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Es wird ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, der auf selektivem Laserschmelzen basiert, um die Mikrostruktur von Produkten im Herstellungsprozess zu steuern. Der Mechanismus beruht auf der Erzeugung hochintensiver Ultraschallwellen im Schmelzbad durch eine komplexe intensitätsmodulierte Laserbestrahlung. Experimentelle Studien und numerische Simulationen zeigen, dass dieser Steuerungsmechanismus technisch machbar ist und effektiv in das Design moderner Maschinen zum selektiven Laserschmelzen integriert werden kann.
Die additive Fertigung (AM) von Teilen mit komplexen Formen hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Trotz der Vielfalt additiver Fertigungsverfahren, darunter selektives Laserschmelzen (SLM)1,2,3, direkte Lasermetallabscheidung4,5,6, Elektronenstrahlschmelzen7,8 und andere9,10, können die Teile fehlerhaft sein. Dies liegt hauptsächlich an den spezifischen Eigenschaften des Schmelzbaderstarrungsprozesses, der mit hohen Temperaturgradienten, hohen Abkühlraten und der Komplexität der Heizzyklen beim Schmelzen und Umschmelzen des Materials verbunden ist11, was zu epitaktischem Kornwachstum und erheblicher Porosität führt. 12,13 haben gezeigt, dass es notwendig ist, Temperaturgradienten, Abkühlraten und Legierungszusammensetzung zu kontrollieren oder zusätzliche physikalische Schocks durch externe Felder mit verschiedenen Eigenschaften, wie beispielsweise Ultraschall, anzuwenden, um feine gleichachsige Kornstrukturen zu erzielen.
Zahlreiche Veröffentlichungen befassen sich mit der Auswirkung der Vibrationsbehandlung auf den Erstarrungsprozess bei konventionellen Gießverfahren14,15. Die Anwendung eines externen Feldes auf eine Schmelze führt jedoch nicht zur gewünschten Materialmikrostruktur. Bei kleinem Volumen der flüssigen Phase ändert sich die Situation dramatisch. In diesem Fall beeinflusst das externe Feld den Erstarrungsprozess erheblich. Intensive Schallfelder16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, Lichtbogenrühren28 und -oszillation29, elektromagnetische Effekte während gepulster Plasmabögen30,31 und andere Methoden32 wurden berücksichtigt. Die Befestigung am Substrat erfolgt mithilfe einer externen hochintensiven Ultraschallquelle (bei 20 kHz). Die durch Ultraschall induzierte Kornverfeinerung wird auf die erhöhte konstitutive Unterkühlungszone aufgrund des reduzierten Temperaturgradienten und der Ultraschallverstärkung zur Erzeugung neuer Kristallite durch Kavitation zurückgeführt.
In dieser Arbeit untersuchten wir die Möglichkeit, die Kornstruktur von austenitischem Edelstahl durch Beschallung des Schmelzbades mit vom Schmelzlaser selbst erzeugten Schallwellen zu verändern. Die Intensitätsmodulation der auf das lichtabsorbierende Medium treffenden Laserstrahlung führt zur Erzeugung von Ultraschallwellen, die die Mikrostruktur des Materials verändern. Diese Intensitätsmodulation der Laserstrahlung lässt sich problemlos in bestehende SLM-3D-Drucker integrieren. Die Experimente in dieser Arbeit wurden an Edelstahlplatten durchgeführt, deren Oberflächen intensitätsmodulierter Laserstrahlung ausgesetzt waren. Technisch gesehen handelt es sich also um eine Laseroberflächenbehandlung. Wird jedoch während des schichtweisen Aufbaus eine solche Laserbehandlung auf der Oberfläche jeder Schicht durchgeführt, werden Effekte auf das gesamte Volumen oder auf ausgewählte Teile des Volumens erzielt. Mit anderen Worten: Wenn das Teil schichtweise aufgebaut wird, entspricht die Laseroberflächenbehandlung jeder Schicht einer „Laservolumenbehandlung“.
Bei der Ultraschalltherapie mit Ultraschallhorn hingegen verteilt sich die Ultraschallenergie der stehenden Schallwelle im gesamten Bauteil, während die laserinduzierte Ultraschallintensität nahe der Absorptionsstelle der Laserstrahlung stark konzentriert ist. Der Einsatz einer Sonotrode in einer SLM-Pulverbettschmelzmaschine ist aufwendig, da die der Laserstrahlung ausgesetzte Oberfläche des Pulverbetts stationär bleiben muss. Zudem wirkt auf der Oberfläche des Bauteils keine mechanische Spannung. Daher liegt die akustische Spannung nahe Null, und die Teilchengeschwindigkeit weist über die gesamte Oberfläche des Bauteils eine maximale Amplitude auf. Der Schalldruck im gesamten Schmelzbad darf 0,1 % des vom Schweißkopf erzeugten Maximaldrucks nicht überschreiten, da die Wellenlänge von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 kHz in Edelstahl \(\sim 0,3~\text {m}\) beträgt und die Tiefe üblicherweise weniger als \(\sim 0,3~\text {mm}\) beträgt. Daher kann die Wirkung von Ultraschall auf die Kavitation gering sein.
Es ist zu beachten, dass die Verwendung intensitätsmodulierter Laserstrahlung bei der direkten Lasermetallabscheidung ein aktives Forschungsgebiet ist35,36,37,38.
Die thermischen Effekte der auf das Medium auftreffenden Laserstrahlung bilden die Grundlage für nahezu alle Lasertechniken zur Materialbearbeitung 39, 40, wie etwa Schneiden 41, Schweißen, Härten, Bohren 42, Oberflächenreinigung, Oberflächenlegieren, Oberflächenpolieren 43 usw. Materialbearbeitungstechnologie und haben vorläufige Ergebnisse in zahlreichen Übersichtsartikeln und Monographien zusammengefasst 44, 45, 46.
Es ist zu beachten, dass jede nichtstationäre Einwirkung auf das Medium, einschließlich der Lasereinwirkung auf das absorbierende Medium, mit mehr oder weniger großer Effizienz zur Anregung von Schallwellen darin führt. Ursprünglich konzentrierte man sich auf die Laseranregung von Wellen in Flüssigkeiten und die verschiedenen thermischen Anregungsmechanismen von Schall (thermische Ausdehnung, Verdampfung, Volumenänderung während des Phasenübergangs, Kontraktion usw.) 47, 48, 49. Zahlreiche Monographien 50, 51, 52 bieten theoretische Analysen dieses Prozesses und seiner möglichen praktischen Anwendungen.
Diese Themen wurden anschließend auf verschiedenen Konferenzen diskutiert und die Laseranregung durch Ultraschall findet sowohl in der industriellen Lasertechnologie53 als auch in der Medizin54 Anwendung. Daher kann davon ausgegangen werden, dass das Grundkonzept des Prozesses, bei dem gepulstes Laserlicht auf ein absorbierendes Medium einwirkt, etabliert ist. Die Laser-Ultraschallprüfung wird zur Defekterkennung bei SLM-hergestellten Proben55,56 verwendet.
Die Wirkung lasergenerierter Stoßwellen auf Materialien ist die Grundlage des Laser-Schockhämmerns57,58,59, das auch zur Oberflächenbehandlung additiv gefertigter Teile60 eingesetzt wird. Allerdings ist die Laser-Schockhämmerung am effektivsten bei Nanosekunden-Laserpulsen und mechanisch belasteten Oberflächen (z. B. mit einer Flüssigkeitsschicht)59, da die mechanische Belastung den Spitzendruck erhöht.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die möglichen Auswirkungen verschiedener physikalischer Felder auf die Mikrostruktur verfestigter Materialien zu untersuchen. Das Funktionsdiagramm des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 1 dargestellt. Es wurde ein gepulster Nd:YAG-Festkörperlaser im Freilaufmodus (Pulsdauer \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) verwendet. Jeder Laserpuls wird durch eine Reihe von Neutraldichtefiltern und ein Strahlteilerplattensystem geleitet. Abhängig von der Kombination der Neutraldichtefilter variiert die Pulsenergie auf dem Ziel zwischen \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) und \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Der vom Strahlteiler reflektierte Laserstrahl wird zur gleichzeitigen Datenerfassung einer Fotodiode zugeführt. Zwei Kalorimeter (Fotodioden mit einer langen Reaktionszeit von über \(1~\text {ms}\)) werden verwendet, um die auf das Ziel einfallende und die vom Ziel reflektierte Energie zu bestimmen (Fotodioden mit kurzen Reaktionszeiten < 10 ns) zur Bestimmung der einfallenden und reflektierten optischen Leistung. Kalorimeter und Leistungsmesser wurden mithilfe eines Thermosäulendetektors Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 und eines am Probenort montierten dielektrischen Spiegels kalibriert, um Werte in absoluten Einheiten auszugeben. Fokussieren Sie den Strahl mithilfe einer Linse (Antireflexbeschichtung bei 1,06 µm, Brennweite 160 mm) und einer Strahltaille an der Zieloberfläche von 60–100 µm) auf das Ziel.
Funktionsschema des Versuchsaufbaus: 1 – Laser; 2 – Laserstrahl; 3 – Neutraldichtefilter; 4 – synchronisierte Fotodiode; 5 – Strahlteiler; 6 – Blende; 7 – Kalorimeter des einfallenden Strahls; 8 – Kalorimeter des reflektierten Strahls; 9 – Leistungsmesser des einfallenden Strahls; 10 – Leistungsmesser des reflektierten Strahls; 11 – Fokussierlinse; 12 – Spiegel; 13 – Probe; 14 – piezoelektrischer Breitbandwandler; 15 – 2D-Konverter; 16 – Positionierungs-Mikrocontroller; 17 – Synchronisierungseinheit; 18 – digitales Mehrkanal-Erfassungssystem mit verschiedenen Abtastraten; 19 – Personalcomputer.
Die Ultraschallbehandlung wird wie folgt durchgeführt: Der Laser arbeitet im Freilaufmodus. Daher beträgt die Dauer des Laserimpulses \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), der sich aus mehreren Dauern von jeweils etwa \(1,5~\upmu \text {s} \) zusammensetzt. Die zeitliche Form des Laserimpulses und seines Spektrums besteht aus einer Niederfrequenzhüllkurve und einer Hochfrequenzmodulation mit einer Durchschnittsfrequenz von etwa \(0,7~\text {MHz}\), wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Frequenzhüllkurve sorgt für die Erwärmung und das anschließende Schmelzen und Verdampfen des Materials, während die Hochfrequenzkomponente aufgrund des photoakustischen Effekts die Ultraschallschwingungen erzeugt. Die Wellenform des vom Laser erzeugten Ultraschallimpulses wird hauptsächlich durch die zeitliche Form der Laserimpulsintensität bestimmt. Der Bereich liegt zwischen 7 und 2 MHz, und die Mittenfrequenz beträgt ~ 0,7 MHz. Die aufgrund des photoakustischen Effekts erzeugten akustischen Impulse wurden mit breitbandigen piezoelektrischen Wandlern aus Polyvinylidenfluoridfilmen aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Wellenform und ihr Spektrum sind in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Form der Laserimpulse typisch für einen Laser im Freilaufmodus ist.
Zeitliche Verteilung der Laserpulsintensität (a) und der Schallgeschwindigkeit (b) auf der Probenrückseite, die Spektren (blaue Kurve) eines einzelnen Laserpulses (c) und eines Ultraschallpulses (d), gemittelt über 300 Laserpulse (rote Kurve).
Wir können die Niederfrequenz- und Hochfrequenzkomponenten der akustischen Behandlung klar unterscheiden, die der Niederfrequenzhüllkurve des Laserpulses bzw. der Hochfrequenzmodulation entsprechen. Die Wellenlängen der von der Laserpulshüllkurve erzeugten Schallwellen überschreiten \(40~\text {cm}\); daher ist zu erwarten, dass die Hauptwirkung der breitbandigen Hochfrequenzkomponenten des Schallsignals auf die Mikrostruktur liegt.
Die physikalischen Prozesse im SLM sind komplex und laufen gleichzeitig auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ab. Deshalb eignen sich Multiskalenmethoden am besten für die theoretische Analyse des SLM. Mathematische Modelle sollten zunächst multiphysikalisch sein. Dann können die Mechanik und Thermophysik eines mehrphasigen Mediums – einer „fest-flüssigen Schmelze“, die mit einer Inertgasatmosphäre interagiert – effektiv beschrieben werden. Die Eigenschaften der thermischen Materialbelastungen im SLM sind wie folgt.
Heiz- und Kühlraten bis zu \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ durch lokalisierte Laserbestrahlung mit Leistungsdichten bis zu \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Der Schmelz-Erstarrungs-Zyklus dauert zwischen 1 und \(10~\text {ms}\), was zur schnellen Erstarrung der Schmelzzone während der Abkühlung beiträgt.
Durch schnelles Erhitzen der Probenoberfläche entstehen hohe thermoelastische Spannungen in der Oberflächenschicht. Ein ausreichender Anteil (bis zu 20 %) der Pulverschicht wird stark verdampft63, wodurch in Reaktion auf die Laserablation eine zusätzliche Druckbelastung auf der Oberfläche entsteht. Infolgedessen verzerrt die induzierte Spannung die Teilegeometrie erheblich, insbesondere in der Nähe von Stützen und dünnen Strukturelementen. Die hohe Heizrate beim gepulsten Laserglühen führt zur Erzeugung von Ultraschall-Spannungswellen, die sich von der Oberfläche zum Substrat ausbreiten. Um genaue quantitative Daten zur lokalen Spannungs- und Dehnungsverteilung zu erhalten, wird eine mesoskopische Simulation des Problems der elastischen Verformung in Verbindung mit Wärme- und Massenübertragung durchgeführt.
Die maßgebenden Gleichungen des Modells umfassen (1) instationäre Wärmeübertragungsgleichungen, bei denen die Wärmeleitfähigkeit vom Phasenzustand (Pulver, Schmelze, polykristallin) und der Temperatur abhängt, (2) Schwankungen der elastischen Deformation nach Kontinuumsablation und die Gleichung der thermoelastischen Ausdehnung. Das Randwertproblem wird durch experimentelle Bedingungen bestimmt. Der modulierte Laserfluss wird auf der Probenoberfläche definiert. Die konvektive Kühlung umfasst konduktiven Wärmeaustausch und Verdampfungsfluss. Der Massenfluss wird basierend auf der Berechnung des Sättigungsdampfdrucks des verdampfenden Materials definiert. Die elastoplastische Spannungs-Dehnungs-Beziehung wird verwendet, wenn die thermoelastische Spannung proportional zur Temperaturdifferenz ist. Für eine Nennleistung von 300 W, eine Frequenz von 10 Hz, einen intermittierenden Koeffizienten von 100 und einen effektiven Strahldurchmesser von 200 m³/min.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der numerischen Simulation der Schmelzzone mithilfe eines makroskopischen mathematischen Modells. Der Durchmesser der Schmelzzone beträgt 200 m² (100 m² Radius) und 40 m² Tiefe. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Oberflächentemperatur aufgrund des hohen Intermittierungsfaktors der Pulsmodulation lokal mit der Zeit um 100 K schwankt. Die Heiz- und Kühlraten V_h und V_c liegen in der Größenordnung von 10 7 K/s. Diese Werte stimmen gut mit unserer vorherigen Analyse überein.64 Ein Unterschied von einer Größenordnung zwischen V_h und V_c führt zu einer schnellen Überhitzung der Oberflächenschicht, wodurch die Wärmeleitung zum Substrat reicht nicht aus, um die Wärme abzuführen. Daher erreicht die Oberflächentemperatur bei \(t=26~\upmu \text {s}\) Spitzenwerte von bis zu \(4800~\text {K}\). Eine starke Verdampfung des Materials kann dazu führen, dass die Probenoberfläche übermäßigem Druck ausgesetzt wird und sich ablöst.
Ergebnisse der numerischen Simulation der Schmelzzone beim Glühen mit einem einzelnen Laserpuls auf einer 316L-Probenplatte. Die Zeit vom Pulsbeginn bis zum Erreichen des Maximalwerts in der Tiefe des Schmelzbades beträgt \(180~\upmu\text {s}\). Die Isotherme \(T = T_L = 1723~\text {K}\) stellt die Grenze zwischen der flüssigen und der festen Phase dar. Die Isobaren (gelbe Linien) entsprechen der im nächsten Abschnitt als Funktion der Temperatur berechneten Fließgrenze. Daher ist die feste Phase im Bereich zwischen den beiden Isolinien (Isothermen \(T=T_L\) und Isobaren \(\sigma =\sigma _V(T)\)) starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Veränderungen der Mikrostruktur führen können.
Dieser Effekt wird in Abbildung 4a näher erläutert, wo der Druckpegel in der geschmolzenen Zone als Funktion der Zeit und des Abstands von der Oberfläche aufgetragen ist. Erstens hängt das Druckverhalten mit der Modulation der Laserpulsintensität zusammen, die in Abbildung 2 oben beschrieben ist. Ein maximaler Druck \text{s}\) von etwa \(10~\text {MPa}\) wurde bei etwa \(t=26~\upmu) beobachtet. Zweitens hat die Schwankung des lokalen Drucks am Kontrollpunkt die gleichen Schwingungseigenschaften wie die Frequenz von \(500~\text {kHz}\). Dies bedeutet, dass Ultraschalldruckwellen an der Oberfläche erzeugt werden und sich dann in das Substrat ausbreiten.
Die berechneten Eigenschaften der Deformationszone nahe der Schmelzzone sind in Abb. 4b dargestellt. Laserablation und thermoelastische Spannung erzeugen elastische Deformationswellen, die sich in das Substrat ausbreiten. Wie aus der Abbildung ersichtlich, gibt es zwei Phasen der Spannungserzeugung. Während der ersten Phase von \(t < 40~\upmu \text {s}\) steigt die Mises-Spannung mit einer Modulation ähnlich dem Oberflächendruck auf \(8~\text {MPa}\). Diese Spannung entsteht durch die Laserablation und in den Kontrollpunkten wurde keine thermoelastische Spannung beobachtet, da die anfängliche Wärmeeinflusszone zu klein war. Wenn Wärme in das Substrat abgeleitet wird, erzeugt der Kontrollpunkt eine hohe thermoelastische Spannung über \(40~\text {MPa}\).
Die erhaltenen modulierten Spannungsniveaus haben einen signifikanten Einfluss auf die Fest-Flüssig-Grenzfläche und können der Kontrollmechanismus sein, der den Erstarrungsverlauf bestimmt. Die Größe der Deformationszone ist zwei- bis dreimal größer als die der Schmelzzone. Wie in Abbildung 3 gezeigt, werden die Lage der Schmelzisotherme und das Spannungsniveau gleich der Fließgrenze verglichen. Dies bedeutet, dass die gepulste Laserbestrahlung hohe mechanische Belastungen in lokalisierten Bereichen mit einem effektiven Durchmesser zwischen 300 und 800 m erzeugt, abhängig von der momentanen Zeit.
Daher führt die komplexe Modulation der gepulsten Laserglühung zum Ultraschalleffekt. Der Mikrostrukturauswahlpfad unterscheidet sich im Vergleich zum SLM ohne Ultraschallbelastung. Deformierte instabile Bereiche führen zu periodischen Zyklen von Kompression und Dehnung in der festen Phase. Dadurch wird die Bildung neuer Korngrenzen und Subkorngrenzen möglich. Daher können die mikrostrukturellen Eigenschaften gezielt geändert werden, wie unten gezeigt. Die gewonnenen Schlussfolgerungen bieten die Möglichkeit, einen durch Pulsmodulation induzierten, ultraschallgetriebenen SLM-Prototyp zu entwerfen. In diesem Fall kann auf die anderswo verwendete piezoelektrische Induktivität 26 verzichtet werden.
(a) Druck als Funktion der Zeit, berechnet in verschiedenen Abständen von der Oberfläche (0, 20 und 40 m) entlang der Symmetrieachse. (b) Zeitabhängige Von-Mises-Spannung, berechnet in einer festen Matrix in Abständen von 70, 120 und 170 m von der Probenoberfläche.
Die Experimente wurden an Edelstahlplatten AISI 321H mit den Abmessungen 20 x 20 x 5 mm durchgeführt. Nach jedem Laserpuls bewegt sich die Platte 50 µm, und die Taille des Laserstrahls auf der Zieloberfläche beträgt etwa 100 µm. Bis zu fünf aufeinanderfolgende Strahldurchgänge werden entlang derselben Spur ausgeführt, um ein Wiederaufschmelzen des bearbeiteten Materials zur Kornverfeinerung zu bewirken. In allen Fällen wurde die wiederaufgeschmolzene Zone je nach oszillatorischer Komponente der Laserstrahlung beschallt. Dies führt zu einer mehr als fünffachen Reduzierung der durchschnittlichen Kornfläche. Abbildung 5 zeigt, wie sich die Mikrostruktur des lasergeschmolzenen Bereichs mit der Anzahl der aufeinanderfolgenden Wiederaufschmelzzyklen (Durchgänge) verändert.
Die Teildiagramme (a, d, g, j) und (b, e, h, k) zeigen die Mikrostruktur der lasergeschmolzenen Bereiche, die Teildiagramme (c, f, i, l) die Flächenverteilung der farbigen Körner. Die Schattierung stellt die zur Berechnung des Histogramms verwendeten Partikel dar. Die Farben entsprechen den Kornbereichen (siehe Farbbalken oben im Histogramm). Die Teildiagramme (ac) entsprechen unbehandeltem Edelstahl, die Teildiagramme (df), (gi), (jl) den Schmelzen 1, 3 und 5.
Da sich die Energie des Laserpulses zwischen den einzelnen Durchgängen nicht ändert, bleibt die Tiefe der Schmelzzone gleich. Der nachfolgende Kanal „deckt“ den vorherigen also vollständig ab. Das Histogramm zeigt jedoch, dass die mittlere und mediane Kornfläche mit zunehmender Anzahl der Durchgänge abnimmt. Dies kann darauf hinweisen, dass der Laser eher auf das Substrat als auf die Schmelze einwirkt.
Eine Kornverfeinerung kann durch schnelles Abkühlen des Schmelzbades verursacht werden65. In einer weiteren Versuchsreihe wurden die Oberflächen von Edelstahlplatten (321H und 316L) einer kontinuierlichen Laserstrahlung in der Atmosphäre (Abb. 6) und im Vakuum (Abb. 7) ausgesetzt. Die durchschnittliche Laserleistung (300 W bzw. 100 W) und die Schmelzbadtiefe liegen nahe an den experimentellen Ergebnissen des Nd:YAG-Lasers im Freilaufmodus. Es wurde jedoch eine typische säulenförmige Struktur beobachtet.
Mikrostruktur des lasergeschmolzenen Bereichs eines Dauerstrichlasers (300 W Dauerleistung, 200 mm/s Scangeschwindigkeit, Edelstahl AISI 321H).
(a) Mikrostruktur und (b) Elektronenrückstreubeugungsbild der Laserschmelzzone eines Vakuum-Dauerstrichlasers (konstante Leistung 100 W, Scangeschwindigkeit 200 mm/s, Edelstahl AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Es ist daher klar ersichtlich, dass die komplexe Modulation der Laserpulsintensität einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur hat. Wir gehen davon aus, dass dieser Effekt mechanischer Natur ist und durch die Erzeugung von Ultraschallschwingungen entsteht, die sich von der bestrahlten Oberfläche der Schmelze tief in die Probe hinein ausbreiten. Ähnliche Ergebnisse wurden in 13, 26, 34, 66, 67 unter Verwendung externer piezoelektrischer Wandler und Sonotroden erzielt, die hochintensiven Ultraschall in verschiedenen Materialien, darunter Ti-6Al-4V-Legierung 26 und Edelstahl 34, liefern. Der mögliche Mechanismus wird wie folgt spekuliert. Intensiver Ultraschall kann akustische Kavitation verursachen, wie durch ultraschnelle In-situ-Synchrotron-Röntgenbildgebung gezeigt wurde. Der Kollaps der Kavitationsblasen erzeugt wiederum Stoßwellen im geschmolzenen Material, deren Frontdruck etwa \(100~\text {MPa}\)69 erreicht. Solche Stoßwellen können stark genug sein, um die Bildung von Festphasenkernen kritischer Größe in Flüssigkeiten zu fördern und so die typische säulenförmige Kornstruktur der schichtweisen additiven Fertigung.
Hier schlagen wir einen anderen Mechanismus vor, der für die Strukturveränderung durch intensive Ultraschallbehandlung verantwortlich ist. Das Material befindet sich unmittelbar nach der Erstarrung auf einer hohen Temperatur nahe dem Schmelzpunkt und weist eine extrem niedrige Fließgrenze auf. Intensive Ultraschallwellen können plastisches Fließen verursachen und die Kornstruktur des heißen, gerade erstarrten Materials verändern. Zuverlässige experimentelle Daten zur Temperaturabhängigkeit der Fließgrenze liegen jedoch bei \(T\lesssim 1150~\text {K}\) vor (siehe Abbildung 8). Um die Hypothese zu testen, führten wir daher molekulardynamische (MD)-Simulationen einer Fe-Cr-Ni-Zusammensetzung ähnlich dem Stahl AISI 316 L durch, um das Fließgrenzenverhalten nahe dem Schmelzpunkt zu bewerten. Zur Berechnung der Fließgrenze verwendeten wir die MD-Scherspannungsrelaxationsmethode, die in 70, 71, 72 und 73 beschrieben wird. Für die Berechnung der interatomaren Wechselwirkungen verwendeten wir das eingebettete Atommodell (EAM) aus 74. Die MD-Simulationen wurden mit den LAMMPS-Codes 75 und 76 durchgeführt. Details der MD-Simulation werden an anderer Stelle veröffentlicht. Die MD-Berechnungsergebnisse von Die Fließspannung als Funktion der Temperatur ist in Abb. 8 zusammen mit verfügbaren experimentellen Daten und anderen Auswertungen dargestellt77,78,79,80,81,82.
Fließgrenze für austenitischen Edelstahl AISI 316 und Modellzusammensetzung gegenüber Temperatur für MD-Simulationen. Experimentelle Messungen aus den Referenzen: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Siehe (f) 82. Dies ist ein empirisches Modell der Fließgrenzen-Temperatur-Abhängigkeit für die Inline-Spannungsmessung während der laserunterstützten additiven Fertigung. Die Ergebnisse der groß angelegten MD-Simulation in dieser Studie werden als \(\vartriangleleft\) für einen defektfreien unendlichen Einkristall und \(\vartriangleright\) für endliche Körner bezeichnet, wobei die durchschnittliche Korngröße über die Hall-Petch-Beziehung Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\) berücksichtigt wird.
Es ist ersichtlich, dass bei \(T>1500~\text {K}\) die Fließgrenze unter \(40~\text {MPa}\) fällt. Andererseits gehen Schätzungen davon aus, dass die vom Laser erzeugte Ultraschallamplitude \(40~\text {MPa}\) übersteigt (siehe Abb. 4b), was ausreicht, um im gerade erstarrten heißen Material plastisches Fließen zu induzieren.
Die Mikrostrukturbildung von austenitischem Edelstahl 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) während des SLM wurde mithilfe einer komplexen intensitätsmodulierten gepulsten Laserquelle experimentell untersucht.
Aufgrund des kontinuierlichen Laser-Umschmelzens wurde nach 1, 3 oder 5 Durchgängen eine Verringerung der Korngröße in der Laserschmelzzone festgestellt.
Makroskopische Modellierungen zeigen, dass die geschätzte Größe des Bereichs, in dem eine Ultraschallverformung die Erstarrungsfront positiv beeinflussen kann, bis zu \(1~\text {mm}\) beträgt.
Das mikroskopische MD-Modell zeigt, dass die Streckgrenze von austenitischem Edelstahl AISI 316 in der Nähe des Schmelzpunkts deutlich auf \(40~\text {MPa}\) reduziert ist.
Die erzielten Ergebnisse legen eine Methode zur Steuerung der Mikrostruktur von Materialien durch komplexe modulierte Laserbearbeitung nahe und könnten als Grundlage für die Entwicklung neuer Modifikationen der gepulsten SLM-Technik dienen.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturelle Entwicklung und mechanische Eigenschaften von in situ TiB2/AlSi10Mg-Verbundwerkstoffen durch laserselektives Schmelzen [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rekristallisationskorngrenzentechnik beim laserselektiven Schmelzen von Edelstahl 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In-situ-Entwicklung von Sandwich-Mikrostrukturen mit verbesserter Duktilität durch Laser-Wiedererwärmung von lasergeschmolzenen Titanlegierungen.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Additive Fertigung von Ti-6Al-4V-Teilen durch Laser-Metallabscheidung (LMD): Verfahren, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften. J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturelle Modellierung der lasergerichteten Energieabscheidung von Metallpulver der Legierung 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametrische Neutronen-Bragg-Kanten-Bildgebungsstudie von additiv gefertigten Proben, die mit Laser Shock Peening behandelt wurden.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradientenmikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Ti-6Al-4V, additiv hergestellt durch Elektronenstrahlschmelzen. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).