Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSSrako laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desaktibatzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe erakutsiko dugu.
Fabrikazio-prozesuan produktuen mikroegitura kontrolatzeko laser bidezko urtze selektiboan oinarritutako mekanismo berri bat proposatzen da. Mekanismoak intentsitate handiko ultrasoinu-uhinak sortzean oinarritzen da urtutako igerilekuan, intentsitate modulatuko laser irradiazio konplexuaren bidez. Azterketa esperimentalek eta simulazio numerikoek erakusten dute kontrol-mekanismo hau teknikoki bideragarria dela eta eraginkortasunez integra daitekeela laser bidezko urtze-makina selektibo modernoen diseinuan.
Forma konplexuko piezen gehigarrizko fabrikazioa (AM) nabarmen hazi da azken hamarkadetan. Hala ere, gehigarrizko fabrikazio prozesuen aniztasuna gorabehera, besteak beste, laser bidezko urtze selektiboa (SLM)1,2,3, laser bidezko metalaren deposizio zuzena4,5,6, elektroi-izpien urtzea7,8 eta beste batzuk9,10, piezak akastunak izan daitezke. Hori batez ere urtutako igerilekuaren solidotze prozesuaren ezaugarri espezifikoengatik da, gradiente termiko altuekin, hozte-tasa altuekin eta urtze eta birurtze materialen berotze-zikloen konplexutasunarekin lotuta11, eta horrek ale epitaxialaren hazkundea eta porositate nabarmena eragiten ditu12,13. Emaitzek erakusten dute beharrezkoa dela gradiente termikoak, hozte-tasak eta aleazioaren konposizioa kontrolatzea, edo propietate desberdinetako kanpoko eremuen bidezko kolpe fisiko gehigarriak aplikatzea (adibidez, ultrasoinuak) ale-egitura ekuiaxial finak lortzeko.
Hainbat argitalpenek bibrazio-tratamenduak galdaketa-prozesu konbentzionalen solidotze-prozesuan duen eraginari buruz dihardute14,15. Hala ere, kanpoko eremu bat urtutako materialetan aplikatzeak ez du nahi den material-mikroegitura sortzen. Fase likidoaren bolumena txikia bada, egoera izugarri aldatzen da. Kasu honetan, kanpoko eremuak nabarmen eragiten dio solidotze-prozesuari. Efektu elektromagnetikoak kontuan hartu dira eremu akustiko bizietan16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, arku-nahasketa28 eta oszilazio29, plasma-arku pultsatuak30,31 eta beste metodo batzuk32. Lotu substratuari intentsitate handiko kanpoko ultrasoinu-iturri bat erabiliz (20 kHz-tan). Ultrasoinuek eragindako ale-fintzea konposizio-azpihozte-eremuaren handitzeari egozten zaio, tenperatura-gradiente murriztuaren eta ultrasoinuen hobekuntzaren ondorioz kabitazioaren bidez kristalito berriak sortzeko.
Lan honetan, altzairu herdoilgaitz austenitikoen ale-egitura aldatzeko aukera ikertu dugu, urtutako igerilekua urtzen ari den laserrak berak sortutako soinu-uhinekin sonikatuz. Argia xurgatzen duen euskarrian eragiten duen laser erradiazioaren intentsitate-modulazioak ultrasoinu-uhinak sortzen ditu, eta horiek materialaren mikroegitura aldatzen dute. Laser erradiazioaren intentsitate-modulazio hau erraz integra daiteke dauden SLM 3D inprimagailuetan. Lan honetako esperimentuak intentsitate modulatutako laser erradiaziopean zeuden gainazalak dituzten altzairu herdoilgaitzezko plaketan egin ziren. Beraz, teknikoki, laser gainazaleko tratamendua egiten da. Hala ere, laser tratamendu hori geruza bakoitzaren gainazalean egiten bada, geruzaz geruza eraikitzean, bolumen osoan edo bolumenaren hautatutako zatietan eragiten du. Beste era batera esanda, pieza geruzaz geruza eraikitzen bada, geruza bakoitzaren laser gainazaleko tratamendua "laser bolumen tratamenduaren" baliokidea da.
Ultrasoinu-adar bidezko terapia ultrasonikoan, berriz, soinu-uhin geldikorraren energia ultrasonikoa osagai osoan zehar banatzen da, laserrak eragindako ultrasoinu-intentsitatea, berriz, oso kontzentratzen da laser erradiazioa xurgatzen den puntutik gertu. Sonotrodo bat erabiltzea SLM hauts-ohe fusio-makina batean konplikatua da, laser erradiazioaren eraginpean dagoen hauts-ohearen goiko gainazala geldirik egon behar delako. Gainera, ez dago tentsio mekanikorik piezaren goiko gainazalean. Beraz, tentsio akustikoa zerotik gertu dago eta partikulen abiadurak anplitude maximoa du piezaren goiko gainazal osoan. Urtutako igerileku osoaren barruko soinu-presioak ezin du soldadura-buruak sortutako presio maximoaren % 0,1 gainditu, altzairu herdoilgaitzean 20 kHz-ko maiztasuna duten ultrasoinu-uhinen uhin-luzera \(\sim 0.3~\text {m}\) delako, eta sakonera normalean \(\sim 0.3~\text {mm}\) baino txikiagoa delako. Beraz, ultrasoinuen eragina kabitazioan txikia izan daiteke.
Kontuan izan behar da intentsitate modulatuko laser erradiazioa erabiltzea laser bidezko metal deposizio zuzenean ikerketa-arlo aktiboa dela35,36,37,38.
Laser erradiazioak ingurunean eragiten duen efektu termikoa da materialak prozesatzeko laser teknika ia guztien 39, 40 oinarria, hala nola ebaketa 41, soldadura, gogortzea, zulatzea 42, gainazalak garbitzea, gainazalak aleatzea, gainazalak leuntzea 43, etab. Laseraren asmakizunak materialak prozesatzeko tekniketan garapen berriak bultzatu zituen, eta aurretiazko emaitzak hainbat berrikuspen eta monografiatan laburbildu dira 44,45,46.
Kontuan izan behar da ingurunean gertatzen den edozein ekintza ez-egonkorrek, xurgatzaile-ingurunearen gaineko laser ekintza barne, uhin akustikoen kitzikapena eragiten duela bertan, eraginkortasun handiagoarekin edo txikiagoarekin. Hasieran, arreta nagusia likidoetan uhinen laser kitzikapenean eta soinuaren kitzikapen termiko-mekanismo desberdinetan (hedapen termikoa, lurrunketa, bolumen-aldaketa fase-trantsizioan, uzkurdura, etab.) jarri zen. Monografia ugarik50, 51, 52 prozesu honen eta bere aplikazio praktiko posibleen analisi teorikoak eskaintzen dituzte.
Gai hauek ondoren hainbat biltzarretan eztabaidatu ziren, eta ultrasoinuen laser kitzikapenak aplikazioak ditu bai laser teknologiaren industria aplikazioetan53 bai medikuntzan54. Beraz, kontsidera daiteke pultsatutako laser argiak xurgatzaile-euskarri batean eragiten duen prozesuaren oinarrizko kontzeptua ezarri dela. Laser ultrasoinuen bidezko ikuskapena SLMz fabrikatutako laginen akatsak detektatzeko erabiltzen da55,56.
Laser bidez sortutako talka-uhinen eragina materialetan laser bidezko talka-leherketaren oinarria57,58,59 da, eta hori ere erabiltzen da gehigarrizko moduan fabrikatutako piezen gainazaleko tratamendurako60. Hala ere, laser bidezko talka-indartzea eraginkorrena nanosegundoetako laser pultsuetan eta mekanikoki kargatutako gainazaletan (adibidez, likido geruza batekin)59 da, karga mekanikoak gailurreko presioa handitzen duelako.
Material solidotuen mikroegituran hainbat eremu fisikok izan ditzaketen eragin posibleak ikertzeko esperimentuak egin ziren. Esperimentu-konfigurazioaren diagrama funtzionala 1. irudian ageri da. Martxa libreko moduan funtzionatzen duen Nd:YAG egoera solidoko laser pultsatua erabili zen (pultsuaren iraupena \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Laser pultsu bakoitza dentsitate neutroko iragazki-serie batetik eta habe-banatzaileko plaka-sistema batetik pasatzen da. Dentsitate neutroko iragazkien konbinazioaren arabera, jomugan dagoen pultsu-energia \(E_L \sim 20~\text {mJ}\)-tik \(E_L \sim 100~\text {mJ}\)-ra aldatzen da. Habe-banatzaileak islatutako laser izpia fotodiodo batera bidaltzen da datuak aldi berean eskuratzeko, eta bi kalorimetro (\(1~\text {ms}\) baino gehiagoko erantzun-denbora luzeko fotodiodoak) erabiltzen dira jomugan gertatzen den eta bertan islatutakoa zehazteko, eta bi potentzia-neurgailu (erantzun laburreko fotodiodoak) aldiz\(<10~\text {ns}\)) potentzia optiko intzidentea eta islatua zehazteko. Kalorimetroak eta potentzia-neurgailuak balioak unitate absolutuetan emateko kalibratu ziren Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 termopila detektagailu bat eta laginaren kokapenean muntatutako ispilu dielektriko bat erabiliz. Izpia helburura fokatu lente bat erabiliz (Islapenaren aurkako estaldura \(1.06 \upmu \text {m}\), foku-distantzia \(160~\text {mm}\)) eta izpiaren gerri bat helburuaren gainazalean 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Esperimentu-muntaketaren eskema funtzionalaren diagrama: 1—laserra; 2—laser izpia; 3—dentsitate neutroko iragazkia; 4—fotodiodo sinkronizatua; 5—izpi-banatzailea; 6—diafragma; 7—izpi erasilearen kalorimetroa; 8–izpi islatuaren kalorimetroa; 9–izpi erasilearen potentzia-neurgailua; 10–izpi islatuaren potentzia-neurgailua; 11–fokatze-lentea; 12–ispilua; 13–lagina; 14–banda zabaleko transduktore piezoelektrikoa; 15–2D bihurgailua; 16–kokapen-mikrokontrolagailua; 17–sinkronizazio-unitatea; 18–laginketa-tasa desberdinetako eskuratze-sistema digital multikanala; 19–ordenagailu pertsonala.
Ultrasoinu bidezko tratamendua honela egiten da. Laserrak askatasun moduan funtzionatzen du; beraz, laser pultsuaren iraupena \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) da, eta gutxi gorabehera \(1.5~\upmu \text {s} \) iraupen anitz ditu. Laser pultsuaren denbora-forma eta bere espektroa maiztasun baxuko gutunazal batez eta maiztasun handiko modulazio batez osatuta daude, batez beste \(0.7~\text {MHz}\) inguruko maiztasunarekin, 2. irudian erakusten den bezala.- Maiztasun-gutunazalak materialaren berotzea eta ondorengo urtzea eta lurruntzea ematen du, eta maiztasun handiko osagaiak, berriz, efektu fotoakustikoaren ondoriozko bibrazio ultrasonikoak ematen ditu. Laserrak sortutako ultrasoinu pultsuaren uhin-forma batez ere laser pultsuaren intentsitatearen denbora-formak zehazten du. \(7~\text {kHz}\)-tik \(2~\text {MHz}\)-ra doa, eta erdiko maiztasuna \(~ 0.7~\text {MHz}\) da. Efektu fotoakustikoaren ondoriozko pultsu akustikoak polibinilideno fluorurozko filmen bidez egindako banda zabaleko transduktore piezoelektrikoekin grabatu ziren. Grabatutako uhin-forma eta bere espektroa 2. irudian ageri dira. Kontuan izan behar da laser pultsuen forma funtzionamendu libreko laser baten tipikoa dela.
Laser pultsuaren intentsitatearen (a) eta soinuaren abiaduraren denborazko banaketa laginaren atzeko gainazalean (b), laser pultsuaren (c) eta ultrasoinu pultsuaren (d) espektroak, 300 laser pultsutan batez bestekoa (kurba gorria) laser pultsu bakar baterako (kurba urdina).
Argi bereiz ditzakegu tratamendu akustikoaren maiztasun baxuko eta maiztasun handiko osagaiak, laser pultsuaren maiztasun baxuko gutunazalari eta maiztasun handiko modulazioari dagozkienak, hurrenez hurren. Laser pultsuaren gutunazalak sortutako uhin akustikoen uhin-luzerak \(40~\text {cm}\) gainditzen ditu; beraz, seinale akustikoaren banda zabaleko maiztasun handiko osagaien eragin nagusia mikroegituran espero da.
SLM-ko prozesu fisikoak konplexuak dira eta aldi berean gertatzen dira espazio- eta denbora-eskala desberdinetan. Beraz, eskala anitzeko metodoak dira egokienak SLM-ren analisi teorikorako. Hasieran, eredu matematikoak multifisikoak izan beharko lirateke. Ondoren, gas geldoaren atmosfera batekin elkarreragiten duen "solido-likido urtutako" ingurune multifasiko baten mekanika eta termofisika eraginkortasunez deskribatu daitezke. SLM-ko materialen karga termikoen ezaugarriak hauek dira.
Berotze eta hozte tasak \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ artekoak dira, \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) arteko potentzia-dentsitateekin tokiko laser irradiazioaren ondorioz.
Urtze-solidotze zikloak 1 eta \(10~\text {ms}\) artean irauten du, eta horrek urtze-eremuaren solidotze azkarrari laguntzen dio hoztean zehar.
Laginaren gainazalaren berotze azkarrak tentsio termoelastiko handiak sortzen ditu gainazaleko geruzan. Hauts geruzaren zati nahikoa (% 20 arte) asko lurruntzen da63, ​​eta horrek presio-karga gehigarria eragiten du gainazalean laser ablazioari erantzunez. Ondorioz, induzitutako tentsioak piezaren geometria nabarmen distortsionatzen du, batez ere euskarrietatik eta egitura-elementu meheetatik gertu. Pultsatutako laser errekuntzan berotze-tasa handiak gainazaletik substratura hedatzen diren tentsio-uhin ultrasonikoak sortzen ditu. Tokiko tentsioaren eta tentsioaren banaketari buruzko datu kuantitatibo zehatzak lortzeko, bero eta masa transferentziarekin konjugatutako deformazio elastikoaren arazoaren simulazio mesoskopiko bat egiten da.
Modeloaren ekuazio gobernatzaileen artean daude (1) bero-transferentzia ekuazio ezegonkorrak, non eroankortasun termikoa fase-egoeraren (hautsa, urtua, polikristalinoa) eta tenperaturaren araberakoa den, (2) ablazio jarraituaren ondoren deformazio elastikoaren gorabeherak eta hedapen termoelastikoaren ekuazioa. Muga-balioen arazoa baldintza esperimentalen bidez zehazten da. Laser fluxu modulatua laginaren gainazalean definitzen da. Hozte konbektiboak bero-trukea eroalea eta lurruntze-fluxua barne hartzen ditu. Masa-fluxua lurruntzen ari den materialaren lurrun-presio saturatuaren kalkuluan oinarrituta definitzen da. Tentsio-deformazio erlazio elastoplastikoa erabiltzen da, non tentsio termoelastikoa tenperatura-diferentziarekiko proportzionala den. Potentzia nominalerako \(300~\text {W}\), maiztasunerako \(10^5~\text {Hz}\), koefiziente intermitente 100 eta habe eraginkorraren diametroaren \(200~\upmu \text {m}\) \(200~\upmu \text {m}\) \) \(100~\upmu \text {m}\) \ ...
3. irudiak urtutako eremuaren simulazio numerikoaren emaitzak erakusten ditu, makroskopikoki eredu matematiko bat erabiliz. Fusio-eremuaren diametroa \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) erradioa) eta \(40~\upmu \text {m}\) sakonera da. Simulazioaren emaitzek erakusten dute gainazaleko tenperatura denborarekin lokalki aldatzen dela \(100~\text {K}\) pultsu modulazioaren tartekatze-faktore handia dela eta. Berokuntza \(V_h\) eta hozte \(V_c\) tasak \(10^7\) eta \(10^6~\text {K}/\text {s}\) ordenakoak dira, hurrenez hurren. Balio hauek bat datoz gure aurreko analisiarekin64. \(V_h\) eta \(V_c\) arteko magnitude-ordenako aldeak gainazaleko geruzaren gehiegi berotzea eragiten du, non substraturako eroapen termikoa ez den nahikoa beroa kentzeko. Beraz, \(t=26~\upmu \text-en {s}\) gainazaleko tenperatura \(4800~\text {K}\)-raino iristen da. Materialaren lurruntze bortitzak laginaren gainazala gehiegizko presiopean jar dezake eta zuritu egin daiteke.
316L lagin-plakan laser pultsu bakarreko erreketaren urtze-eremuaren simulazio numerikoaren emaitzak. Pultsuaren hasieratik urtutako igerilekuaren sakonera maximoa lortzen duen denbora \(180~\upmu\text {s}\) da. Isotermak\(T = T_L = 1723~\text {K}\) fase likidoaren eta solidoaren arteko muga adierazten du. Isobarak (lerro horiak) hurrengo atalean tenperaturaren arabera kalkulatutako etendura-tentsioari dagozkio. Beraz, bi isolerroen arteko domeinuan (isotermak\(T=T_L\) eta isobarak\(\sigma =\sigma _V(T)\)), fase solidoa karga mekaniko handien menpe dago, eta horrek mikroegituran aldaketak eragin ditzake.
Efektu hau 4a irudian azaltzen da gehiago, non urtutako eremuko presio-maila denboraren eta gainazaletik distantziaren arabera irudikatzen den. Lehenik eta behin, presio-portaera goiko 2. irudian deskribatutako laser pultsuaren intentsitatearen modulazioarekin erlazionatuta dago. \(10~\text {MPa}\) inguruko presio maximoa \text{s}\) behatu zen \(t=26~\upmu inguruan). Bigarrenik, kontrol-puntuan tokiko presioaren gorabeherak \(500~\text {kHz}\) maiztasunaren oszilazio-ezaugarri berdinak ditu. Horrek esan nahi du ultrasoinu-presio-uhinak gainazalean sortzen direla eta gero substratura hedatzen direla.
Urtze-eremuaren ondoan dagoen deformazio-eremuaren ezaugarri kalkulatuak 4b irudian ageri dira. Laser bidezko ablazioak eta tentsio termoelastikoak substratuan hedatzen diren deformazio-uhin elastikoak sortzen dituzte. Irudian ikus daitekeen bezala, tentsioa sortzeko bi etapa daude. \(t < 40~\upmu \text {s}\) lehen fasean, Mises tentsioa \(8~\text {MPa}\)-ra igotzen da gainazaleko presioaren antzeko modulazio batekin. Tentsio hau laser bidezko ablazioaren ondorioz gertatzen da, eta ez da tentsio termoelastikorik ikusi kontrol-puntuetan, hasierako bero-kaltetutako eremua txikiegia zelako. Beroa substratuan barreiatzen denean, kontrol-puntuak \(40~\text {MPa}\)-tik gorako tentsio termoelastiko handia sortzen du.
Lortutako tentsio modulatu mailak eragin nabarmena dute solido-likido interfazean eta solidotze bidea gobernatzen duen kontrol mekanismoa izan daitezke. Deformazio eremuaren tamaina urtze eremuarena baino 2 edo 3 aldiz handiagoa da. 3. irudian erakusten den bezala, urtze isotermaren kokapena eta etekin tentsioaren berdina den tentsio maila alderatzen dira. Horrek esan nahi du laser irradiazio pultsatuak karga mekaniko handiak ematen dituela 300 eta \(800~\upmu \text {m}\) arteko diametro eraginkorra duten eremu lokalizatuetan, uneko denboraren arabera.
Beraz, pultsu bidezko laser erreketaren modulazio konplexuak ultrasoinu efektua eragiten du. Mikroegituraren hautaketa bidea desberdina da ultrasoinu kargarik gabeko SLMarekin alderatuta. Deformatutako eskualde ezegonkorrek konpresio eta luzatze ziklo periodikoak eragiten dituzte fase solidoan. Horrela, ale mugak eta azpiale mugak berrien eraketa bideragarria bihurtzen da. Beraz, mikroegituraren propietateak nahita alda daitezke, behean erakusten den bezala. Lortutako ondorioek pultsu modulazio bidezko ultrasoinu bidezko SLM prototipo bat diseinatzeko aukera ematen dute. Kasu honetan, beste nonbait erabilitako 26 induktore piezoelektrikoa baztertu daiteke.
(a) Presioa denboraren funtzio gisa, simetria-ardatzean zehar 0, 20 eta \(40~\upmu \text {m}\) gainazaletik distantzia desberdinetan kalkulatua.(b) Denboraren araberako Von Mises tentsioa matrize solido batean kalkulatua laginaren gainazaletik 70, 120 eta \(170~\upmu \text {m}\) distantzietan.
Esperimentuak AISI 321H altzairu herdoilgaitzezko xafletan egin ziren, \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) dimentsioekin. Laser pultsu bakoitzaren ondoren, xafla \(50~\upmu \text {m}\) mugitzen da, eta laser izpiaren gerria helburu-gainazalean \(100~\upmu \text {m}\) ingurukoa da. Gehienez bost izpi-pase egiten dira bide berean, prozesatutako materiala berriro urtzeko, alea fintzeko. Kasu guztietan, berriro urtutako eremua sonikatu egin zen, laser erradiazioaren osagai oszilatzailearen arabera. Horrek batez besteko alearen azalera 5 aldiz baino gehiago murriztea dakar. 5. irudiak erakusten du nola aldatzen den laserrez urtutako eskualdearen mikroegitura ondorengo berriro urtzeko zikloen (paseen) kopuruarekin.
(a, d, g, j) eta (b, e, h, k) azpitramak – laserrez urtutako eskualdeen mikroegitura, (c, f, i, l) azpitramak – koloretako aleen azaleraren banaketa. Itzalak histograma kalkulatzeko erabilitako partikulak adierazten ditu. Koloreak ale-eskualdeei dagozkie (ikus histogramaren goialdean dagoen kolore-barra). (ac) azpitramak tratatu gabeko altzairu herdoilgaitzari dagozkio, eta (df), (gi), (jl) azpitramak 1, 3 eta 5 birurtuei.
Laser pultsuaren energia ez denez aldatzen ondorengo paseen artean, urtutako eremuaren sakonera berdina da. Horrela, ondorengo kanalak aurrekoa guztiz "estaltzen" du. Hala ere, histogramak erakusten du batez besteko eta mediana ale-azalera gutxitzen dela pase kopurua handitu ahala. Horrek adieraz dezake laserra substratuan ari dela eragiten, eta ez urtutakoan.
Alearen fintzea urtutako igerilekuaren hozte azkarrak eragin dezake65. Beste esperimentu multzo bat egin zen, non altzairu herdoilgaitzezko plaken gainazalak (321H eta 316L) laser erradiazio jarraituaren eraginpean jarri ziren atmosferan (6. irudia) eta hutsean (7. irudia). Laser potentziaren batez bestekoa (300 W eta 100 W, hurrenez hurren) eta urtutako igerilekuaren sakonera Nd:YAG laserraren emaitza esperimentalen antzekoak dira martxan jartzeko moduan. Hala ere, egitura zutabedun tipikoa ikusi zen.
Uhin jarraituko laser baten laser bidez urtutako eskualdearen mikroegitura (300 W-ko potentzia konstantea, 200 mm/s-ko eskaneatze-abiadura, AISI 321H altzairu herdoilgaitza).
(a) Laser bidez urtutako eskualdearen mikroegitura eta (b) elektroi-atzeranzko difrakzio irudiak hutsean, uhin jarraituko laser batekin (100 W-ko potentzia konstantea, 200 mm/s-ko eskaneatze-abiadura, AISI 316L altzairu herdoilgaitza)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Beraz, argi erakusten da laser pultsuaren intentsitatearen modulazio konplexuak eragin nabarmena duela ondoriozko mikroegituran. Uste dugu efektu hau izaera mekanikokoa dela eta urtutako materialaren gainazal irradiatutik laginaren sakonera hedatzen diren bibrazio ultrasonikoen sorreragatik gertatzen dela. Antzeko emaitzak lortu ziren 13, 26, 34, 66, 67-n kanpoko transduktore piezoelektrikoak eta sonotrodoak erabiliz, intentsitate handiko ultrasoinuak emanez hainbat materialetan, besteak beste, Ti-6Al-4V aleazioa 26 eta altzairu herdoilgaitza 34, honen ondorioz. Mekanismo posiblea honela espekulatzen da. Ultrasoinu intentsuak kabitazio akustikoa eragin dezake, in situ sinkrotroi X izpien irudi ultra-azkarretan frogatu den bezala. Kabitazio burbuilen kolapsoak, aldi berean, talka-uhinak sortzen ditu material urtuan, eta horien aurrealdeko presioa \(100~\text {MPa}\)69 ingurura iristen da. Talka-uhin horiek nahikoa indartsuak izan daitezke tamaina kritikoko fase solidoko nukleoen eraketa sustatzeko likido masiboetan, ohiko zutabe-egitura alearra etenez. geruzaz geruzako gehigarrizko fabrikazioa.
Hemen, sonikazio biziaren bidezko egitura-aldaketaren erantzule den beste mekanismo bat proposatzen dugu. Solidotu eta berehala, materiala urtze-puntuaren ondoan tenperatura altuan dago eta etendura-tentsio oso baxua du. Ultrasoinu-uhin biziek plastiko-fluxuak material bero eta solidotu berriaren ale-egitura alda dezake. Hala ere, etendura-tentsioaren tenperaturarekiko menpekotasunari buruzko datu esperimental fidagarriak eskuragarri daude \(T\lesssim 1150~\text {K}\) helbidean (ikus 8. irudia). Beraz, hipotesi hau probatzeko, AISI 316 L altzairuaren antzeko Fe-Cr-Ni konposizio baten dinamika molekularreko (MD) simulazioak egin genituen, urtze-puntuaren ondoan etendura-tentsioaren portaera ebaluatzeko. Etendura-tentsioa kalkulatzeko, 70, 71, 72, 73 erreferentziatan zehaztutako MD zizaila-tentsioaren erlaxazio-teknika erabili genuen. Atomikoen arteko elkarrekintzaren kalkuluetarako, 74ko Embedded Atomic Model (EAM) erabili genuen. MD simulazioak LAMMPS 75,76 kodeak erabiliz egin ziren. MD simulazioen xehetasunak beste nonbait argitaratuko dira. Etenduraren MD kalkuluaren emaitzak Tenperaturaren funtzio gisa tentsioa 8. irudian ageri da, eskuragarri dauden datu esperimentalekin eta beste ebaluazio batzuekin batera77,78,79,80,81,82.
AISI 316 mailako altzairu herdoilgaitz austenitikorako etsipen-tentsioa eta modeloaren konposizioa tenperaturaren arabera MD simulazioetarako. Erreferentzietatik hartutako neurketa esperimentalak: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Ikusi. (f)82 etsipen-tentsioaren eta tenperaturaren arteko menpekotasunaren modelo enpirikoa da, laser bidezko gehigarrien fabrikazioan zehar lerroko tentsioa neurtzeko. Ikerketa honetako eskala handiko MD simulazioen emaitzak \(\vartriangleleft\) bezala adierazten dira akatsik gabeko kristal bakarreko infinitu baterako eta \(\vartriangleright\) ale finituetarako, batez besteko alearen tamaina kontuan hartuta Hall-Petch erlazioaren bidez Dimentsioak\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Ikus daiteke \(T>1500~\text {K}\)-tan etendura-tentsioa \(40~\text {MPa}\) azpitik jaisten dela. Bestalde, kalkuluen arabera, laserrak sortutako ultrasoinu-anplitudea \(40~\text {MPa}\) baino handiagoa da (ikus 4b irudia), eta hori nahikoa da solidotu berri den material beroan plastiko-fluxua eragiteko.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) altzairu herdoilgaitz austenitikoaren mikroegituraren eraketa SLM bidez esperimentalki ikertu zen intentsitate modulatuko pultsatutako laser iturri konplexu bat erabiliz.
Laser bidezko urtze-eremuan ale-tamaina murriztea aurkitu zen 1, 3 edo 5 paseren ondoren laser bidezko birurtze jarraituaren ondorioz.
Makroskopia-eredukatzeak erakusten du ultrasoinu-deformazioak solidotze-frontean eragin positiboa izan dezakeen eskualdearen tamaina kalkulatua \(1~\text {mm}\) dela.
MD eredu mikroskopikoak erakusten du AISI 316 altzairu herdoilgaitz austenitikoen erresistentzia nabarmen murrizten dela urtze-puntuaren ondoan \(40~\text {MPa}\)-ra.
Lortutako emaitzek materialen mikroegitura kontrolatzeko metodo bat iradokitzen dute laser prozesamendu modulatu konplexua erabiliz eta SLM pultsatuaren teknikaren aldaketa berriak sortzeko oinarri gisa balio dezake.
Liu, Y. et al. In situ TiB2/AlSi10Mg konpositeen mikroegituraren bilakaera eta propietate mekanikoak laser bidezko urtze selektiboaren bidez [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. 316L altzairu herdoilgaitzaren laser bidezko urtze selektiboaren birkristalizazio ale-muga ingeniaritza [J]. Alma Mater aldizkaria. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. eta Qiu, C. Laser bidez urtutako titaniozko aleazioen berberotze laser bidezko harikortasun hobetuko sandwich mikroegituren in situ garapena.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Ti-6Al-4V piezen gehigarrizko fabrikazioa laser bidezko metal deposizioaren bidez (LMD): prozesua, mikroegitura eta propietate mekanikoak. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. 718 aleazioaren laser bidezko metal hauts bidezko energia-deposizioaren mikroegitura-modelizazioa. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Neutroi Parametrikoen Bragg Ertz Irudien Azterketa Laser Shock Peening bidez Tratatutako Gehigarriki Fabrikatutako Laginen bidez.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Elektroi-izpien bidezko urtze bidez gehigarriki fabrikatutako Ti-6Al-4V-ren gradiente-mikroegitura eta propietate mekanikoak. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).