynhyrchu tonnau anffurfiad elastig sy'n ymledu i'r swbstrad. Fel y gwelir o'r ffigur, mae dau gam o gynhyrchu straen. Yn ystod y cam cyntaf o \(t < 40~\upmu \text {s}\), mae straen Mises yn codi i \(8~\text {MPa}\) gyda modiwleiddio tebyg i'r pwysau arwyneb. Mae'r straen hwn yn digwydd oherwydd abladiad laser, ac ni welwyd unrhyw straen thermoelastig yn y pwyntiau rheoli oherwydd bod y parth cychwynnol yr effeithiwyd arno gan wres yn rhy fach. Pan fydd gwres yn cael ei wasgaru i'r swbstrad, mae'r pwynt rheoli yn cynhyrchu straen thermoelastig uchel uwchlaw \(40~\text {MPa}\).
Mae gan y lefelau straen wedi'u modiwleiddio a geir effaith sylweddol ar y rhyngwyneb solid-hylif a gallant fod y mecanwaith rheoli sy'n llywodraethu'r llwybr solidio. Mae maint y parth anffurfio 2 i 3 gwaith yn fwy na maint y parth toddi. Fel y dangosir yn Ffigur 3, cymharir lleoliad yr isotherm toddi a'r lefel straen sy'n hafal i'r straen cynnyrch. Mae hyn yn golygu bod yr arbelydru laser pwls yn darparu llwythi mecanyddol uchel mewn ardaloedd lleol gyda diamedr effeithiol rhwng 300 a ≈ 800 m yn dibynnu ar yr amser ar unwaith.
Felly, mae modiwleiddio cymhleth anelio laser pwls yn arwain at yr effaith uwchsonig. Mae'r llwybr dethol microstrwythur yn wahanol o'i gymharu â'r SLM heb lwytho uwchsonig. Mae rhanbarthau ansefydlog wedi'u dadffurfio yn arwain at gylchoedd cyfnodol o gywasgu ac ymestyn yn y cyfnod solet. Felly, mae ffurfio ffiniau grawn newydd a ffiniau is-grawn yn dod yn ymarferol. Felly, gellir newid y priodweddau microstrwythurol yn fwriadol, fel y dangosir isod. Mae'r casgliadau a gafwyd yn darparu'r posibilrwydd i ddylunio prototeip SLM wedi'i yrru gan uwchsain a achosir gan fodiwleiddio pwls. Yn yr achos hwn, gellir eithrio'r anwythydd piezoelectrig 26 a ddefnyddir mewn man arall.
(a) Pwysedd fel ffwythiant o amser, wedi'i gyfrifo ar wahanol bellteroedd o'r wyneb 0, 20 a 40 m ar hyd echelin cymesuredd. (b) Straen Von Mises sy'n ddibynnol ar amser wedi'i gyfrifo mewn matrics solet ar bellteroedd 70, 120 a 170 m o wyneb y sampl.
Perfformiwyd arbrofion ar blatiau dur di-staen AISI 321H gyda dimensiynau 20 gwaith 20 o 5 mm. Ar ôl pob pwls laser, mae'r plât yn symud 50 m, ac mae canol y trawst laser ar wyneb y targed tua 100 m. Perfformir hyd at bum pas trawst olynol ar hyd yr un trac i ysgogi ail-doddi'r deunydd wedi'i brosesu ar gyfer mireinio grawn. Ym mhob achos, soniciwyd y parth ail-doddi, yn dibynnu ar gydran osgiliadol yr ymbelydredd laser. Mae hyn yn arwain at ostyngiad o fwy na 5 gwaith yn arwynebedd cyfartalog y grawn. Mae Ffigur 5 yn dangos sut mae microstrwythur y rhanbarth wedi'i doddi â laser yn newid gyda nifer y cylchoedd ail-doddi (pasiau) dilynol.
Is-blotiau (a, d, g, j) a (b, e, h, k) – microstrwythur rhanbarthau wedi'u toddi â laser, is-blotiau (c, f, i, l) – dosbarthiad arwynebedd y grawn lliw. Mae cysgodi yn cynrychioli'r gronynnau a ddefnyddiwyd i gyfrifo'r histogram. Mae lliwiau'n cyfateb i ranbarthau'r grawn (gweler y bar lliw ar frig yr histogram). Mae is-blotiau (ac) yn cyfateb i ddur di-staen heb ei drin, ac mae is-blotiau (df), (gi), (jl) yn cyfateb i 1, 3 a 5 o ail-doddi.
Gan nad yw egni pwls y laser yn newid rhwng pasiadau dilynol, mae dyfnder y parth tawdd yr un peth. Felly, mae'r sianel ddilynol yn "gorchuddio" yr un flaenorol yn llwyr. Fodd bynnag, mae'r histogram yn dangos bod arwynebedd y grawn cymedrig a chanolrifol yn lleihau gyda nifer cynyddol o basiadau. Gall hyn ddangos bod y laser yn gweithredu ar y swbstrad yn hytrach na'r tawdd.
Gall mireinio grawn gael ei achosi gan oeri cyflym y pwll tawdd65. Cynhaliwyd set arall o arbrofion lle cafodd arwynebau platiau dur di-staen (321H a 316L) eu hamlygu i ymbelydredd laser tonnau parhaus yn yr atmosffer (Ffig. 6) a gwactod (Ffig. 7). Mae pŵer cyfartalog y laser (300 W a 100 W, yn y drefn honno) a dyfnder y pwll tawdd yn agos at ganlyniadau arbrofol y laser Nd:YAG mewn modd rhedeg rhydd. Fodd bynnag, gwelwyd strwythur colofnog nodweddiadol.
Microstrwythur y rhanbarth wedi'i doddi â laser mewn laser tonnau parhaus (pŵer cyson 300 W, cyflymder sganio 200 mm/s, dur di-staen AISI 321H).
(a) Microstrwythur a (b) delweddau diffractiad ôl-wasgariad electronau o'r rhanbarth wedi'i doddi â laser mewn gwactod gyda laser tonnau parhaus (pŵer cyson 100 W, cyflymder sganio 200 mm/s, dur di-staen AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Felly, dangosir yn glir bod modiwleiddio cymhleth dwyster pwls y laser yn cael effaith sylweddol ar y microstrwythur sy'n deillio o hyn. Credwn fod yr effaith hon yn fecanyddol ei natur ac yn digwydd oherwydd cynhyrchu dirgryniadau uwchsonig sy'n ymledu o wyneb wedi'i arbelydru'r toddiant yn ddwfn i'r sampl. Cafwyd canlyniadau tebyg yn 13, 26, 34, 66, 67 gan ddefnyddio trawsddygiaduron piezoelectrig allanol a sonotrodau sy'n darparu uwchsain dwyster uchel mewn amrywiol ddefnyddiau gan gynnwys aloi Ti-6Al-4V 26 a dur di-staen 34 canlyniad hynny. Dyfalir y mecanwaith posibl fel a ganlyn. Gall uwchsain dwys achosi ceudod acwstig, fel y dangosir mewn delweddu pelydr-X synchrotron in situ cyflym iawn. Mae cwymp y swigod ceudod yn ei dro yn cynhyrchu tonnau sioc yn y deunydd tawdd, y mae ei bwysau blaen yn cyrraedd tua \(100~\text {MPa}\)69. Gall tonnau sioc o'r fath fod yn ddigon cryf i hyrwyddo ffurfio niwclysau cyfnod solet o faint critigol mewn hylifau swmp, gan amharu ar strwythur grawn colofnog nodweddiadol ychwanegyn haen wrth haen. gweithgynhyrchu.
Yma, rydym yn cynnig mecanwaith arall sy'n gyfrifol am addasu strwythurol trwy sonication dwys. Yn syth ar ôl solidio, mae'r deunydd ar dymheredd uchel yn agos at y pwynt toddi ac mae ganddo straen cynnyrch hynod o isel. Gall tonnau uwchsonig dwys achosi i lif plastig newid strwythur grawn y deunydd poeth, sydd newydd solidio. Fodd bynnag, mae data arbrofol dibynadwy ar ddibyniaeth tymheredd straen cynnyrch ar gael yn \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (gweler Ffigur 8). Felly, i brofi'r ddamcaniaeth hon, gwnaethom efelychiadau deinameg moleciwlaidd (MD) o gyfansoddiad Fe-Cr-Ni tebyg i ddur AISI 316 L er mwyn gwerthuso ymddygiad straen cynnyrch ger y pwynt toddi. I gyfrifo'r straen cynnyrch, gwnaethom ddefnyddio'r dechneg ymlacio straen cneifio MD a fanylir yn 70, 71, 72, 73. Ar gyfer y cyfrifiadau rhyngweithio rhyngatomig, gwnaethom ddefnyddio'r Model Atomig Mewnosodedig (EAM) o 74. Perfformiwyd efelychiadau MD gan ddefnyddio codau LAMMPS 75,76. Cyhoeddir manylion yr efelychiadau MD mewn man arall. Canlyniadau cyfrifiad MD o gynnyrch Dangosir straen fel swyddogaeth o dymheredd yn Ffig. 8 ynghyd â data arbrofol sydd ar gael a gwerthusiadau eraill77,78,79,80,81,82.
Straen cynnyrch ar gyfer dur di-staen austenitig gradd 316 AISI a chyfansoddiad model yn erbyn tymheredd ar gyfer efelychiadau MD. Mesuriadau arbrofol o gyfeiriadau: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.cyfeiriwch at.(f)82 yw model empirig o ddibyniaeth straen cynnyrch-tymheredd ar gyfer mesur straen mewn-lein yn ystod gweithgynhyrchu ychwanegion â chymorth laser.Dynodir canlyniadau'r efelychiadau MD ar raddfa fawr yn yr astudiaeth hon fel \(\vartriangleleft\) ar gyfer grisial sengl anfeidraidd heb ddiffygion a \(\vartriangleright\) ar gyfer grawn meidraidd gan ystyried maint cyfartalog y grawn trwy'r berthynas Hall-Petch Dimensiynau\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Gellir gweld bod y straen cynnyrch yn gostwng islaw 40 MPa ar \(T>1500~\text {K}\). Ar y llaw arall, mae amcangyfrifon yn rhagweld bod yr osgled uwchsonig a gynhyrchir gan laser yn fwy na 40 MPa\) (gweler Ffig. 4b), sy'n ddigonol i ysgogi llif plastig yn y deunydd poeth sydd newydd solidio.
Ymchwiliwyd yn arbrofol i ffurfiant microstrwythur dur di-staen austenitig 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) yn ystod SLM gan ddefnyddio ffynhonnell laser pwls cymhleth wedi'i modiwleiddio â dwyster.
Canfuwyd gostyngiad mewn maint y grawn yn y parth toddi laser oherwydd ail-doddi laser parhaus ar ôl 1, 3 neu 5 pas.
Mae modelu macrosgopig yn dangos bod maint amcangyfrifedig y rhanbarth lle gall anffurfiad uwchsonig effeithio'n gadarnhaol ar y ffrynt solidoli hyd at \(1~\text {mm}\).
Mae'r model MD microsgopig yn dangos bod cryfder cynnyrch dur di-staen austenitig AISI 316 wedi'i leihau'n sylweddol i \(40~\text {MPa}\) ger y pwynt toddi.
Mae'r canlyniadau a gafwyd yn awgrymu dull ar gyfer rheoli microstrwythur deunyddiau gan ddefnyddio prosesu laser modiwlaidd cymhleth a gallai fod yn sail ar gyfer creu addasiadau newydd o'r dechneg SLM pwlsiedig.
Liu, Y. et al.Esblygiad microstrwythurol a phriodweddau mecanyddol cyfansoddion TiB2/AlSi10Mg in situ trwy doddi detholus â laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al.Peirianneg ffiniau graen ailgrisialu toddi dethol laser dur di-staen 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. a Qiu, C. Datblygiad in situ o ficrostrwythurau brechdan gyda hydwythedd gwell trwy ailgynhesu aloion titaniwm wedi'u toddi â laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Gweithgynhyrchu ychwanegol rhannau Ti-6Al-4V trwy ddyddodiad metel laser (LMD): proses, microstrwythur a phriodweddau mecanyddol.J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Modelu microstrwythurol o ddyddodiad ynni wedi'i gyfeirio gan bowdr metel laser o Aloi 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al.Astudiaeth Delweddu Ymyl Niwtron Bragg Parametrig o Samplau a Gynhyrchwyd yn Ychwanegol a Drinwyd gan Laser Shock Peening.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al.Microstrwythur graddiant a phriodweddau mecanyddol Ti-6Al-4V a gynhyrchwyd yn ychwanegol trwy doddi trawst electron. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).