Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on CSS-i jaoks piiratud tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Seni kuvame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiili ja JavaScriptita.
Pakutakse välja uus selektiivsel lasersulatusel põhinev mehhanism toodete mikrostruktuuri juhtimiseks tootmisprotsessis. Mehhanism tugineb suure intensiivsusega ultrahelilainete genereerimisele sulavannis keerulise intensiivsusmoduleeritud laserkiirguse abil. Eksperimentaalsed uuringud ja numbrilised simulatsioonid näitavad, et see juhtimismehhanism on tehniliselt teostatav ja seda saab tõhusalt integreerida kaasaegsete selektiivsete lasersulatusmasinate konstruktsiooni.
Keerulise kujuga osade lisandite tootmine (AM) on viimastel aastakümnetel märkimisväärselt kasvanud. Vaatamata lisandite tootmisprotsesside mitmekesisusele, sealhulgas selektiivne lasersulatus (SLM)1,2,3, otsene lasermetalli sadestamine4,5,6, elektronkiirsulatus7,8 ja muud9,10, võivad osad olla defektsed. See on peamiselt tingitud sulavanni tahkumisprotsessi eripäradest, mis on seotud kõrgete termiliste gradientide, kiirete jahutuskiiruste ja sulavate ja ümbersulatavate materjalide kuumutustsüklite keerukusega11, mis põhjustavad epitaksiaalset terade kasvu ja märkimisväärset poorsust12,13. Tulemused näitavad, et peenete võrdteljeliste terastruktuuride saavutamiseks on vaja kontrollida termilisi gradiente, jahutuskiirusi ja sulami koostist või rakendada täiendavaid füüsikalisi lööke erinevate omadustega väliste väljade (nt ultraheli) kaudu.
Arvukad publikatsioonid käsitlevad vibratsioontöötluse mõju tahkestumisprotsessile tavapärastes valamisprotsessides14,15. Välise välja rakendamine sulamaterjalidele ei anna aga soovitud materjali mikrostruktuuri. Kui vedelfaasi maht on väike, muutub olukord dramaatiliselt. Sellisel juhul mõjutab väline väli oluliselt tahkestumisprotsessi. Elektromagnetilisi efekte on arvestatud intensiivsete akustiliste väljade16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, kaarega segamise28 ja võnkumise29, impulssplasmakaarte30,31 ja muude meetodite32 korral. Kinnitage aluspinnale välise suure intensiivsusega ultraheliallika abil (sagedusel 20 kHz). Ultraheli poolt indutseeritud terade peenenemist seostatakse suurenenud koostise alajahtumisvööndiga, mis on tingitud vähenenud temperatuurigradiendist ja ultraheli võimendusest, et tekitada kavitatsiooni teel uusi kristalliite.
Selles töös uurisime austeniitse roostevaba terase terastruktuuri muutmise võimalust, sonikeerides sulamislaseri enda tekitatud helilainetega. Valgust neelavale keskkonnale langeva laserkiirguse intensiivsuse moduleerimine tekitab ultrahelilaineid, mis muudavad materjali mikrostruktuuri. Seda laserkiirguse intensiivsuse moduleerimist saab hõlpsasti integreerida olemasolevatesse SLM 3D-printeritesse. Selle töö katsed viidi läbi roostevabast terasest plaatidega, mille pinnad olid allutatud intensiivsusmoduleeritud laserkiirgusele. Seega tehniliselt teostatakse laserpinnatöötlus. Kui aga sellist lasertöötlust teostatakse iga kihi pinnal kiht-kihilt ülesehitamise ajal, saavutatakse mõju kogu mahule või mahu valitud osadele. Teisisõnu, kui detail ehitatakse kiht-kihilt, on iga kihi laserpinnatöötlus samaväärne "lasermahutöötlusega".
Ultraheli sarvel põhinevas ultraheliteraapias jaotub seisva helilaine ultrahelienergia kogu komponendi ulatuses, samas kui laserindutseeritud ultraheli intensiivsus on tugevalt kontsentreeritud punkti lähedal, kus laserkiirgus neeldub. Sonotroodi kasutamine SLM-pulbervoodisulatusmasinas on keeruline, kuna laserkiirgusele avatud pulbervoodi pealmine pind peaks jääma paigale. Lisaks ei ole detaili pealispinnal mehaanilist pinget. Seetõttu on akustiline pinge nullilähedane ja osakeste kiirusel on maksimaalne amplituud kogu detaili pealispinna ulatuses. Helirõhk kogu sulavannis ei tohi ületada 0,1% keevituspea tekitatud maksimaalsest rõhust, kuna 20 kHz sagedusega ultrahelilainete lainepikkus roostevabast terasest on \(\sim 0,3~\text {m}\) ja sügavus on tavaliselt väiksem kui \(\sim 0,3~\text {mm}\). Seetõttu võib ultraheli mõju kavitatsioonile olla väike.
Tuleb märkida, et intensiivsusmoduleeritud laserkiirguse kasutamine otsesel lasermetallsadestusel on aktiivne uurimisvaldkond35,36,37,38.
Laserkiirguse termiline mõju keskkonnale on aluseks peaaegu kõigile materjalide töötlemiseks kasutatavatele lasertehnikatele 39, 40, nagu lõikamine 41, keevitamine, karastamine, puurimine 42, pinna puhastamine, pinna legeerimine, pinna poleerimine 43 jne. Laseri leiutamine stimuleeris uusi arenguid materjalide töötlemise tehnikates ning esialgsed tulemused on kokku võetud arvukates ülevaadetes ja monograafiates 44, 45, 46.
Tuleb märkida, et igasugune mittestatsionaarne toime keskkonnale, sealhulgas lasertoime neelavale keskkonnale, põhjustab selles akustiliste lainete ergastamist enam-vähem efektiivselt. Algselt keskenduti peamiselt vedelike lainete laserergutamisele ja heli erinevatele termilistele ergastusmehhanismidele (soojuspaisumine, aurustumine, mahu muutus faasisiirde ajal, kokkutõmbumine jne) 47, 48, 49. Arvukad monograafiad 50, 51, 52 pakuvad selle protsessi ja selle võimalike praktiliste rakenduste teoreetilisi analüüse.
Neid küsimusi arutati hiljem erinevatel konverentsidel ning ultraheli laserergastamisel on rakendusi nii lasertehnoloogia tööstuslikes rakendustes53 kui ka meditsiinis54. Seetõttu võib pidada paika pandud impulsslaservalguse neelavale keskkonnale mõjuva protsessi põhikontseptsiooni. Laserultraheli kontrolli kasutatakse SLM-toodetud proovide defektide tuvastamiseks55,56.
Laseriga genereeritud lööklainete mõju materjalidele on laserlöökpeeningu57,58,59 aluseks, mida kasutatakse ka aditiivselt toodetud detailide pinnatöötluseks60. Laserlööktugevdamine on aga kõige efektiivsem nanosekundiliste laserimpulsside ja mehaaniliselt koormatud pindade (nt vedelikukihiga)59 puhul, kuna mehaaniline koormus suurendab tipprõhku.
Tahkestunud materjalide mikrostruktuurile avalduva erinevate füüsikaliste väljade võimaliku mõju uurimiseks viidi läbi katseid. Eksperimentaalse seadistuse funktsionaalne diagramm on näidatud joonisel 1. Kasutati vabalt töötavat impulss-Nd:YAG tahkislaserit (impulsi kestus \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Iga laserimpulss läbib neutraalse tihedusega filtrite seeria ja kiirejaoturi plaadisüsteemi. Sõltuvalt neutraalse tihedusega filtrite kombinatsioonist varieerub sihtmärgile langeva impulsi energia \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) kuni \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Kiirejaoturilt peegelduv laserkiir suunatakse samaaegseks andmete kogumiseks fotodioodile ning sihtmärgile langeva ja sealt peegelduva valguse määramiseks kasutatakse kahte kalorimeetrit (fotodioodid, mille pikk reageerimisaeg ületab \(1~\text {ms}\)) ja kahte võimsusmeetrit (lühikese reageerimisajaga fotodioodid langeva ja peegeldunud optilise võimsuse määramiseks korda (<10~\text {ns}\)). Kalorimeetrid ja võimsusmõõturid kalibreeriti absoluutühikutes väärtuste saamiseks, kasutades termoelemendi detektorit Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ja proovi asukohale paigaldatud dielektrilist peeglit. Kiir fokuseeriti sihtmärgile läätse (peegeldusvastane kate \(1,06 \upmu \text {m}\), fookuskaugus \(160~\text {mm}\)) ja sihtmärgi pinnal kiire vöökoha 60– \(100~\upmu\text {m}\) abil.
Eksperimentaalse seadistuse funktsionaalne skeem: 1 – laser; 2 – laserkiir; 3 – neutraaltiheduse filter; 4 – sünkroniseeritud fotodiood; 5 – kiire jagaja; 6 – diafragma; 7 – langeva kiire kalorimeeter; 8 – peegeldunud kiire kalorimeeter; 9 – langeva kiire võimsusmõõtur; 10 – peegeldunud kiire võimsusmõõtur; 11 – fokuseeriv lääts; 12 – peegel; 13 – proov; 14 – lairiba piesoelektriline muundur; 15 – 2D muundur; 16 – positsioneerimis-mikrokontroller; 17 – sünkroniseerimisseade; 18 – mitmekanaliline digitaalne andmehõivesüsteem erinevate diskreetimissagedustega; 19 – personaalarvuti.
Ultraheli töötlemine toimub järgmiselt. Laser töötab vabalt jooksvas režiimis; seetõttu on laserimpulsi kestus \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), mis koosneb mitmest umbes \(1,5~\upmu \text {s} \) pikkusest kestusest. Laserimpulsi ajaline kuju ja selle spekter koosnevad madalsageduslikust mähisjoonest ja kõrgsageduslikust modulatsioonist, mille keskmine sagedus on umbes \(0,7~\text {MHz}\), nagu on näidatud joonisel 2. - Sagedusmähisjoon tagab materjali kuumutamise ning sellele järgneva sulamise ja aurustumise, samas kui kõrgsageduslik komponent annab fotoakustilise efekti tõttu ultraheli vibratsioonid. Laseri tekitatud ultraheliimpulsi lainekuju määrab peamiselt laserimpulsi intensiivsuse ajaline kuju. See on vahemikus \(7~\text {kHz}\) kuni \(2~\text {MHz}\) ja kesksagedus on \(~~\text {MHz}\). Fotoakustilise efekti tekitatud akustilisi impulsse registreeriti polüvinülideenfluoriidkiledest valmistatud lairiba piesoelektriliste muundurite abil. Salvestatud lainekuju ja selle spekter on näidatud joonisel 2. Tuleb märkida, et laserimpulsside kuju on tüüpiline vabalt liikuvale laserile.
Laserimpulsi intensiivsuse (a) ja helikiiruse ajaline jaotus proovi tagapinnal (b), laserimpulsi (c) ja ultrahelimpulsi (d) spektrid, mis on keskmistatud 300 laserimpulsi kohta (punane kõver) ühe laserimpulsi kohta (sinine kõver).
Akustilise töötluse madal- ja kõrgsageduslikud komponendid, mis vastavad vastavalt laserimpulsi madalsageduslikule mähisjoonele ja kõrgsageduslikule modulatsioonile, on selgelt eristatavad. Laserimpulsi mähisjoone tekitatud akustiliste lainete lainepikkused ületavad \(40~\text {cm}\); seega on oodata akustilise signaali lairiba kõrgsageduslike komponentide peamist mõju mikrostruktuurile.
SLM-i füüsikalised protsessid on keerulised ja toimuvad samaaegselt erinevatel ruumilistel ja ajalistel skaaladel. Seetõttu sobivad SLM-i teoreetiliseks analüüsiks kõige paremini mitmeskaalalised meetodid. Matemaatilised mudelid peaksid algselt olema mitmefüüsikalised. Seejärel saab tõhusalt kirjeldada mitmefaasilise keskkonna "tahke-vedela sula" mehaanikat ja termofüüsikat, mis interakteerub inertgaasi atmosfääriga. Materjalide termiliste koormuste omadused SLM-is on järgmised.
Lokaliseeritud laserkiirguse ja võimsustihedusega kuni \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) kuumenemis- ja jahutuskiirused.
Sulamis-tahkumisperiood kestab 1 kuni 10 ms, mis aitab kaasa sulamistsooni kiirele tahkumisele jahtumise ajal.
Proovi pinna kiire kuumutamine põhjustab pinnakihis suurte termoelastsete pingete teket. Piisav osa (kuni 20%) pulbrikihist aurustub tugevalt63, mis põhjustab laserablatsiooni tagajärjel pinnale täiendava survekoormuse. Selle tagajärjel moonutab indutseeritud deformatsioon oluliselt detaili geomeetriat, eriti tugede ja õhukeste konstruktsioonielementide lähedal. Impulsslaserlõõmutamise kõrge kuumutamiskiirus tekitab ultraheli deformatsioonilaine, mis levib pinnalt aluspinnale. Kohaliku pinge ja deformatsiooni jaotuse kohta täpsete kvantitatiivsete andmete saamiseks teostatakse elastse deformatsiooni probleemi mesoskoopiline simulatsioon, mis on seotud soojuse ja massiülekandega.
Mudeli valitsevad võrrandid hõlmavad (1) mittestatsionaarseid soojusülekande võrrandeid, kus soojusjuhtivus sõltub faasiolekust (pulber, sula, polükristall) ja temperatuurist, (2) elastse deformatsiooni kõikumisi pärast pidevat ablatsiooni ja termoelastse paisumise võrrandit. Rajaväärtuse probleem määratakse katsetingimuste abil. Moduleeritud laservoog on määratletud proovi pinnal. Konvektiivne jahutus hõlmab juhtivat soojusvahetust ja aurustumisvoogu. Massivoog on määratletud aurustava materjali küllastunud auru rõhu arvutamise põhjal. Kasutatakse elastoplastset pinge-deformatsiooni suhet, kus termoelastne pinge on proportsionaalne temperatuuride vahega. Nimivõimsuse (300~{W}), sageduse (10^5~{Hz}), vahelduva koefitsiendi 100 ja efektiivse kiire läbimõõdu (200~{m}) puhul.
Joonis 3 näitab makroskoopilise matemaatilise mudeli abil tehtud sulamistsooni numbrilise simulatsiooni tulemusi. Sulamistsooni läbimõõt on \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) raadius) ja \(40~\upmu \text {m}\) sügavus. Simulatsiooni tulemused näitavad, et pinnatemperatuur varieerub lokaalselt aja jooksul \(100~\text {K}\) võrra impulssmodulatsiooni suure vahelduva teguri tõttu. Kuumutamise \(V_h\) ja jahutamise \(V_c\) kiirused on vastavalt suurusjärgus \(10^7\) ja \(10^6~\text {K}\/\text {s}\). Need väärtused on kooskõlas meie varasema analüüsiga64. Suurusjärgu erinevus \(V_h\) ja \(V_c\) vahel põhjustab pinnakihi kiiret ülekuumenemist, kus soojusjuhtivus aluspinnale ei ole piisav soojuse eemaldamiseks. Seetõttu \(t=26~\upmu \text {s}\) pinnatemperatuur tõuseb kuni \(4800~\text {K}\). Materjali tugev aurustumine võib põhjustada proovi pinnale liigse surve avaldamist ja selle koorumist.
316L prooviplaadi ühe laserimpulsiga lõõmutamise sulamistsooni numbrilise simulatsiooni tulemused. Aeg impulsi algusest kuni sulavanni maksimaalse sügavuseni on \(180~\upmu\text {s}\). Isoterm \(T = T_L = 1723~\text {K}\) tähistab vedela ja tahke faasi vahelist piiri. Isobaarid (kollased jooned) vastavad voolavuspiirile, mis arvutatakse temperatuuri funktsioonina järgmises osas. Seega kahe isojoone (isotermid \(T = T_L\) ja isobaarid \(\sigma =\sigma _V(T)\)) vahelises piirkonnas on tahke faas tugeva mehaanilise koormuse all, mis võib viia mikrostruktuuri muutusteni.
Seda efekti selgitatakse lähemalt joonisel 4a, kus rõhutase sulatsoonis on joonistatud aja ja pinnast kauguse funktsioonina. Esiteks on rõhu käitumine seotud laserimpulsi intensiivsuse modulatsiooniga, mida on kirjeldatud ülaltoodud joonisel 2. Maksimaalset rõhku umbes 10~MPa täheldati umbes t=26~upmu juures. Teiseks on lokaalse rõhu kõikumisel kontrollpunktis samad võnkumisomadused kui sagedusel 500~kHz. See tähendab, et pinnal tekivad ultraheli rõhulained, mis levivad seejärel aluspinnale.
Sulamistsooni lähedal asuva deformatsioonitsooni arvutatud omadused on näidatud joonisel 4b. Laserablatsioon ja termoelastne pinge tekitavad elastseid deformatsioonilaineid, mis levivad aluspinnale. Nagu jooniselt näha, on pinge tekkimisel kaks etappi. Esimeses faasis (t < 40~\upmu \text {s}\) tõuseb Misesi pinge väärtuseni (8~\text {MPa}\), modulatsiooniga, mis on sarnane pinnarõhuga. See pinge tekib laserablatsiooni tõttu ja kontrollpunktides ei täheldatud termoelastset pinget, kuna algne kuumusest mõjutatud tsoon oli liiga väike. Kui soojus hajub aluspinnale, tekitab kontrollpunkt kõrge termoelastse pinge üle (40~\text {MPa}\).
Saadud moduleeritud pingetasemetel on märkimisväärne mõju tahke-vedeliku piirpinnale ning need võivad olla tahkumisprotsessi reguleerivaks mehhanismiks. Deformatsioonitsooni suurus on 2–3 korda suurem kui sulamistsooni suurus. Nagu joonisel 3 näidatud, võrreldakse sulamisisotermi asukohta ja voolavuspiiriga võrdset pingetaset. See tähendab, et impulsslaserkiirgus tekitab lokaliseeritud piirkondades suuri mehaanilisi koormusi efektiivse läbimõõduga vahemikus 300 kuni 800–800 m, olenevalt hetkeajast.
Seega viib impulsslaserlõõmutamise keeruline modulatsioon ultraheliefektini. Mikrostruktuuri valiku rada on erinev võrreldes ultrahelikoormuseta SLM-iga. Deformeerunud ebastabiilsed piirkonnad viivad tahkes faasis perioodiliste kokkusurumise ja venitamise tsükliteni. Seega muutub uute terade piiride ja alamterade piiride moodustumine teostatavaks. Seega saab mikrostruktuuri omadusi tahtlikult muuta, nagu allpool näidatud. Saadud järeldused pakuvad võimalust kujundada impulssmodulatsiooniga indutseeritud ultraheliga juhitav SLM-i prototüüp. Sel juhul saab välistada mujal kasutatud piesoelektrilise induktiivpooli 26.
(a) Rõhk aja funktsioonina, arvutatud pinnast erinevatel kaugustel 0, 20 ja \(40~\upmu \text {m}\) piki sümmeetriatelge. (b) Ajast sõltuv Von Misesi pinge, arvutatud tahkes maatriksis proovi pinnast kaugustel 70, 120 ja \(170~\upmu \text {m}\).
Katsed viidi läbi AISI 321H roostevabast terasest plaatidel mõõtmetega \(20\x 20\x 5~\text {mm}\). Pärast iga laserimpulssi liigub plaat \(50~\upmu \text {m}\) ja laserkiire vöökoht sihtmärgi pinnal on umbes \(100~\upmu \text {m}\). Töödeldud materjali ümbersulatamise ja terade peenendamise esilekutsumiseks teostatakse samal rajal kuni viis järjestikust kiire läbimist. Kõigil juhtudel sonikeeriti ümbersulatatud tsoon, olenevalt laserkiirguse võnkuvast komponendist. Selle tulemuseks on keskmise terapindala enam kui 5-kordne vähenemine. Joonis 5 näitab, kuidas laseriga sulatatud piirkonna mikrostruktuur muutub järgnevate ümbersulatamistsüklite (läbimiste) arvuga.
Alamdiagrammid (a, d, g, j) ja (b, e, h, k) – laseriga sulatatud piirkondade mikrostruktuur, alamdiagrammid (c, f, i, l) – värviliste terade pindalajaotus. Varjutus tähistab histogrammi arvutamiseks kasutatud osakesi. Värvid vastavad terapiirkondadele (vt histogrammi ülaosas olevat värviriba). Alamdiagrammid (ac) vastavad töötlemata roostevabale terasele ja alamdiagrammid (df), (gi), (jl) vastavad 1., 3. ja 5. ümbersulatamisele.
Kuna laserimpulsi energia järgnevate läbimiste vahel ei muutu, on sulatsooni sügavus sama. Seega "kattab" järgnev kanal eelmise täielikult. Histogramm näitab aga, et keskmine ja mediaanne terapindala väheneb läbimiste arvu suurenedes. See võib viidata sellele, et laser mõjutab pigem aluspinda kui sulamit.
Teravilja peenenemist võib põhjustada sulavanni kiire jahtumine65. Viidi läbi veel üks katsete komplekt, milles roostevabast terasest plaatide (321H ja 316L) pindu kiiritati pideva laine laserkiirgusega atmosfääris (joonis 6) ja vaakumis (joonis 7). Keskmine laseri võimsus (vastavalt 300 W ja 100 W) ja sulavanni sügavus on lähedased Nd:YAG laseriga vabalt töötava režiimi katsetulemustele. Siiski täheldati tüüpilist sammasstruktuuri.
Pidevlaine laseriga sulatatud piirkonna mikrostruktuur (300 W konstantne võimsus, 200 mm/s skaneerimiskiirus, AISI 321H roostevaba teras).
(a) Laseriga sulatatud piirkonna mikrostruktuur ja (b) elektronide tagasihajumise difraktsioonipildid vaakumis pidevlaine laseriga (100 W konstantne võimsus, 200 mm/s skaneerimiskiirus, AISI 316L roostevaba teras) (\sim 2~\text {mbar}\).
Seega on selgelt näidatud, et laserimpulsi intensiivsuse keeruline modulatsioon avaldab olulist mõju saadud mikrostruktuurile. Usume, et see efekt on mehaanilise iseloomuga ja tekib ultraheli vibratsioonide tekkimise tõttu, mis levivad sulatatud materjali kiiritatud pinnalt sügavale proovi. Sarnaseid tulemusi saadi ka töödes 13, 26, 34, 66, 67, kasutades väliseid piesoelektrilisi muundureid ja sonotroode, mis pakkusid suure intensiivsusega ultraheli erinevates materjalides, sealhulgas Ti-6Al-4V sulamis 26 ja roostevabast terasest 34. Võimalikku mehhanismi oletatakse järgmiselt. Intensiivne ultraheli võib põhjustada akustilist kavitatsiooni, nagu on näidatud ülikiire in situ sünkrotronröntgenpildistamises. Kavitatsioonimullide kokkuvarisemine tekitab omakorda sulas materjalis lööklaineid, mille esirõhk ulatub umbes 100 MPa-ni. Sellised lööklained võivad olla piisavalt tugevad, et soodustada kriitilise suurusega tahkefaasi tuumade moodustumist lahtistes vedelikes, häirides kiht-kihilt lisandite tootmise tüüpilist sammasterastruktuuri.
Siin pakume välja veel ühe mehhanismi, mis vastutab struktuuri muutmise eest intensiivse ultraheliga töötlemise abil. Vahetult pärast tahkumist on materjali temperatuur kõrge, sulamistemperatuuri lähedal, ja voolavuspiir on äärmiselt madal. Intensiivsed ultrahelilained võivad põhjustada plastilise voolavuse muutust kuuma, äsja tahkunud materjali terastruktuuris. Siiski on usaldusväärsed eksperimentaalsed andmed voolavuspiiri temperatuurisõltuvuse kohta saadaval aadressil \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (vt joonis 8). Seetõttu viisime selle hüpoteesi kontrollimiseks läbi AISI 316 L terasega sarnase Fe-Cr-Ni koostise molekulaardünaamika (MD) simulatsioonid, et hinnata voolavuspiiri käitumist sulamistemperatuuri lähedal. Voolavuspiiri arvutamiseks kasutasime MD nihkepinge lõdvestamise tehnikat, mida on üksikasjalikult kirjeldatud artiklites 70, 71, 72, 73. Aatomitevahelise interaktsiooni arvutuste jaoks kasutasime artikli 74 manussüsteemi aatomimudelit (EAM). MD simulatsioonid viidi läbi LAMMPS-koodide 75, 76 abil. MD simulatsioonide üksikasjad avaldatakse mujal. Voolavuspiiri MD arvutuste tulemused on esitatud järgmiselt: Temperatuuri funktsioonina on näidatud joonisel 8 koos olemasolevate katseandmete ja muude hinnangutega77,78,79,80,81,82.
AISI 316 klassi austeniitse roostevaba terase voolavuspiir ja mudeli koostis temperatuuri suhtes MD simulatsioonide jaoks. Eksperimentaalsed mõõtmised viidetest: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Vt. (f)82 on empiiriline mudel voolavuspiiri ja temperatuuri sõltuvuse kohta laseriga abistatava lisandite tootmise ajal tootmisliini pinge mõõtmiseks. Käesolevas uuringus tehtud suuremahuliste MD simulatsioonide tulemusi tähistatakse kui \(\vartriangleleft\) defektivaba lõpmatu monokristalli puhul ja \(\vartriangleright\) lõplike terade puhul, võttes arvesse keskmist terasuurust Halli-Petchi seose kaudu. Mõõtmed \(d = 50~\upmu \text {m}\).
On näha, et temperatuuril \(T>1500~\text {K}\) langeb voolavuspiir alla \(40~\text {MPa}\). Teisest küljest ennustavad hinnangud, et laseriga tekitatud ultraheli amplituud ületab \(40~\text {MPa}\) (vt joonis 4b), mis on piisav, et esile kutsuda plastiline voolavus äsja tahkestunud kuumas materjalis.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austeniitse roostevaba terase mikrostruktuuri moodustumist SLM-i ajal uuriti eksperimentaalselt, kasutades kompleksset intensiivsusmoduleeritud impulsslaserallikat.
Lasersulatusvööndis leiti terasuuruse vähenemist pideva laserümbersulatamise tõttu pärast 1, 3 või 5 läbimist.
Makroskoopiline modelleerimine näitab, et piirkonna hinnanguline suurus, kus ultraheli deformatsioon võib tahkumisfronti positiivselt mõjutada, on kuni \(1~\text {mm}\).
Mikroskoopiline MD-mudel näitab, et AISI 316 austeniitse roostevaba terase voolavuspiir on oluliselt vähenenud sulamistemperatuuri lähedale 40 MPa-ni.
Saadud tulemused viitavad meetodile materjalide mikrostruktuuri juhtimiseks keeruka moduleeritud lasertöötluse abil ja võivad olla aluseks impulss-SLM-tehnika uute modifikatsioonide loomisele.
Liu, Y. jt. In situ TiB2/AlSi10Mg komposiitide mikrostruktuuriline evolutsioon ja mehaanilised omadused laserselektiivse sulatamise teel [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. jt. 316L roostevaba terase laserselektiivse sulatamise rekristalliseerimise terapiiride projekteerimine [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Lasersulatatud titaanisulamite laserülekuumendamise teel parema plastilisusega sandwich-mikrostruktuuride kohapealne arendamine. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. jt. Ti-6Al-4V osade aditiivne tootmine lasermetallsadestamise (LMD) teel: protsess, mikrostruktuur ja mehaanilised omadused. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. jt. Sulami 718 lasermetallipulbri suunatud energia sadestamise mikrostruktuuriline modelleerimine. Lisa.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. jt. Parameetriline neutron-Bragg'i serva kuvamise uuring aditiivselt valmistatud proovide kohta, mida töödeldi laserlöögiga. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. jt. Elektronkiire sulatamise teel aditiivselt valmistatud Ti-6Al-4V gradientmikrostruktuur ja mehaanilised omadused. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).