Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Προτείνεται ένας νέος μηχανισμός που βασίζεται στην επιλεκτική τήξη με λέιζερ για τον έλεγχο της μικροδομής των προϊόντων κατά τη διαδικασία παραγωγής. Ο μηχανισμός βασίζεται στην παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων υψηλής έντασης στην τετηγμένη δεξαμενή μέσω σύνθετης ακτινοβολίας λέιζερ με διαμόρφωση έντασης. Πειραματικές μελέτες και αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτός ο μηχανισμός ελέγχου είναι τεχνικά εφικτός και μπορεί να ενσωματωθεί αποτελεσματικά στο σχεδιασμό σύγχρονων μηχανών επιλεκτικής τήξης με λέιζερ.
Η προσθετική κατασκευή (AM) σύνθετων μερών έχει αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες. Ωστόσο, παρά την ποικιλία των προσθετικών διαδικασιών κατασκευής, συμπεριλαμβανομένης της επιλεκτικής τήξης με λέιζερ (SLM)1,2,3, της άμεσης εναπόθεσης μετάλλου με λέιζερ4,5,6, της τήξης με δέσμη ηλεκτρονίων7,8 και άλλων9,10, τα μέρη ενδέχεται να είναι ελαττωματικά. Αυτό οφείλεται κυρίως στα ειδικά χαρακτηριστικά της διαδικασίας στερεοποίησης της λιωμένης δεξαμενής που σχετίζονται με υψηλές θερμικές διαβαθμίσεις, υψηλούς ρυθμούς ψύξης και την πολυπλοκότητα των κύκλων θέρμανσης στα υλικά τήξης και επανατήξης11, τα οποία οδηγούν σε επιταξιακή ανάπτυξη κόκκων και σημαντικό πορώδες12,13. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, είναι απαραίτητο να ελέγχονται οι θερμικές διαβαθμίσεις, οι ρυθμοί ψύξης και η σύνθεση του κράματος ή να εφαρμόζονται πρόσθετα φυσικά σοκ μέσω εξωτερικών πεδίων διαφόρων ιδιοτήτων (π.χ. υπερήχων) για την επίτευξη λεπτών ισοαξονικών δομών κόκκων.
Πολυάριθμες δημοσιεύσεις ασχολούνται με την επίδραση της επεξεργασίας με δόνηση στη διαδικασία στερεοποίησης σε συμβατικές διαδικασίες χύτευσης14,15. Ωστόσο, η εφαρμογή εξωτερικού πεδίου σε χύδην τήγματα δεν παράγει την επιθυμητή μικροδομή υλικού. Εάν ο όγκος της υγρής φάσης είναι μικρός, η κατάσταση αλλάζει δραματικά. Σε αυτήν την περίπτωση, το εξωτερικό πεδίο επηρεάζει σημαντικά τη διαδικασία στερεοποίησης. Τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα έχουν ληφθεί υπόψη κατά τη διάρκεια έντονων ακουστικών πεδίων16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, ανάδευσης τόξου28 και ταλάντωσης29, παλμικών τόξων πλάσματος30,31 και άλλων μεθόδων32. Προσκολλώνται στο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας εξωτερική πηγή υπερήχων υψηλής έντασης (στα 20 kHz). Η βελτίωση των κόκκων που προκαλείται από υπερήχους αποδίδεται στην αυξημένη ζώνη υποψύξης της σύνθεσης λόγω της μειωμένης κλίσης θερμοκρασίας και της ενίσχυσης με υπερήχους για τη δημιουργία νέων κρυσταλλιτών μέσω σπηλαίωσης.
Σε αυτή την εργασία, διερευνήσαμε την πιθανότητα τροποποίησης της δομής των κόκκων των ωστενιτικών ανοξείδωτων χαλύβων μέσω υπερήχων στην τετηγμένη δεξαμενή με ηχητικά κύματα που παράγονται από το ίδιο το λέιζερ τήξης. Η διαμόρφωση έντασης της ακτινοβολίας λέιζερ που προσπίπτει στο μέσο απορρόφησης φωτός έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων, τα οποία μεταβάλλουν τη μικροδομή του υλικού. Αυτή η διαμόρφωση έντασης της ακτινοβολίας λέιζερ μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε υπάρχοντες τρισδιάστατους εκτυπωτές SLM. Τα πειράματα σε αυτή την εργασία πραγματοποιήθηκαν σε πλάκες ανοξείδωτου χάλυβα των οποίων οι επιφάνειες εκτέθηκαν σε ακτινοβολία λέιζερ διαμορφωμένης έντασης. Έτσι, τεχνικά, γίνεται επιφανειακή επεξεργασία με λέιζερ. Ωστόσο, εάν μια τέτοια επεξεργασία με λέιζερ εκτελείται στην επιφάνεια κάθε στρώσης, κατά τη διάρκεια της συσσώρευσης στρώσης προς στρώση, επιτυγχάνονται επιδράσεις σε ολόκληρο τον όγκο ή σε επιλεγμένα μέρη του όγκου. Με άλλα λόγια, εάν το εξάρτημα κατασκευάζεται στρώση προς στρώση, η επιφανειακή επεξεργασία με λέιζερ κάθε στρώσης ισοδυναμεί με «επεξεργασία όγκου με λέιζερ».
Ενώ στην υπερηχητική θεραπεία με βάση το υπερηχητικό κέρας, η υπερηχητική ενέργεια του στάσιμου ηχητικού κύματος κατανέμεται σε όλο το εξάρτημα, ενώ η ένταση υπερήχων που προκαλείται από λέιζερ είναι ιδιαίτερα συγκεντρωμένη κοντά στο σημείο όπου απορροφάται η ακτινοβολία λέιζερ. Η χρήση ενός sonotrode σε μια μηχανή σύντηξης κλίνης σκόνης SLM είναι περίπλοκη επειδή η άνω επιφάνεια της κλίνης σκόνης που εκτίθεται στην ακτινοβολία λέιζερ θα πρέπει να παραμένει ακίνητη. Επιπλέον, δεν υπάρχει μηχανική τάση στην άνω επιφάνεια του εξαρτήματος. Επομένως, η ακουστική τάση είναι κοντά στο μηδέν και η ταχύτητα των σωματιδίων έχει μέγιστο πλάτος σε ολόκληρη την άνω επιφάνεια του εξαρτήματος. Η ηχητική πίεση μέσα σε ολόκληρη την τετηγμένη δεξαμενή δεν μπορεί να υπερβαίνει το 0,1% της μέγιστης πίεσης που παράγεται από την κεφαλή συγκόλλησης, επειδή το μήκος κύματος των υπερηχητικών κυμάτων με συχνότητα 20 kHz σε ανοξείδωτο χάλυβα είναι \(\sim 0,3~\text {m}\), και το βάθος είναι συνήθως μικρότερο από \(\sim 0,3~\text {mm}\). Επομένως, η επίδραση των υπερήχων στην σπηλαίωση μπορεί να είναι μικρή.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η χρήση ακτινοβολίας λέιζερ με διαμόρφωση έντασης στην άμεση εναπόθεση μετάλλων με λέιζερ αποτελεί ενεργό πεδίο έρευνας35,36,37,38.
Η θερμική επίδραση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λέιζερ στο μέσο αποτελεί τη βάση για σχεδόν όλες τις τεχνικές λέιζερ 39, 40 για την επεξεργασία υλικών, όπως η κοπή41, η συγκόλληση, η σκλήρυνση, η διάτρηση42, ο καθαρισμός επιφανειών, η κράμα επιφανειών, η στίλβωση επιφανειών43, κ.λπ. Η εφεύρεση του λέιζερ ώθησε νέες εξελίξεις στις τεχνικές επεξεργασίας υλικών και τα προκαταρκτικά αποτελέσματα έχουν συνοψιστεί σε πολυάριθμες ανασκοπήσεις και μονογραφίες44,45,46.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οποιαδήποτε μη στατική δράση στο μέσο, ​​συμπεριλαμβανομένης της δράσης λέιζερ στο απορροφητικό μέσο, ​​έχει ως αποτέλεσμα τη διέγερση ακουστικών κυμάτων σε αυτό με μεγαλύτερη ή μικρότερη απόδοση. Αρχικά, η κύρια εστίαση ήταν στη διέγερση κυμάτων σε υγρά με λέιζερ και στους διάφορους μηχανισμούς θερμικής διέγερσης του ήχου (θερμική διαστολή, εξάτμιση, αλλαγή όγκου κατά τη μετάβαση φάσης, συστολή κ.λπ.) 47, 48, 49. Πολυάριθμες μονογραφίες 50, 51, 52 παρέχουν θεωρητικές αναλύσεις αυτής της διαδικασίας και των πιθανών πρακτικών εφαρμογών της.
Αυτά τα ζητήματα συζητήθηκαν στη συνέχεια σε διάφορα συνέδρια και η διέγερση υπερήχων με λέιζερ έχει εφαρμογές τόσο σε βιομηχανικές εφαρμογές της τεχνολογίας λέιζερ53 όσο και στην ιατρική54. Επομένως, μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει καθιερωθεί η βασική έννοια της διαδικασίας με την οποία το παλμικό φως λέιζερ δρα σε ένα απορροφητικό μέσο. Η επιθεώρηση με υπερήχους λέιζερ χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ελαττωμάτων σε δείγματα που κατασκευάζονται με SLM55,56.
Η επίδραση των κρουστικών κυμάτων που παράγονται από λέιζερ στα υλικά αποτελεί τη βάση της κρουστικής διάτρησης με λέιζερ57,58,59, η οποία χρησιμοποιείται επίσης για την επιφανειακή επεξεργασία εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με πρόσθετα60. Ωστόσο, η ενίσχυση με κρουστικό κρούσμα με λέιζερ είναι πιο αποτελεσματική σε παλμούς λέιζερ νανοδευτερολέπτων και σε μηχανικά φορτισμένες επιφάνειες (π.χ., με ένα στρώμα υγρού)59 επειδή η μηχανική φόρτιση αυξάνει την μέγιστη πίεση.
Διεξήχθησαν πειράματα για τη διερεύνηση των πιθανών επιδράσεων διαφόρων φυσικών πεδίων στη μικροδομή στερεοποιημένων υλικών. Το λειτουργικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης φαίνεται στο Σχήμα 1. Χρησιμοποιήθηκε ένα παλμικό Nd:YAG στερεάς κατάστασης λέιζερ που λειτουργεί σε ελεύθερη λειτουργία (διάρκεια παλμού \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Κάθε παλμός λέιζερ διέρχεται από μια σειρά φίλτρων ουδέτερης πυκνότητας και ένα σύστημα πλακών διαχωριστή δέσμης. Ανάλογα με τον συνδυασμό φίλτρων ουδέτερης πυκνότητας, η ενέργεια παλμού στον στόχο ποικίλλει από \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) έως \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Η δέσμη λέιζερ που ανακλάται από τον διαχωριστή δέσμης τροφοδοτείται σε μια φωτοδίοδο για ταυτόχρονη λήψη δεδομένων και χρησιμοποιούνται δύο θερμιδομετρητές (φωτοδίοδοι με μεγάλο χρόνο απόκρισης που υπερβαίνει \(1~\text {ms}\)) για τον προσδιορισμό της προσπίπτουσας και ανακλώμενης από τον στόχο δέσμης, και δύο μετρητές ισχύος (φωτοδίοδοι με σύντομη απόκριση φορές\(<10~\text {ns}\)) για τον προσδιορισμό της προσπίπτουσας και ανακλώμενης οπτικής ισχύος. Τα θερμιδομετρικά και τα μετρητικά ισχύος βαθμονομήθηκαν για να δίνουν τιμές σε απόλυτες μονάδες χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή θερμοπυλών Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 και ένα διηλεκτρικό κάτοπτρο τοποθετημένο στη θέση του δείγματος. Εστιάστε τη δέσμη στον στόχο χρησιμοποιώντας έναν φακό (αντιανακλαστική επίστρωση στα \(1,06 \upmu \text {m}\), εστιακή απόσταση \(160~\text {mm}\)) και μια μέση δέσμης στην επιφάνεια του στόχου 60– \(100~\upmu \text {m}\).
Λειτουργικό σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης: 1—λέιζερ· 2—δέσμη λέιζερ· 3—φίλτρο ουδέτερης πυκνότητας· 4—συγχρονισμένη φωτοδίοδος· 5—διαχωριστής δέσμης· 6—διάφραγμα· 7—θερμιδόμετρο προσπίπτουσας δέσμης· 8 – θερμιδόμετρο ανακλώμενης δέσμης· 9 – μετρητής ισχύος προσπίπτουσας δέσμης· 10 – μετρητής ισχύος ανακλώμενης δέσμης· 11 – φακός εστίασης· 12 – κάτοπτρο· 13 – δείγμα· 14 – πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας ευρείας ζώνης· 15 – μετατροπέας 2D· 16 – μικροελεγκτής τοποθέτησης· 17 – μονάδα συγχρονισμού· 18 – πολυκαναλικό σύστημα ψηφιακής λήψης με διάφορους ρυθμούς δειγματοληψίας· 19 – προσωπικός υπολογιστής.
Η υπερηχητική επεξεργασία πραγματοποιείται ως εξής. Το λέιζερ λειτουργεί σε ελεύθερη λειτουργία. Συνεπώς, η διάρκεια του παλμού λέιζερ είναι \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), η οποία αποτελείται από πολλαπλές διάρκειες περίπου \(1,5~\upmu \text {s}\) η καθεμία. Το χρονικό σχήμα του παλμού λέιζερ και το φάσμα του αποτελούνται από ένα περίβλημα χαμηλής συχνότητας και μια διαμόρφωση υψηλής συχνότητας, με μέση συχνότητα περίπου \(0,7~\text {MHz}\), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. - Το περίβλημα συχνότητας παρέχει τη θέρμανση και την επακόλουθη τήξη και εξάτμιση του υλικού, ενώ το συστατικό υψηλής συχνότητας παρέχει τις υπερηχητικές δονήσεις λόγω του φωτοακουστικού φαινομένου. Η κυματομορφή του υπερηχητικού παλμού που παράγεται από το λέιζερ καθορίζεται κυρίως από το χρονικό σχήμα της έντασης του παλμού λέιζερ. Είναι από \(7~\text {kHz}\) έως \(2~\text {MHz}\), και η κεντρική συχνότητα είναι \(~\text {MHz}\). Οι ακουστικοί παλμοί λόγω του φωτοακουστικού φαινομένου καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς ευρείας ζώνης κατασκευασμένους από φιλμ πολυβινυλιδενικού φθοριδίου. Η καταγεγραμμένη κυματομορφή και το φάσμα της φαίνονται στο Σχήμα 2. Πρέπει να σημειωθεί ότι το σχήμα των παλμών λέιζερ είναι τυπικό ενός λέιζερ ελεύθερης λειτουργίας.
Η χρονική κατανομή της έντασης του παλμού λέιζερ (α) και της ταχύτητας του ήχου στην πίσω επιφάνεια του δείγματος (β), τα φάσματα του παλμού λέιζερ (γ) και του υπερηχητικού παλμού (δ) υπολόγισαν κατά μέσο όρο πάνω από 300 παλμούς λέιζερ (κόκκινη καμπύλη) για έναν μόνο παλμό λέιζερ (μπλε καμπύλη).
Μπορούμε να διακρίνουμε με σαφήνεια τα στοιχεία χαμηλής και υψηλής συχνότητας της ακουστικής επεξεργασίας που αντιστοιχούν στο περίβλημα χαμηλής συχνότητας του παλμού λέιζερ και στη διαμόρφωση υψηλής συχνότητας, αντίστοιχα. Τα μήκη κύματος των ακουστικών κυμάτων που παράγονται από το περίβλημα του παλμού λέιζερ υπερβαίνουν τα \(40~\text {cm}\). Επομένως, αναμένεται η κύρια επίδραση των στοιχείων υψηλής συχνότητας ευρείας ζώνης του ακουστικού σήματος στη μικροδομή.
Οι φυσικές διεργασίες στο SLM είναι πολύπλοκες και συμβαίνουν ταυτόχρονα σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες. Επομένως, οι μέθοδοι πολλαπλών κλιμάκων είναι οι πιο κατάλληλες για τη θεωρητική ανάλυση του SLM. Τα μαθηματικά μοντέλα θα πρέπει αρχικά να είναι πολυφυσικά. Στη συνέχεια, μπορούν να περιγραφούν αποτελεσματικά η μηχανική και η θερμοφυσική ενός πολυφασικού μέσου "στερεού-υγρού τήγματος" που αλληλεπιδρά με μια ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου. Τα χαρακτηριστικά των θερμικών φορτίων υλικών στο SLM έχουν ως εξής.
Ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης έως \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ λόγω εντοπισμένης ακτινοβολίας λέιζερ με πυκνότητες ισχύος έως \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ο κύκλος τήξης-στερεοποίησης διαρκεί μεταξύ 1 και \(10~\text {ms}\), γεγονός που συμβάλλει στην ταχεία στερεοποίηση της ζώνης τήξης κατά την ψύξη.
Η ταχεία θέρμανση της επιφάνειας του δείγματος έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό υψηλών θερμοελαστικών τάσεων στο επιφανειακό στρώμα. Ένα επαρκές (έως 20%) τμήμα του στρώματος σκόνης εξατμίζεται έντονα63, γεγονός που οδηγεί σε ένα πρόσθετο φορτίο πίεσης στην επιφάνεια σε απόκριση στην αφαίρεση με λέιζερ. Κατά συνέπεια, η επαγόμενη παραμόρφωση παραμορφώνει σημαντικά τη γεωμετρία του εξαρτήματος, ειδικά κοντά σε στηρίγματα και λεπτά δομικά στοιχεία. Ο υψηλός ρυθμός θέρμανσης στην παλμική ανόπτηση με λέιζερ έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων παραμόρφωσης που διαδίδονται από την επιφάνεια στο υπόστρωμα. Προκειμένου να ληφθούν ακριβή ποσοτικά δεδομένα σχετικά με την τοπική κατανομή τάσεων και παραμορφώσεων, πραγματοποιείται μια μεσοσκοπική προσομοίωση του προβλήματος ελαστικής παραμόρφωσης σε συνδυασμό με τη μεταφορά θερμότητας και μάζας.
Οι κυρίαρχες εξισώσεις του μοντέλου περιλαμβάνουν (1) ασταθείς εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας όπου η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται από την κατάσταση φάσης (σκόνη, τήγμα, πολυκρυσταλλική) και τη θερμοκρασία, (2) διακυμάνσεις στην ελαστική παραμόρφωση μετά από συνεχή αφαίρεση και εξίσωση θερμοελαστικής διαστολής. Το πρόβλημα οριακής τιμής καθορίζεται από πειραματικές συνθήκες. Η διαμορφωμένη ροή λέιζερ ορίζεται στην επιφάνεια του δείγματος. Η ψύξη με συναγωγή περιλαμβάνει αγώγιμη ανταλλαγή θερμότητας και εξατμιστική ροή. Η ροή μάζας ορίζεται με βάση τον υπολογισμό της τάσης κορεσμένων ατμών του εξατμιζόμενου υλικού. Η ελαστοπλαστική σχέση τάσης-παραμόρφωσης χρησιμοποιείται όπου η θερμοελαστική τάση είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας. Για ονομαστική ισχύ \(300~\text {W}\), συχνότητα \(10^5~\text {Hz}\), διαλείποντα συντελεστή 100 και \(200~\mu \text {m}\) της ενεργού διαμέτρου της δέσμης.
Το Σχήμα 3 δείχνει τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης της τηγμένης ζώνης χρησιμοποιώντας ένα μακροσκοπικό μαθηματικό μοντέλο. Η διάμετρος της ζώνης σύντηξης είναι \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) ακτίνα) και \(40~\upmu \text {m}\) βάθος. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας μεταβάλλεται τοπικά με την πάροδο του χρόνου ως \(100~\text {K}\) λόγω του υψηλού διαλείποντος συντελεστή της παλμικής διαμόρφωσης. Οι ρυθμοί θέρμανσης \(V_h\) και ψύξης \(V_c\) είναι της τάξης \(10^7\) και \(10^6~\text {K}/\text {s}\), αντίστοιχα. Αυτές οι τιμές συμφωνούν σε μεγάλο βαθμό με την προηγούμενη ανάλυσή μας64. Μια διαφορά τάξης μεγέθους μεταξύ \(V_h\) και \(V_c\) έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία υπερθέρμανση του επιφανειακού στρώματος, όπου η θερμική αγωγιμότητα στο υπόστρωμα είναι ανεπαρκής για την απομάκρυνση της θερμότητας. Επομένως, σε \(t=26~\upmu \text {s}\) η θερμοκρασία της επιφάνειας φτάνει σε μέγιστο ύψος έως και \(4800~\text {K}\). Η έντονη εξάτμιση του υλικού μπορεί να προκαλέσει την υποβολή της επιφάνειας του δείγματος σε υπερβολική πίεση και την αποκόλληση.
Αποτελέσματα αριθμητικής προσομοίωσης ζώνης τήξης ανόπτησης με μονό παλμό λέιζερ σε πλάκα δείγματος 316L. Ο χρόνος από την αρχή του παλμού μέχρι το βάθος της τηγμένης δεξαμενής να φτάσει στη μέγιστη τιμή είναι \(180~\upmu\text {s}\). Η ισόθερμη\(T = T_L = 1723~\text {K}\) αντιπροσωπεύει το όριο μεταξύ της υγρής και της στερεάς φάσης. Οι ισοβαρείς (κίτρινες γραμμές) αντιστοιχούν στην τάση διαρροής που υπολογίζεται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας στην επόμενη ενότητα. Επομένως, στην περιοχή μεταξύ των δύο ισογραμμών (ισόθερμες\(T=T_L\) και ισοβαρείς\(\sigma =\sigma _V(T)\)), η στερεά φάση υπόκειται σε ισχυρά μηχανικά φορτία, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αλλαγές στη μικροδομή.
Αυτό το φαινόμενο εξηγείται περαιτέρω στο Σχήμα 4α, όπου το επίπεδο πίεσης στη ζώνη τήξης απεικονίζεται γραφικά ως συνάρτηση του χρόνου και της απόστασης από την επιφάνεια. Πρώτον, η συμπεριφορά της πίεσης σχετίζεται με τη διαμόρφωση της έντασης του παλμού λέιζερ που περιγράφεται στο Σχήμα 2 παραπάνω. Παρατηρήθηκε μέγιστη πίεση \text{s}\) περίπου \(10~\text {MPa}\) σε περίπου \(t=26~\upmu). Δεύτερον, η διακύμανση της τοπικής πίεσης στο σημείο ελέγχου έχει τα ίδια χαρακτηριστικά ταλάντωσης με τη συχνότητα \(500~\text {kHz}\). Αυτό σημαίνει ότι τα υπερηχητικά κύματα πίεσης παράγονται στην επιφάνεια και στη συνέχεια διαδίδονται στο υπόστρωμα.
Τα υπολογισμένα χαρακτηριστικά της ζώνης παραμόρφωσης κοντά στη ζώνη τήξης φαίνονται στο Σχήμα 4β. Η αφαίρεση με λέιζερ και η θερμοελαστική τάση δημιουργούν κύματα ελαστικής παραμόρφωσης που διαδίδονται στο υπόστρωμα. Όπως φαίνεται από το σχήμα, υπάρχουν δύο στάδια δημιουργίας τάσης. Κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης \(t < 40~\upmu \text {s}\), η τάση Mises αυξάνεται στα \(8~\text {MPa}\) με διαμόρφωση παρόμοια με την επιφανειακή πίεση. Αυτή η τάση εμφανίζεται λόγω της αφαίρεσης με λέιζερ και δεν παρατηρήθηκε θερμοελαστική τάση στα σημεία ελέγχου επειδή η αρχική ζώνη που επηρεάστηκε από τη θερμότητα ήταν πολύ μικρή. Όταν η θερμότητα διαχέεται στο υπόστρωμα, το σημείο ελέγχου παράγει υψηλή θερμοελαστική τάση πάνω από \(40~\text {MPa}\).
Τα λαμβανόμενα διαμορφωμένα επίπεδα τάσης έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη διεπαφή στερεού-υγρού και μπορεί να αποτελούν τον μηχανισμό ελέγχου που διέπει την πορεία στερεοποίησης. Το μέγεθος της ζώνης παραμόρφωσης είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερο από αυτό της ζώνης τήξης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, συγκρίνονται η θέση της ισόθερμης τήξης και το επίπεδο τάσης ίσο με την τάση διαρροής. Αυτό σημαίνει ότι η παλμική ακτινοβολία λέιζερ παρέχει υψηλά μηχανικά φορτία σε εντοπισμένες περιοχές με ενεργό διάμετρο μεταξύ 300 και \(800~\upmu \text {m}\) ανάλογα με τον στιγμιαίο χρόνο.
Επομένως, η σύνθετη διαμόρφωση της παλμικής ανόπτησης με λέιζερ οδηγεί στο υπερηχητικό φαινόμενο. Η οδός επιλογής μικροδομής είναι διαφορετική σε σύγκριση με το SLM χωρίς υπερηχητική φόρτιση. Οι παραμορφωμένες ασταθείς περιοχές οδηγούν σε περιοδικούς κύκλους συμπίεσης και τάνυσης στη στερεά φάση. Έτσι, ο σχηματισμός νέων ορίων κόκκων και ορίων υποκόκκων καθίσταται εφικτός. Επομένως, οι ιδιότητες της μικροδομής μπορούν να αλλάξουν σκόπιμα, όπως φαίνεται παρακάτω. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν παρέχουν τη δυνατότητα σχεδιασμού ενός πρωτοτύπου SLM που βασίζεται σε υπερήχους και προκαλείται από παλμική διαμόρφωση. Σε αυτήν την περίπτωση, ο πιεζοηλεκτρικός επαγωγέας 26 που χρησιμοποιείται αλλού μπορεί να αποκλειστεί.
(α) Πίεση ως συνάρτηση του χρόνου, υπολογιζόμενη σε διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια 0, 20 και \(40~\mu \text {m}\) κατά μήκος του άξονα συμμετρίας. (β) Χρονικά εξαρτώμενη τάση Von Mises υπολογιζόμενη σε στερεό πίνακα σε αποστάσεις 70, 120 και \(170~\mu \text {m}\) από την επιφάνεια του δείγματος.
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε πλάκες ανοξείδωτου χάλυβα AISI 321H με διαστάσεις \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Μετά από κάθε παλμό λέιζερ, η πλάκα κινείται \(50~\upmu \text {m}\), και η μέση της δέσμης λέιζερ στην επιφάνεια-στόχο είναι περίπου \(100~\upmu \text {m}\). Έως και πέντε διαδοχικά περάσματα δέσμης πραγματοποιούνται κατά μήκος της ίδιας τροχιάς για να προκληθεί επανατήξη του επεξεργασμένου υλικού για βελτίωση των κόκκων. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επανατηχθείσα ζώνη υποβλήθηκε σε υπερήχους, ανάλογα με το ταλαντωτικό συστατικό της ακτινοβολίας λέιζερ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια μείωση άνω του 5 φορές στη μέση επιφάνεια των κόκκων. Το Σχήμα 5 δείχνει πώς αλλάζει η μικροδομή της περιοχής που έχει τηχθεί με λέιζερ με τον αριθμό των διαδοχικών κύκλων επανατήξης (περασμάτων).
Υποδιαγράμματα (a,d,g,j) και (b,e,h,k) – μικροδομή περιοχών τήξης με λέιζερ, υποδιαγράμματα (c,f,i,l) – κατανομή επιφάνειας χρωματισμένων κόκκων. Η σκίαση αντιπροσωπεύει τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ιστογράμματος. Τα χρώματα αντιστοιχούν στις περιοχές κόκκων (δείτε τη γραμμή χρωμάτων στο επάνω μέρος του ιστογράμματος). Τα υποδιαγράμματα (ac) αντιστοιχούν σε ακατέργαστο ανοξείδωτο χάλυβα και τα υποδιαγράμματα (df), (gi), (jl) αντιστοιχούν σε 1, 3 και 5 επανατήξεις.
Δεδομένου ότι η ενέργεια παλμού λέιζερ δεν αλλάζει μεταξύ των επόμενων περασμάτων, το βάθος της ζώνης τήξης είναι το ίδιο. Έτσι, το επόμενο κανάλι «καλύπτει» πλήρως το προηγούμενο. Ωστόσο, το ιστόγραμμα δείχνει ότι η μέση και η διάμεση επιφάνεια των κόκκων μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των περασμάτων. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι το λέιζερ δρα στο υπόστρωμα και όχι στο τήγμα.
Η βελτίωση των κόκκων μπορεί να προκληθεί από την ταχεία ψύξη της λιωμένης δεξαμενής65. Πραγματοποιήθηκε μια άλλη σειρά πειραμάτων στα οποία οι επιφάνειες των πλακών ανοξείδωτου χάλυβα (321H και 316L) εκτέθηκαν σε ακτινοβολία λέιζερ συνεχούς κύματος στην ατμόσφαιρα (Εικ. 6) και στο κενό (Εικ. 7). Η μέση ισχύς λέιζερ (300 W και 100 W, αντίστοιχα) και το βάθος της λιωμένης δεξαμενής είναι κοντά στα πειραματικά αποτελέσματα του λέιζερ Nd:YAG σε λειτουργία ελεύθερης λειτουργίας. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια τυπική στηλοειδής δομή.
Μικροδομή της περιοχής τήξης με λέιζερ ενός λέιζερ συνεχούς κύματος (σταθερή ισχύς 300 W, ταχύτητα σάρωσης 200 mm/s, ανοξείδωτος χάλυβας AISI 321H).
(α) Μικροδομή και (β) εικόνες περίθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων της περιοχής που έχει υποστεί τήξη με λέιζερ σε κενό με λέιζερ συνεχούς κύματος (σταθερή ισχύς 100 W, ταχύτητα σάρωσης 200 mm/s, ανοξείδωτος χάλυβας AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Επομένως, αποδεικνύεται σαφώς ότι η σύνθετη διαμόρφωση της έντασης του παλμού λέιζερ έχει σημαντική επίδραση στην προκύπτουσα μικροδομή. Πιστεύουμε ότι αυτό το φαινόμενο είναι μηχανικής φύσης και συμβαίνει λόγω της δημιουργίας υπερηχητικών δονήσεων που διαδίδονται από την ακτινοβολημένη επιφάνεια του τήγματος βαθιά μέσα στο δείγμα. Παρόμοια αποτελέσματα ελήφθησαν στα 13, 26, 34, 66, 67 χρησιμοποιώντας εξωτερικούς πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς και sonotrodes που παρέχουν υπερήχους υψηλής έντασης σε διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του κράματος Ti-6Al-4V 26 και του ανοξείδωτου χάλυβα 34 ως αποτέλεσμα. Ο πιθανός μηχανισμός εικάζεται ως εξής. Οι έντονοι υπέρηχοι μπορούν να προκαλέσουν ακουστική σπηλαίωση, όπως αποδεικνύεται στην εξαιρετικά γρήγορη απεικόνιση ακτίνων Χ in situ με συγχρότρον. Η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης με τη σειρά της δημιουργεί κρουστικά κύματα στο τηγμένο υλικό, των οποίων η μετωπική πίεση φτάνει περίπου το \(100~\text {MPa}\)69. Τέτοια κρουστικά κύματα μπορεί να είναι αρκετά ισχυρά για να προωθήσουν τον σχηματισμό πυρήνων στερεάς φάσης κρίσιμου μεγέθους σε υγρά χύδην, διαταράσσοντας την τυπική δομή κόκκων σε μορφή στήλης στρώσης προς στρώση. προσθετικής παραγωγής.
Εδώ, προτείνουμε έναν άλλο μηχανισμό υπεύθυνο για τη δομική τροποποίηση με έντονη υπερήχηση. Αμέσως μετά τη στερεοποίηση, το υλικό βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία κοντά στο σημείο τήξης και έχει εξαιρετικά χαμηλή τάση διαρροής. Τα έντονα υπερηχητικά κύματα μπορούν να προκαλέσουν την πλαστική ροή να αλλάξει τη δομή των κόκκων του θερμού, μόλις στερεοποιημένου υλικού. Ωστόσο, αξιόπιστα πειραματικά δεδομένα σχετικά με την εξάρτηση της τάσης διαρροής από τη θερμοκρασία είναι διαθέσιμα στο \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (βλ. Σχήμα 8). Επομένως, για να ελέγξουμε αυτήν την υπόθεση, πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) μιας σύνθεσης Fe-Cr-Ni παρόμοιας με τον χάλυβα AISI 316 L, προκειμένου να αξιολογήσουμε τη συμπεριφορά της τάσης διαρροής κοντά στο σημείο τήξης. Για να υπολογίσουμε την τάση διαρροής, χρησιμοποιήσαμε την τεχνική χαλάρωσης της τάσης διάτμησης MD που περιγράφεται λεπτομερώς στα 70, 71, 72, 73. Για τους υπολογισμούς διατομικής αλληλεπίδρασης, χρησιμοποιήσαμε το Ενσωματωμένο Ατομικό Μοντέλο (EAM) από το 74. Οι προσομοιώσεις MD πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τους κώδικες LAMMPS 75,76. Λεπτομέρειες των προσομοιώσεων MD θα δημοσιευτούν αλλού. Τα αποτελέσματα του υπολογισμού MD της τάσης διαρροής ως συνάρτηση της θερμοκρασίας παρουσιάζονται στο Σχήμα 8 μαζί με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα και άλλες αξιολογήσεις77,78,79,80,81,82.
Τάση διαρροής για ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα AISI ποιότητας 316 και σύνθεση μοντέλου έναντι θερμοκρασίας για προσομοιώσεις MD. Πειραματικές μετρήσεις από αναφορές: (α) 77, (β) 78, (γ) 79, (δ) 80, (ε) 81. Ανατρέξτε στο. (στ) 82 είναι ένα εμπειρικό μοντέλο εξάρτησης τάσης διαρροής-θερμοκρασίας για μέτρηση τάσης σε σειρά κατά τη διάρκεια της προσθετικής κατασκευής με υποβοήθηση λέιζερ. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων MD μεγάλης κλίμακας σε αυτή τη μελέτη συμβολίζονται ως \(\vartriangleleft\) για έναν άπειρο μονοκρύσταλλο χωρίς ελαττώματα και \(\vartriangleright\) για πεπερασμένους κόκκους λαμβάνοντας υπόψη το μέσο μέγεθος κόκκων μέσω της σχέσης Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Μπορεί να φανεί ότι στα \(T>1500~\text {K}\) η τάση διαρροής πέφτει κάτω από \(40~\text {MPa}\). Από την άλλη πλευρά, οι εκτιμήσεις προβλέπουν ότι το πλάτος υπερήχων που παράγεται από λέιζερ υπερβαίνει τα \(40~\text {MPa}\) (βλ. Σχήμα 4b), το οποίο είναι επαρκές για να προκαλέσει πλαστική ροή στο θερμό υλικό που μόλις στερεοποιήθηκε.
Ο σχηματισμός μικροδομής του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) κατά τη διάρκεια της SLM διερευνήθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας μια πηγή παλμικού λέιζερ με διαμόρφωση έντασης.
Διαπιστώθηκε μείωση του μεγέθους των κόκκων στη ζώνη τήξης με λέιζερ λόγω της συνεχούς επανατήξης με λέιζερ μετά από 1, 3 ή 5 περάσματα.
Η μακροσκοπική μοντελοποίηση δείχνει ότι το εκτιμώμενο μέγεθος της περιοχής όπου η υπερηχητική παραμόρφωση μπορεί να επηρεάσει θετικά το μέτωπο στερεοποίησης είναι έως \(1~\text {mm}\).
Το μικροσκοπικό μοντέλο MD δείχνει ότι το όριο διαρροής του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα AISI 316 μειώνεται σημαντικά στα \(40~\text {MPa}\) κοντά στο σημείο τήξης.
Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν υποδεικνύουν μια μέθοδο για τον έλεγχο της μικροδομής των υλικών χρησιμοποιώντας σύνθετη διαμορφωμένη επεξεργασία λέιζερ και θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως βάση για τη δημιουργία νέων τροποποιήσεων της τεχνικής παλμικού SLM.
Liu, Y. et al. Μικροδομική εξέλιξη και μηχανικές ιδιότητες σύνθετων υλικών in situ TiB2/AlSi10Mg με επιλεκτική τήξη με λέιζερ [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Μηχανική ορίων κόκκων ανακρυστάλλωσης επιλεκτικής τήξης με λέιζερ ανοξείδωτου χάλυβα 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Ανάπτυξη μικροδομών τύπου σάντουιτς in situ με βελτιωμένη ολκιμότητα μέσω επαναθέρμανσης με λέιζερ κραμάτων τιτανίου που έχουν υποστεί τήξη με λέιζερ. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Προσθετική κατασκευή εξαρτημάτων Ti-6Al-4V με εναπόθεση μετάλλου με λέιζερ (LMD): διαδικασία, μικροδομή και μηχανικές ιδιότητες. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Μικροδομική μοντελοποίηση εναπόθεσης ενέργειας κατευθυνόμενης με λέιζερ μεταλλικής σκόνης του κράματος 718. Προσθήκη στο.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Παραμετρική Μελέτη Απεικόνισης Ακρών Bragg Νετρονίων σε Προσθετικά Παρασκευασμένα Δείγματα που Επεξεργάστηκαν με Laser Shock Peening. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Μικροδομή κλίσης και μηχανικές ιδιότητες του Ti-6Al-4V που κατασκευάζεται προσθετικά με τήξη δέσμης ηλεκτρονίων. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).