از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نمایش خواهیم داد.
یک مکانیزم جدید مبتنی بر ذوب لیزری انتخابی برای کنترل ریزساختار محصولات در فرآیند تولید ارائه شده است. این مکانیزم بر تولید امواج فراصوت با شدت بالا در حوضچه مذاب توسط تابش لیزر با شدت مدوله شده پیچیده متکی است. مطالعات تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهند که این مکانیزم کنترل از نظر فنی امکان‌پذیر است و می‌تواند به طور مؤثر در طراحی ماشین‌های ذوب لیزری انتخابی مدرن ادغام شود.
تولید افزایشی (AM) قطعات با شکل پیچیده در دهه‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است. با این حال، علیرغم تنوع فرآیندهای تولید افزایشی، از جمله ذوب انتخابی لیزری (SLM)1،2،3، رسوب مستقیم فلز با لیزر4،5،6، ذوب پرتو الکترونی7،8 و موارد دیگر9،10، قطعات ممکن است معیوب باشند. این امر عمدتاً به دلیل ویژگی‌های خاص فرآیند انجماد حوضچه مذاب مرتبط با گرادیان‌های حرارتی بالا، سرعت‌های بالای سرمایش و پیچیدگی چرخه‌های گرمایش در مواد ذوب و ذوب مجدد11 است که منجر به رشد دانه اپیتاکسیال و تخلخل قابل توجه می‌شود12،13. نتایج نشان می‌دهد که برای دستیابی به ساختارهای دانه‌ای هم‌محور ریز، کنترل گرادیان‌های حرارتی، سرعت‌های سرمایش و ترکیب آلیاژ یا اعمال شوک‌های فیزیکی اضافی از طریق میدان‌های خارجی با خواص مختلف (مانند فراصوت) ضروری است.
نشریات متعددی در مورد تأثیر عملیات ارتعاشی بر فرآیند انجماد در فرآیندهای ریخته‌گری مرسوم منتشر شده‌اند14،15. با این حال، اعمال یک میدان خارجی به مذاب‌های حجیم، ریزساختار ماده مورد نظر را ایجاد نمی‌کند. اگر حجم فاز مایع کم باشد، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر می‌کند. در این حالت، میدان خارجی به طور قابل توجهی بر فرآیند انجماد تأثیر می‌گذارد. اثرات الکترومغناطیسی در طول میدان‌های صوتی شدید16،17،18،19،20،21،22،23،24،25،26،27، هم زدن قوس و نوسان29، قوس‌های پلاسمای پالسی30،31 و سایر روش‌ها32 در نظر گرفته شده‌اند. با استفاده از یک منبع فراصوت خارجی با شدت بالا (در 20 کیلوهرتز) به زیرلایه متصل شوید. اصلاح دانه ناشی از فراصوت به دلیل کاهش گرادیان دما و افزایش فراصوت برای تولید کریستالیت‌های جدید از طریق کاویتاسیون، به افزایش ناحیه سابکولینگ ترکیبی نسبت داده می‌شود.
در این کار، ما امکان تغییر ساختار دانه فولادهای زنگ نزن آستنیتی را با استفاده از امواج صوتی تولید شده توسط خود لیزر ذوب کننده بررسی کردیم. مدولاسیون شدت تابش لیزر که به محیط جاذب نور برخورد می‌کند، منجر به تولید امواج فراصوت می‌شود که ریزساختار ماده را تغییر می‌دهد. این مدولاسیون شدت تابش لیزر را می‌توان به راحتی در چاپگرهای سه‌بعدی SLM موجود ادغام کرد. آزمایش‌های این کار بر روی صفحات فولاد ضد زنگ انجام شد که سطوح آنها در معرض تابش لیزر با شدت مدوله شده قرار گرفت. بنابراین، از نظر فنی، عملیات سطحی لیزری انجام می‌شود. با این حال، اگر چنین عملیات لیزری روی سطح هر لایه انجام شود، در طول ساخت لایه به لایه، اثراتی بر کل حجم یا روی قسمت‌های انتخابی حجم حاصل می‌شود. به عبارت دیگر، اگر قطعه به صورت لایه به لایه ساخته شود، عملیات سطحی لیزری هر لایه معادل "عملیات حجمی لیزری" است.
در حالی که در درمان اولتراسونیک مبتنی بر بوق اولتراسونیک، انرژی اولتراسونیک موج صوتی ایستاده در سراسر قطعه توزیع می‌شود، در حالی که شدت اولتراسونیک ناشی از لیزر در نزدیکی نقطه‌ای که تابش لیزر جذب می‌شود، بسیار متمرکز است. استفاده از یک سونوترود در دستگاه جوش بستر پودر SLM پیچیده است زیرا سطح بالایی بستر پودر که در معرض تابش لیزر قرار دارد باید ثابت بماند. علاوه بر این، هیچ تنش مکانیکی روی سطح بالایی قطعه وجود ندارد. بنابراین، تنش آکوستیک نزدیک به صفر است و سرعت ذرات دارای حداکثر دامنه در کل سطح بالایی قطعه است. فشار صدا در داخل کل حوضچه مذاب نمی‌تواند از 0.1٪ حداکثر فشار تولید شده توسط سر جوش تجاوز کند، زیرا طول موج امواج اولتراسونیک با فرکانس 20 کیلوهرتز در فولاد ضد زنگ \(\sim 0.3~\text {m}\) است و عمق آن معمولاً کمتر از \(\sim 0.3~\text {mm}\) است. بنابراین، اثر سونوگرافی بر کاویتاسیون ممکن است اندک باشد.
لازم به ذکر است که استفاده از تابش لیزر با شدت مدوله شده در رسوب مستقیم فلز با لیزر، یک حوزه تحقیقاتی فعال است35،36،37،38.
اثر حرارتی تابش لیزر بر روی محیط، اساس تقریباً تمام تکنیک‌های لیزر 39، 40 برای پردازش مواد، مانند برش41، جوشکاری، سخت‌کاری، سوراخ‌کاری42، تمیز کردن سطح، آلیاژسازی سطح، پرداخت سطح43 و غیره است. اختراع لیزر باعث پیشرفت‌های جدیدی در تکنیک‌های پردازش مواد شد و نتایج اولیه در بررسی‌ها و مونوگراف‌های متعدد 44، 45، 46 خلاصه شده است.
لازم به ذکر است که هرگونه عمل غیر ایستا بر روی محیط، از جمله عمل لیزری بر روی محیط جاذب، منجر به تحریک امواج صوتی در آن با راندمان کم یا زیاد می‌شود. در ابتدا، تمرکز اصلی بر تحریک لیزری امواج در مایعات و مکانیسم‌های مختلف تحریک حرارتی صدا (انبساط حرارتی، تبخیر، تغییر حجم در طول گذار فاز، انقباض و غیره) 47، 48، 49 بود. مونوگراف‌های متعدد 50، 51، 52 تحلیل‌های نظری از این فرآیند و کاربردهای عملی احتمالی آن ارائه می‌دهند.
این مسائل متعاقباً در کنفرانس‌های مختلف مورد بحث قرار گرفتند و تحریک لیزری فراصوت هم در کاربردهای صنعتی فناوری لیزر53 و هم در پزشکی54 کاربرد دارد. بنابراین، می‌توان در نظر گرفت که مفهوم اساسی فرآیندی که طی آن نور لیزر پالسی بر روی یک محیط جاذب عمل می‌کند، تثبیت شده است. بازرسی فراصوت لیزری برای تشخیص نقص نمونه‌های تولید شده با SLM55،56 استفاده می‌شود.
تأثیر امواج ضربه‌ای تولید شده توسط لیزر بر روی مواد، اساس روش پرداخت با ضربه لیزری است57،58،59 که برای عملیات سطحی قطعات تولید شده به روش افزایشی نیز استفاده می‌شود60. با این حال، تقویت ضربه‌ای لیزری بیشترین تأثیر را بر روی پالس‌های لیزر نانوثانیه‌ای و سطوح بارگذاری شده مکانیکی (مثلاً با لایه‌ای از مایع)59 دارد زیرا بارگذاری مکانیکی، فشار اوج را افزایش می‌دهد.
آزمایش‌هایی برای بررسی اثرات احتمالی میدان‌های فیزیکی مختلف بر ریزساختار مواد جامد انجام شد. نمودار عملکردی چیدمان آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. یک لیزر حالت جامد پالسی Nd:YAG که در حالت آزاد (مدت زمان پالس \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) کار می‌کند، استفاده شد. هر پالس لیزر از یک سری فیلترهای چگالی خنثی و یک سیستم صفحه‌ای تقسیم‌کننده پرتو عبور می‌کند. بسته به ترکیب فیلترهای چگالی خنثی، انرژی پالس روی هدف از \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) تا \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) متغیر است. پرتو لیزر منعکس شده از تقسیم‌کننده پرتو برای کسب همزمان داده‌ها به یک فوتودیود تغذیه می‌شود و دو کالری‌متر (فوتودیودهایی با زمان پاسخ طولانی بیش از \(1~\text {ms}\)) برای تعیین تابش فرودی و بازتابی از هدف و دو توان‌سنج (فوتودیودهایی با پاسخ کوتاه) استفاده می‌شوند. برای تعیین توان نوری تابشی و بازتابی، زمان (<10~\text {ns}\)) را در نظر بگیرید. کالری‌مترها و توان‌سنج‌ها برای ارائه مقادیر در واحدهای مطلق با استفاده از یک آشکارساز ترموپیل Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 و یک آینه دی‌الکتریک نصب شده در محل نمونه، کالیبره شدند. پرتو را با استفاده از یک لنز (پوشش ضد بازتاب در \(1.06 \upmu \text {m}\)، فاصله کانونی \(160~\text {mm}\)) و یک کمر پرتو در سطح هدف 60 تا \(100~\upmu \text {m}\) روی هدف متمرکز کنید.
نمودار شماتیک عملکردی چیدمان آزمایش: ۱—لیزر؛ ۲—پرتو لیزر؛ ۳—فیلتر چگالی خنثی؛ ۴—دیود نوری همزمان؛ ۵—تقسیم‌کننده پرتو؛ ۶—دیافراگم؛ ۷—کالری‌متر پرتو تابشی؛ ۸—کالری‌متر پرتو بازتابی؛ ۹—توان‌سنج پرتو تابشی؛ ۱۰—توان‌سنج پرتو بازتابی؛ ۱۱—لنز کانونی‌کننده؛ ۱۲—آینه؛ ۱۳—نمونه؛ ۱۴—مبدل پیزوالکتریک پهن‌باند؛ ۱۵—مبدل دوبعدی؛ ۱۶—میکروکنترلر موقعیت‌یابی؛ ۱۷—واحد هماهنگ‌سازی؛ ۱۸—سیستم جمع‌آوری داده‌های دیجیتال چندکاناله با نرخ‌های نمونه‌برداری مختلف؛ ۱۹—رایانه شخصی.
عملیات فراصوت به شرح زیر انجام می‌شود. لیزر در حالت آزاد عمل می‌کند؛ بنابراین مدت زمان پالس لیزر \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) است که از چندین مدت زمان تقریباً \(1.5~\upmu \text {s}\) تشکیل شده است. شکل زمانی پالس لیزر و طیف آن از یک پوشش فرکانس پایین و یک مدولاسیون فرکانس بالا، با فرکانس متوسط ​​حدود \(0.7~\text {MHz}\) تشکیل شده است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. - پوشش فرکانس، گرمایش و ذوب و تبخیر بعدی ماده را فراهم می‌کند، در حالی که مؤلفه فرکانس بالا، ارتعاشات فراصوت ناشی از اثر فوتوآکوستیک را فراهم می‌کند. شکل موج پالس فراصوت تولید شده توسط لیزر عمدتاً توسط شکل زمانی شدت پالس لیزر تعیین می‌شود. این محدوده از 7~kHz تا 2~MHz است و فرکانس مرکزی آن 0.7~MHz است. پالس‌های صوتی ناشی از اثر فوتوآکوستیک با استفاده از مبدل‌های پیزوالکتریک پهن‌باند ساخته شده از فیلم‌های پلی‌وینیلیدین فلوراید ثبت شدند. شکل موج ثبت شده و طیف آن در شکل 2 نشان داده شده است. لازم به ذکر است که شکل پالس‌های لیزر، نمونه‌ای از یک لیزر با حالت آزاد است.
توزیع زمانی شدت پالس لیزر (a) و سرعت صوت در سطح پشتی نمونه (b)، طیف پالس لیزر (c) و پالس اولتراسونیک (d) به طور میانگین بیش از 300 پالس لیزر (منحنی قرمز) برای یک پالس لیزر واحد (منحنی آبی).
ما می‌توانیم به وضوح اجزای فرکانس پایین و فرکانس بالای عملیات صوتی مربوط به پوشش فرکانس پایین پالس لیزر و مدولاسیون فرکانس بالا را به ترتیب تشخیص دهیم. طول موج امواج صوتی تولید شده توسط پوشش پالس لیزر از \(40~\text {cm}\) تجاوز می‌کند؛ بنابراین، انتظار می‌رود که تأثیر اصلی اجزای فرکانس بالای پهن باند سیگنال صوتی بر روی ریزساختار باشد.
فرآیندهای فیزیکی در SLM پیچیده هستند و به طور همزمان در مقیاس‌های مکانی و زمانی مختلف رخ می‌دهند. بنابراین، روش‌های چند مقیاسی برای تحلیل نظری SLM مناسب‌ترین هستند. مدل‌های ریاضی در ابتدا باید چند فیزیکی باشند. سپس می‌توان مکانیک و ترموفیزیک یک محیط چند فازی "مذاب جامد-مایع" را که با یک اتمسفر گاز بی‌اثر در تعامل است، به طور مؤثر توصیف کرد. ویژگی‌های بارهای حرارتی مواد در SLM به شرح زیر است.
نرخ گرمایش و سرمایش تا \(10^{6}~\text {K}/\text {s}\) /\text{ به دلیل تابش لیزر موضعی با چگالی توان تا \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
چرخه ذوب-انجماد بین ۱ تا \(10~\text {ms}\) طول می‌کشد، که به انجماد سریع ناحیه ذوب در حین سرد شدن کمک می‌کند.
گرم شدن سریع سطح نمونه منجر به تشکیل تنش‌های ترموالاستیک بالا در لایه سطحی می‌شود. بخش کافی (تا 20%) از لایه پودر به شدت تبخیر می‌شود63 که منجر به بار فشاری اضافی روی سطح در پاسخ به فرسایش لیزری می‌شود. در نتیجه، کرنش القایی به طور قابل توجهی هندسه قطعه، به ویژه در نزدیکی تکیه‌گاه‌ها و عناصر ساختاری نازک را تغییر شکل می‌دهد. نرخ بالای گرمایش در آنیل لیزری پالسی منجر به تولید امواج کرنش اولتراسونیک می‌شود که از سطح به زیرلایه منتشر می‌شوند. به منظور دستیابی به داده‌های کمی دقیق در مورد توزیع تنش و کرنش موضعی، یک شبیه‌سازی مزوسکوپی از مسئله تغییر شکل الاستیک مرتبط با انتقال حرارت و جرم انجام می‌شود.
معادلات حاکم بر مدل شامل (1) معادلات انتقال حرارت ناپایدار که در آن رسانایی حرارتی به حالت فاز (پودر، مذاب، پلی کریستال) و دما بستگی دارد، (2) نوسانات در تغییر شکل الاستیک پس از فرسایش پیوسته و معادله انبساط ترموالاستیک است. مسئله مقدار مرزی با شرایط آزمایشگاهی تعیین می‌شود. شار لیزر مدوله شده روی سطح نمونه تعریف می‌شود. خنک‌سازی همرفتی شامل تبادل حرارت رسانا و شار تبخیری است. شار جرمی بر اساس محاسبه فشار بخار اشباع ماده تبخیر شونده تعریف می‌شود. رابطه تنش-کرنش الاستوپلاستیک استفاده می‌شود که در آن تنش ترموالاستیک متناسب با اختلاف دما است. برای توان اسمی \(300~\text {W}\)، فرکانس \(10^5~\text {Hz}\)، ضریب تناوب 100 و \(200~\upmu \text {m}\) قطر پرتو موثر.
شکل 3 نتایج شبیه‌سازی عددی ناحیه مذاب را با استفاده از یک مدل ریاضی ماکروسکوپی نشان می‌دهد. قطر ناحیه ذوب \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) شعاع) و \(40~\upmu \text {m}\) عمق است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که دمای سطح به صورت محلی با زمان به عنوان \(100~\text {K}\) به دلیل ضریب تناوب بالای مدولاسیون پالس تغییر می‌کند. نرخ گرمایش \(V_h\) و سرمایش \(V_c\) به ترتیب در مرتبه \(10^7\) و \(10^6~\text {K}/\text {s}\) هستند. این مقادیر با تحلیل قبلی ما 64 مطابقت خوبی دارند. اختلاف مرتبه بزرگی بین \(V_h\) و \(V_c\) منجر به گرم شدن سریع لایه سطحی می‌شود، جایی که هدایت حرارتی به زیرلایه برای حذف گرما کافی نیست. بنابراین، در در دمای سطح (t=26~\upmu \text {s}\) دمای سطح به حداکثر خود یعنی (4800~\text {K}\) می‌رسد. تبخیر شدید ماده می‌تواند باعث شود سطح نمونه تحت فشار بیش از حد قرار گیرد و کنده شود.
نتایج شبیه‌سازی عددی ناحیه ذوب عملیات حرارتی تک پالس لیزر روی صفحه نمونه 316L. زمان از ابتدای پالس تا رسیدن عمق حوضچه مذاب به حداکثر مقدار، \(180~\upmu\text {s}\) است. ایزوترم \(T = T_L = 1723~\text {K}\) مرز بین فازهای مایع و جامد را نشان می‌دهد. ایزوبارها (خطوط زرد) مربوط به تنش تسلیم محاسبه شده به عنوان تابعی از دما در بخش بعدی هستند. بنابراین، در دامنه بین دو ایزولاین (ایزوترم‌های \(T=T_L\) و ایزوبارها \(\sigma =\sigma _V(T)\))، فاز جامد تحت بارهای مکانیکی قوی قرار می‌گیرد که ممکن است منجر به تغییراتی در ریزساختار شود.
این اثر در شکل 4a بیشتر توضیح داده شده است، که در آن سطح فشار در ناحیه مذاب به عنوان تابعی از زمان و فاصله از سطح رسم شده است. اول، رفتار فشار به مدولاسیون شدت پالس لیزر که در شکل 2 بالا توضیح داده شده است، مربوط می‌شود. حداکثر فشار حدود 10 مگاپاسکال در حدود t=26 میکرومولار مشاهده شد. دوم، نوسان فشار موضعی در نقطه کنترل دارای ویژگی‌های نوسانی مشابه فرکانس 500 کیلوهرتز است. این بدان معناست که امواج فشار اولتراسونیک در سطح تولید شده و سپس به زیرلایه منتشر می‌شوند.
ویژگی‌های محاسبه‌شده ناحیه تغییر شکل نزدیک ناحیه ذوب در شکل 4b نشان داده شده است. فرسایش لیزری و تنش ترموالاستیک، امواج تغییر شکل الاستیک ایجاد می‌کنند که در زیرلایه منتشر می‌شوند. همانطور که از شکل دیده می‌شود، دو مرحله تولید تنش وجود دارد. در طول فاز اول \(t < 40~\upmu \text {s}\)، تنش میزس با مدولاسیونی مشابه فشار سطح به \(8~\text {MPa}\) افزایش می‌یابد. این تنش به دلیل فرسایش لیزری رخ می‌دهد و هیچ تنش ترموالاستیکی در نقاط کنترل مشاهده نشد زیرا ناحیه تحت تأثیر حرارت اولیه بسیار کوچک بود. هنگامی که گرما در زیرلایه پخش می‌شود، نقطه کنترل تنش ترموالاستیک بالایی بالاتر از \(40~\text {MPa}\) ایجاد می‌کند.
سطوح تنش مدوله شده بدست آمده تأثیر قابل توجهی بر سطح مشترک جامد-مایع دارند و ممکن است مکانیسم کنترلی حاکم بر مسیر انجماد باشند. اندازه ناحیه تغییر شکل 2 تا 3 برابر بزرگتر از ناحیه ذوب است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، محل ایزوترم ذوب و سطح تنش برابر با تنش تسلیم با هم مقایسه شده‌اند. این بدان معناست که تابش لیزر پالسی، بارهای مکانیکی بالایی را در نواحی موضعی با قطر مؤثر بین 300 تا 800 میکرومتر بسته به زمان لحظه‌ای ایجاد می‌کند.
بنابراین، مدولاسیون پیچیده‌ی آنیل لیزر پالسی منجر به اثر فراصوت می‌شود. مسیر انتخاب ریزساختار در مقایسه با SLM بدون بارگذاری فراصوت متفاوت است. نواحی ناپایدار تغییر شکل یافته منجر به چرخه‌های تناوبی فشرده‌سازی و کشش در فاز جامد می‌شوند. بنابراین، تشکیل مرزدانه‌ها و مرزهای زیردانه جدید امکان‌پذیر می‌شود. بنابراین، خواص ریزساختاری را می‌توان عمداً تغییر داد، همانطور که در زیر نشان داده شده است. نتایج به‌دست‌آمده امکان طراحی یک نمونه اولیه SLM هدایت‌شده با فراصوت ناشی از مدولاسیون پالس را فراهم می‌کند. در این حالت، می‌توان از سلف پیزوالکتریک ۲۶ که در جای دیگر استفاده می‌شود، صرف نظر کرد.
(الف) فشار به عنوان تابعی از زمان، محاسبه شده در فواصل مختلف از سطح 0، 20 و 40 ~ μ m در امتداد محور تقارن. (ب) تنش فون میزس وابسته به زمان محاسبه شده در یک ماتریس جامد در فواصل 70، 120 و 170 ~ μ m از سطح نمونه.
آزمایش‌ها بر روی صفحات فولاد ضد زنگ AISI 321H با ابعاد \(20\x20\x5 ~\text {mm}\) انجام شد. پس از هر پالس لیزر، صفحه \(50\~\upmu \text {m}\) حرکت می‌کند و کمر پرتو لیزر روی سطح هدف حدود \(100\~\upmu \text {m}\) است. تا پنج عبور پرتو بعدی در امتداد همان مسیر انجام می‌شود تا ذوب مجدد ماده فرآوری شده برای اصلاح دانه القا شود. در همه موارد، منطقه ذوب مجدد بسته به مؤلفه نوسانی تابش لیزر، تحت امواج فراصوت قرار گرفت. این امر منجر به کاهش بیش از 5 برابری در میانگین مساحت دانه می‌شود. شکل 5 نشان می‌دهد که چگونه ریزساختار ناحیه ذوب شده با لیزر با تعداد چرخه‌های ذوب مجدد بعدی (عبورها) تغییر می‌کند.
زیرنمودارهای (a، d، g، j) و (b، e، h، k) – ریزساختار نواحی ذوب شده با لیزر، زیرنمودارهای (c، f، i، l) – توزیع مساحت دانه‌های رنگی. سایه‌ها نشان‌دهنده ذرات مورد استفاده برای محاسبه هیستوگرام هستند. رنگ‌ها مربوط به نواحی دانه‌ای هستند (به نوار رنگی در بالای هیستوگرام مراجعه کنید). زیرنمودارهای (ac) مربوط به فولاد ضد زنگ بدون عملیات حرارتی و زیرنمودارهای (df)، (gi)، (jl) مربوط به ذوب مجدد ۱، ۳ و ۵ هستند.
از آنجایی که انرژی پالس لیزر بین پاس‌های بعدی تغییر نمی‌کند، عمق ناحیه مذاب یکسان است. بنابراین، کانال بعدی کانال قبلی را به طور کامل "می‌پوشاند". با این حال، هیستوگرام نشان می‌دهد که میانگین و میانه مساحت دانه با افزایش تعداد پاس‌ها کاهش می‌یابد. این ممکن است نشان دهد که لیزر به جای مذاب، روی زیرلایه عمل می‌کند.
ریز شدن دانه‌ها ممکن است در اثر سرد شدن سریع حوضچه مذاب ایجاد شود65. مجموعه دیگری از آزمایش‌ها انجام شد که در آن سطوح صفحات فولاد ضد زنگ (321H و 316L) در معرض تابش لیزر موج پیوسته در جو (شکل 6) و خلاء (شکل 7) قرار گرفتند. میانگین توان لیزر (به ترتیب 300 وات و 100 وات) و عمق حوضچه مذاب نزدیک به نتایج تجربی لیزر Nd:YAG در حالت حرکت آزاد است. با این حال، یک ساختار ستونی معمولی مشاهده شد.
ریزساختار ناحیه ذوب‌شده با لیزر در یک لیزر موج پیوسته (توان ثابت ۳۰۰ وات، سرعت اسکن ۲۰۰ میلی‌متر بر ثانیه، فولاد ضد زنگ AISI 321H).
(الف) ریزساختار و (ب) تصاویر پراش الکترون‌های برگشتی از ناحیه ذوب‌شده با لیزر در خلاء با لیزر موج پیوسته (توان ثابت ۱۰۰ وات، سرعت اسکن ۲۰۰ میلی‌متر بر ثانیه، فولاد ضد زنگ AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
بنابراین، به وضوح نشان داده شده است که مدولاسیون پیچیده شدت پالس لیزر تأثیر قابل توجهی بر ریزساختار حاصل دارد. ما معتقدیم که این اثر ماهیت مکانیکی دارد و به دلیل تولید ارتعاشات اولتراسونیک که از سطح تابش شده مذاب به عمق نمونه منتشر می‌شود، رخ می‌دهد. نتایج مشابهی در 13، 26، 34، 66، 67 با استفاده از مبدل‌های پیزوالکتریک خارجی و سونوترودها که سونوگرافی با شدت بالا را در مواد مختلف از جمله آلیاژ Ti-6Al-4V 26 و فولاد ضد زنگ 34 ارائه می‌دهند، به دست آمد. مکانیسم احتمالی به شرح زیر حدس زده می‌شود. سونوگرافی شدید می‌تواند باعث کاویتاسیون صوتی شود، همانطور که در تصویربرداری اشعه ایکس سینکروترون فوق سریع درجا نشان داده شده است. فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون به نوبه خود امواج شوک را در ماده مذاب ایجاد می‌کند که فشار جلوی آن به حدود 100 تا 69 مگاپاسکال می‌رسد. چنین امواج شوکی ممکن است به اندازه کافی قوی باشند تا تشکیل هسته‌های فاز جامد با اندازه بحرانی را در مایعات فله افزایش دهند و فرآیندهای معمول را مختل کنند. ساختار دانه‌ای ستونی در تولید افزایشی لایه به لایه.
در اینجا، ما مکانیسم دیگری را پیشنهاد می‌کنیم که مسئول اصلاح ساختاری توسط فراصوت شدید است. بلافاصله پس از انجماد، ماده در دمای بالا نزدیک به نقطه ذوب قرار دارد و تنش تسلیم بسیار کمی دارد. امواج فراصوت شدید می‌توانند باعث شوند جریان پلاستیک ساختار دانه ماده داغ و تازه جامد شده را تغییر دهد. با این حال، داده‌های تجربی قابل اعتمادی در مورد وابستگی دمایی تنش تسلیم در (T₂₃ ... نتایج محاسبه دینامیک مولکولی تنش تسلیم به عنوان تابعی از دما در شکل 8 به همراه داده‌های تجربی موجود و سایر ارزیابی‌ها نشان داده شده است. 77،78،79،80،81،82
تنش تسلیم برای فولاد ضد زنگ آستنیتی درجه 316 AISI و ترکیب مدل در مقابل دما برای شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی. اندازه‌گیری‌های تجربی از مراجع: (الف) 77، (ب) 78، (ج) 79، (د) 80، (ه) 81. به (و) 82 مراجعه کنید. (و) 82 یک مدل تجربی از وابستگی تنش تسلیم-دما برای اندازه‌گیری تنش درون خطی در طول تولید افزایشی به کمک لیزر است. نتایج شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی در مقیاس بزرگ در این مطالعه برای یک تک بلور نامتناهی بدون نقص به صورت \(\vartriangleleft\) و برای دانه‌های محدود با در نظر گرفتن اندازه متوسط ​​دانه از طریق رابطه هال-پچ نشان داده شده است. ابعاد \(d = 50~\upmu \text {m}\).
می‌توان مشاهده کرد که در دمای T>1500 کلوین، تنش تسلیم به کمتر از 40 مگاپاسکال کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، تخمین‌ها پیش‌بینی می‌کنند که دامنه فراصوت تولید شده توسط لیزر از 40 مگاپاسکال فراتر می‌رود (شکل 4b را ببینید)، که برای القای جریان پلاستیک در ماده داغ تازه منجمد شده کافی است.
تشکیل ریزساختار فولاد ضد زنگ آستنیتی 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) در طول SLM به صورت تجربی با استفاده از یک منبع لیزر پالسی با شدت مدوله شده پیچیده بررسی شد.
کاهش اندازه دانه در ناحیه ذوب لیزری به دلیل ذوب مجدد مداوم لیزری پس از ۱، ۳ یا ۵ پاس مشاهده شد.
مدل‌سازی ماکروسکوپی نشان می‌دهد که اندازه تخمینی ناحیه‌ای که تغییر شکل اولتراسونیک ممکن است به طور مثبت بر جبهه انجماد تأثیر بگذارد، تا 1~mm² است.
مدل دینامیک مولکولی میکروسکوپی نشان می‌دهد که استحکام تسلیم فولاد ضد زنگ آستنیتی AISI 316 به طور قابل توجهی به 40 مگاپاسکال در نزدیکی نقطه ذوب کاهش می‌یابد.
نتایج به‌دست‌آمده روشی را برای کنترل ریزساختار مواد با استفاده از پردازش لیزری مدوله‌شده پیچیده پیشنهاد می‌دهد و می‌تواند به‌عنوان مبنایی برای ایجاد اصلاحات جدید در تکنیک SLM پالسی عمل کند.
لیو، وای. و همکاران. تکامل ریزساختاری و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های TiB2/AlSi10Mg درجا با ذوب انتخابی لیزری [J].J. Alloys.compound.853، 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
گائو، س. و همکاران. مهندسی مرز دانه‌ای تبلور مجدد ذوب انتخابی لیزری فولاد ضد زنگ 316L [J]. مجله آلما ماتر.200، 366-377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
چن، ایکس. و کیو، سی. توسعه درجا ریزساختارهای ساندویچی با شکل‌پذیری افزایش‌یافته توسط گرمایش مجدد لیزری آلیاژهای تیتانیوم ذوب‌شده با لیزر. Science.Rep. 10، 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
آذرنیا، ا. و همکاران. تولید افزایشی قطعات Ti-6Al-4V با رسوب فلز لیزری (LMD): فرآیند، ریزساختار و خواص مکانیکی. مجله آلیاژها. ترکیب. 804، 163-191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
کومارا، سی. و همکاران. مدل‌سازی ریزساختاری رسوب انرژی هدایت‌شده با پودر فلز لیزری آلیاژ 718. افزودن به.manufacture.25، 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
بوسی، م. و همکاران. مطالعه تصویربرداری پارامتری نوترون براگ لبه نمونه‌های تولید شده به روش افزایشی تحت عملیات ضربه‌زنی لیزری.science.Rep. 11، 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
تان، ایکس. و همکاران. ریزساختار گرادیانی و خواص مکانیکی Ti-6Al-4V ساخته شده به روش افزایشی ذوب پرتو الکترونی. مجله آلما ماتر. 97، 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).