Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylittelyä ja JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Esitetään uusi selektiiviseen lasersulatukseen perustuva mekanismi tuotteiden mikrorakenteen ohjaamiseksi valmistusprosessissa. Mekanismi perustuu korkean intensiteetin ultraääniaaltojen tuottamiseen sulassa altaassa monimutkaisen intensiteettimoduloidun lasersäteilyn avulla. Kokeelliset tutkimukset ja numeeriset simulaatiot osoittavat, että tämä ohjausmekanismi on teknisesti toteuttamiskelpoinen ja se voidaan integroida tehokkaasti nykyaikaisten selektiivisten lasersulatuskoneiden suunnitteluun.
Monimutkaisten muotoisten osien ainetta lisäävä valmistus (AM) on kasvanut merkittävästi viime vuosikymmeninä. Kuitenkin huolimatta erilaisista ainetta lisäävistä valmistusprosesseista, kuten selektiivisestä lasersulatuksesta (SLM)1,2,3, suorasta laserpinnoituksesta4,5,6 ja elektronisuihkusulatuksesta7,8 sekä muista9,10, osissa voi olla viallisia. Tämä johtuu pääasiassa sulan altaan jähmettymisprosessin erityispiirteistä, jotka liittyvät korkeisiin lämpötilagradientteihin, korkeisiin jäähdytysnopeuksiin ja sulavien ja uudelleensulattavien materiaalien lämmityssyklien monimutkaisuuteen11, jotka johtavat epitaksiaaliseen raekasvuun ja merkittävään huokoisuuteen12,13. Tulokset osoittavat, että on tarpeen kontrolloida lämpötilagradientteja, jäähdytysnopeuksia ja seoskoostumusta tai kohdistaa lisää fysikaalisia iskuja erilaisten ominaisuuksien omaavien ulkoisten kenttien (esim. ultraäänen) kautta hienojen tasa-aksiaalisten raerakenteiden saavuttamiseksi.
Lukuisat julkaisut käsittelevät tärinäkäsittelyn vaikutusta jähmettymisprosessiin perinteisissä valuprosesseissa14,15. Ulkoisen kentän kohdistaminen massasulatteisiin ei kuitenkaan tuota haluttua materiaalin mikrorakennetta. Jos nestemäisen faasin tilavuus on pieni, tilanne muuttuu dramaattisesti. Tässä tapauksessa ulkoinen kenttä vaikuttaa merkittävästi jähmettymisprosessiin. Sähkömagneettisia vaikutuksia on tarkasteltu voimakkaiden akustisten kenttien16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, kaarisekoituksen28 ja -oskillaation29, pulssitettujen plasmakaarien30,31 ja muiden menetelmien32 aikana. Kiinnitä alustaan ​​käyttämällä ulkoista korkean intensiteetin ultraäänilähdettä (20 kHz:llä). Ultraäänen aiheuttama raekoon hienoneminen johtuu lisääntyneestä koostumuksen alijäähdytysvyöhykkeestä, joka johtuu pienentyneestä lämpötilagradientista ja ultraäänen tehostuksesta, joka tuottaa uusia kiteitä kavitaation avulla.
Tässä työssä tutkimme mahdollisuutta muuttaa austeniittisten ruostumattomien terästen raerakennetta sonikoimalla sulaa allasta itse sulatuslaserin tuottamilla ääniaalloilla. Valoa absorboivaan väliaineeseen tulevan lasersäteilyn intensiteettimodulointi johtaa ultraääniaaltojen syntymiseen, jotka muuttavat materiaalin mikrorakennetta. Tämä lasersäteilyn intensiteettimodulointi voidaan helposti integroida olemassa oleviin SLM 3D -tulostimiin. Tämän työn kokeet tehtiin ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla levyillä, joiden pinnat altistettiin intensiteettimoduloidulle lasersäteilylle. Teknisesti siis suoritetaan laserpintakäsittely. Jos tällainen laserkäsittely suoritetaan kuitenkin jokaisen kerroksen pinnalle kerros kerrokselta -rakentamisen aikana, saavutetaan vaikutukset koko tilavuuteen tai valittuihin tilavuuden osiin. Toisin sanoen, jos osa rakennetaan kerros kerrokselta, kunkin kerroksen laserpintakäsittely vastaa "lasertilavuuskäsittelyä".
Ultraäänitorvipohjaisessa ultraäänihoidossa seisovan ääniaallon ultraäänienergia jakautuu koko komponenttiin, kun taas laserin aiheuttama ultraääni-intensiteetti on erittäin keskittynyt lähelle pistettä, jossa lasersäteily absorboituu. Äänipään käyttö SLM-jauhepetisulatuksessa on monimutkaista, koska lasersäteilylle alttiina olevan jauhepedin yläpinnan tulisi pysyä paikallaan. Lisäksi osan yläpinnalla ei ole mekaanista rasitusta. Siksi akustinen rasitus on lähellä nollaa ja hiukkasnopeudella on suurin amplitudi osan koko yläpinnalla. Äänenpaine koko sulan altaan sisällä ei saa ylittää 0,1 % hitsauspään tuottamasta maksimipaineesta, koska 20 kHz:n taajuuden ultraääniaaltojen aallonpituus ruostumattomassa teräksessä on \(\sim 0,3~\text {m}\) ja syvyys on yleensä alle \(\sim 0,3~\text {mm}\). Siksi ultraäänen vaikutus kavitaatioon voi olla pieni.
On huomattava, että intensiteettimoduloidun lasersäteilyn käyttö suorassa laserpinnoituksessa on aktiivinen tutkimusalue35,36,37,38.
Lasersäteilyn lämpövaikutus materiaaliin on lähes kaikkien materiaalinkäsittelyssä käytettävien lasertekniikoiden 39, 40 perusta, kuten leikkauksen 41, hitsauksen, karkaisun, porauksen 42, pinnan puhdistuksen, pinnan seostuksen, pinnan kiillotuksen 43 jne. Laserin keksiminen vauhditti uutta kehitystä materiaalinkäsittelytekniikoissa, ja alustavia tuloksia on esitetty lukuisissa katsauksissa ja monografioissa 44, 45, 46.
On huomattava, että mikä tahansa väliaineeseen kohdistuva ei-stationaarinen vaikutus, mukaan lukien absorboivaan väliaineeseen kohdistuva laservaikutus, johtaa akustisten aaltojen virittymiseen siinä enemmän tai vähemmän tehokkaasti. Aluksi pääpaino oli nesteiden aaltojen laservirittämisessä ja äänen erilaisissa lämpöviritysmekanismeissa (lämpölaajeneminen, haihtuminen, tilavuuden muutos faasimuutoksen aikana, supistuminen jne.) 47, 48, 49. Lukuisat monografiat 50, 51, 52 tarjoavat teoreettisia analyysejä tästä prosessista ja sen mahdollisista käytännön sovelluksista.
Näitä kysymyksiä käsiteltiin myöhemmin useissa konferensseissa, ja ultraäänen laservirityksellä on sovelluksia sekä lasertekniikan teollisissa sovelluksissa53 että lääketieteessä54. Siksi voidaan katsoa, ​​että peruskonsepti prosessista, jossa pulssitettu laservalo vaikuttaa absorboivaan väliaineeseen, on vakiintunut. Laserultraäänitarkastusta käytetään SLM-valmistettujen näytteiden virheiden havaitsemiseen55,56.
Laserilla tuotettujen iskuaaltojen vaikutus materiaaleihin on laseriskuhiontaprosessin57,58,59 perusta, jota käytetään myös additiivisesti valmistettujen osien pintakäsittelyyn60. Laseriskuvahvistus on kuitenkin tehokkainta nanosekunnin laserpulsseilla ja mekaanisesti kuormitetuilla pinnoilla (esim. nestekerroksella)59, koska mekaaninen kuormitus lisää huippupainetta.
Kokeita tehtiin tutkimaan erilaisten fysikaalisten kenttien mahdollisia vaikutuksia jähmettyneiden materiaalien mikrorakenteeseen. Kokeellisen järjestelyn toiminnallinen kaavio on esitetty kuvassa 1. Käytettiin pulssitettua Nd:YAG-kiinteän olomuodon laseria, joka toimi vapaasti käyvässä tilassa (pulssin kesto \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Jokainen laserpulssi johdetaan sarjan neutraalitiheyssuodattimia ja säteenjakajalevyjärjestelmän läpi. Neutraalitiheyssuodattimien yhdistelmästä riippuen pulssin energia kohteessa vaihtelee \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) - \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Säteenjakajasta heijastunut lasersäde syötetään fotodiodille samanaikaista tiedonkeruuta varten, ja kahta kalorimetriä (fotodiodeja, joiden vasteaika on pitkä ja ylittää \(1~\text {ms}\)) käytetään kohteeseen tulevan ja siitä heijastuneen säteen määrittämiseen, ja kahta tehomittaria (fotodiodeja, joiden vasteaika on lyhyt kertaa\(<10~\text {ns}\)) tulevan ja heijastuneen optisen tehon määrittämiseksi. Kalorimetrit ja tehomittarit kalibroitiin antamaan arvot absoluuttisina yksiköinä käyttämällä Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 -lämpösähköpari-ilmaisinta ja näytekohtaan asennettua dielektristä peiliä. Säde kohdistettiin kohteeseen käyttämällä linssiä (heijastuksenestopinnoite \(1,06 \upmu \text {m}\), polttoväli \(160~\text {mm}\)) ja säteen vyötärön ollessa kohdepinnalla 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Koejärjestelyn toiminnallinen kaavio: 1 – laser; 2 – lasersäde; 3 – tiheyssuodatin; 4 – synkronoitu fotodiodi; 5 – säteenjakaja; 6 – kalvo; 7 – tulevan säteen kalorimetri; 8 – heijastuneen säteen kalorimetri; 9 – tulevan säteen tehomittari; 10 – heijastuneen säteen tehomittari; 11 – tarkennuslinssi; 12 – peili; 13 – näyte; 14 – laajakaistainen pietsosähköinen muunnin; 15 – 2D-muunnin; 16 – paikannusmikrokontrolleri; 17 – synkronointiyksikkö; 18 – monikanavainen digitaalinen tiedonkeruujärjestelmä eri näytteenottotaajuuksilla; 19 – henkilökohtainen tietokone.
Ultraäänikäsittely suoritetaan seuraavasti. Laser toimii vapaasti käyvässä tilassa; siksi laserpulssin kesto on \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), joka koostuu useista noin \(1,5~\upmu \text {s} \) kestoista. Laserpulssin ajallinen muoto ja sen spektri koostuvat matalataajuisesta verhokäyrästä ja korkeataajuisesta modulaatiosta, jonka keskimääräinen taajuus on noin \(0,7~\text {MHz}\), kuten kuvassa 2 on esitetty. - Taajuusverhokäyrä huolehtii materiaalin kuumenemisesta ja sitä seuraavasta sulamisesta ja haihtumisesta, kun taas korkeataajuuskomponentti tarjoaa ultraäänivärähtelyt fotoakustisen vaikutuksen vuoksi. Laserin tuottaman ultraäänipulssin aaltomuodon määrää pääasiassa laserpulssin intensiteetin aikamuoto. Se on välillä \(7~\text {kHz}\) - \(2~\text {MHz}\), ja keskitaajuus on \(~~\text {MHz}\). Fotoakustisen ilmiön aiheuttamat akustiset pulssit tallennettiin käyttämällä polyvinylideenifluoridikalvoista valmistettuja laajakaistaisia ​​pietsosähköisiä muuntimia. Tallennettu aaltomuoto ja sen spektri on esitetty kuvassa 2. On huomattava, että laserpulssien muoto on tyypillinen vapaasti pyörivälle laserille.
Laserpulssin intensiteetin (a) ja äänen nopeuden ajallinen jakauma näytteen takapinnalla (b), laserpulssin (c) ja ultraäänipulssin (d) spektrit keskiarvoistettuna 300 laserpulssin ajalta (punainen käyrä) yksittäiselle laserpulssille (sininen käyrä).
Voimme selvästi erottaa akustisen käsittelyn matalataajuiset ja korkeataajuiset komponentit, jotka vastaavat vastaavasti laserpulssin matalataajuista vaippakäyrää ja korkeataajuista modulaatiota. Laserpulssin vaippakäyrän tuottamien akustisten aaltojen aallonpituudet ylittävät \(40~\text {cm}\); siksi akustisen signaalin laajakaistaisten korkeataajuisten komponenttien odotetaan vaikuttavan pääasiassa mikrorakenteeseen.
SLM:n fysikaaliset prosessit ovat monimutkaisia ​​ja tapahtuvat samanaikaisesti eri spatiaalisilla ja ajallisilla mittakaavoilla. Siksi usean mittakaavan menetelmät sopivat parhaiten SLM:n teoreettiseen analyysiin. Matemaattisten mallien tulisi aluksi olla monifysikaalisia. Monifaasisen väliaineen "kiinteä-nestemäinen sula" mekaniikka ja termofysiikka, joka on vuorovaikutuksessa inertin kaasuatmosfäärin kanssa, voidaan sitten kuvata tehokkaasti. Materiaalien lämpökuormien ominaisuudet SLM:ssä ovat seuraavat.
Lämmitys- ja jäähdytysnopeudet jopa \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ paikallisen lasersäteilyn ansiosta, jonka tehotiheydet ovat jopa \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Sulamis-jähmettymissykli kestää 1–10 ms, mikä edistää sulamisvyöhykkeen nopeaa jähmettymistä jäähdytyksen aikana.
Näytteen pinnan nopea kuumentaminen johtaa suurten termoelastisten jännitysten muodostumiseen pintakerrokseen. Riittävä osa (jopa 20 %) jauhekerroksesta haihtuu voimakkaasti63, mikä johtaa pintaan kohdistuvaan lisäpainekuormaan laserablaation seurauksena. Tämän seurauksena indusoitu venymä vääristää merkittävästi osan geometriaa, erityisesti tukien ja ohuiden rakenneosien lähellä. Pulssitetun laserhehkutuksen korkea lämmitysnopeus johtaa ultraäänijännitysaaltojen syntymiseen, jotka etenevät pinnalta substraattiin. Tarkkojen kvantitatiivisten tietojen saamiseksi paikallisesta jännitys- ja venymäjakaumasta suoritetaan mesoskooppinen simulaatio elastisesta muodonmuutosongelmasta, joka on konjugoitu lämmön ja massan siirtoon.
Mallin hallitsevat yhtälöt sisältävät (1) epästationaariset lämmönsiirtoyhtälöt, joissa lämmönjohtavuus riippuu faasitilasta (jauhe, sula, polykiteinen) ja lämpötilasta, (2) elastisen muodonmuutoksen vaihtelut jatkuvan ablaation jälkeen ja termoelastisen laajenemisen yhtälö. Reuna-arvo-ongelma määräytyy kokeellisten olosuhteiden perusteella. Moduloitu laservuo määritellään näytteen pinnalla. Konvektiivinen jäähdytys sisältää johtavan lämmönsiirron ja haihtumisvuon. Massavuo määritellään haihtuvan materiaalin kylläisen höyrynpaineen laskemisen perusteella. Käytetään elastoplastista jännitys-venymäsuhdetta, jossa termoelastinen jännitys on verrannollinen lämpötilaeroon. Nimellisteholle \(300~\text {W}\), taajuudelle \(10^5~\text {Hz}\), jaksotuskertoimelle 100 ja efektiiviselle säteen halkaisijalle \(200~\upmu \text {m}\).
Kuva 3 esittää makroskooppisen matemaattisen mallin avulla tehdyn sulan vyöhykkeen numeerisen simuloinnin tuloksia. Sulamisvyöhykkeen halkaisija on \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) säde) ja \(40~\upmu \text {m}\) syvyys. Simulaatiotulokset osoittavat, että pintalämpötila vaihtelee paikallisesti ajan myötä \(100~\text {K}\) pulssimodulaation suuren ajoittaisen tekijän vuoksi. Lämmitys \(V_h\) ja jäähdytys \(V_c\) nopeudet ovat luokkaa \(10^7\) ja \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Nämä arvot ovat hyvässä yhteensopivuudessa aiemman analyysimme64 kanssa. Suuruusluokkaero \(V_h\) ja \(V_c\) välillä johtaa pintakerroksen nopeaan ylikuumenemiseen, jossa lämmönjohtavuus alustaan ​​ei riitä poistamaan lämpöä. Siksi, kun \(t=26~\upmu \text {s}\) pinnan lämpötila nousee jopa \(4800~\text {K}\). Materiaalin voimakas haihtuminen voi aiheuttaa näytteen pintaan liiallisen paineen ja irtoamisen.
Yksittäisen laserpulssin hehkutuksen sulamisvyöhykkeen numeeriset simulaatiotulokset 316L-näytelevyllä. Aika pulssin alusta sulan altaan maksimisyvyyden saavuttamiseen on \(180~\upmu\text {s}\). Isotermi \(T = T_L = 1723~\text {K}\) edustaa nestemäisen ja kiinteän faasin välistä rajaa. Isobaarit (keltaiset viivat) vastaavat myötörajaa, joka lasketaan lämpötilan funktiona seuraavassa osiossa. Näin ollen kahden isoviivan (isotermien \(T = T_L\) ja isobaarien \(\sigma =\sigma _V(T)\)) välisellä alueella kiinteä faasi altistuu voimakkaille mekaanisille kuormille, jotka voivat johtaa mikrorakenteen muutoksiin.
Tätä vaikutusta selitetään tarkemmin kuvassa 4a, jossa sulan vyöhykkeen painetaso on esitetty ajan ja etäisyyden funktiona pinnasta. Ensinnäkin paineen käyttäytyminen liittyy laserpulssin intensiteetin modulointiin, kuten yllä olevassa kuvassa 2 on kuvattu. Noin 10⁻⁸ MPa:n maksimipaine havaittiin noin 26 µM/s:n kohdalla. Toiseksi paikallisen paineen vaihtelulla ohjauspisteessä on samat värähtelyominaisuudet kuin taajuudella 500⁻¹ kHz. Tämä tarkoittaa, että pinnalla syntyy ultraäänipaineaaltoja, jotka sitten etenevät alustaan.
Sulamisvyöhykkeen lähellä olevan muodonmuutosvyöhykkeen lasketut ominaisuudet on esitetty kuvassa 4b. Laserablaatio ja termoelastinen jännitys synnyttävät elastisia muodonmuutosaaltoja, jotka etenevät alustaan. Kuten kuvasta voidaan nähdä, jännityksen muodostumisessa on kaksi vaihetta. Ensimmäisen vaiheen (t < 40~\upmu \text {s}\) aikana Misesin jännitys nousee arvoon (8~\text {MPa}\) ja sen modulaatio on samankaltainen kuin pintapaineen. Tämä jännitys johtuu laserablaation vaikutuksesta, eikä kontrollipisteissä havaittu termoelastista jännitystä, koska alkuperäinen lämpövaikutusvyöhyke oli liian pieni. Kun lämpöä haihtuu alustaan, kontrollipiste synnyttää suuren termoelastisen jännityksen, joka on yli 40~\text {MPa}\.
Saaduilla moduloiduilla jännitystasoilla on merkittävä vaikutus kiinteän aineen ja nesteen rajapintaan, ja ne voivat olla jähmettymisreittiä säätelevä mekanismi. Muodonmuutosvyöhykkeen koko on 2–3 kertaa suurempi kuin sulamisvyöhykkeen koko. Kuten kuvassa 3 on esitetty, sulamisisotermin sijaintia ja myötörajaa vastaavaa jännitystasoa verrataan. Tämä tarkoittaa, että pulssitettu lasersäteilytys tuottaa suuria mekaanisia kuormia paikallisille alueille, joiden efektiivinen halkaisija on 300–800 m hetkellisestä ajasta riippuen.
Siksi pulssitetun laserhehkutuksen monimutkainen modulointi johtaa ultraäänivaikutukseen. Mikrorakenteen valintareitti on erilainen verrattuna SLM:ään ilman ultraäänikuormitusta. Epämuodostuneet epävakaat alueet johtavat jaksollisiin puristus- ja venytyssykleihin kiinteässä faasissa. Näin ollen uusien raerajojen ja aliraja-alueiden muodostuminen tulee mahdolliseksi. Siksi mikrorakenteen ominaisuuksia voidaan muuttaa tarkoituksella, kuten alla on esitetty. Saadut johtopäätökset mahdollistavat pulssimodulaation indusoiman ultraäänellä ohjatun SLM-prototyypin suunnittelun. Tässä tapauksessa muualla käytetty pietsosähköinen induktori 26 voidaan sulkea pois.
(a) Paine ajan funktiona, laskettuna eri etäisyyksillä pinnasta 0, 20 ja \(40~\upmu \text {m}\) symmetria-akselin suuntaisesti. (b) Ajasta riippuva von Misesin jännitys, laskettuna kiinteässä matriisissa etäisyyksillä 70, 120 ja \(170~\upmu \text {m}\) näytteen pinnasta.
Kokeet tehtiin AISI 321H -ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla levyillä, joiden mitat olivat \(20\x 20\x 5~\text {mm}\). Jokaisen laserpulssin jälkeen levy liikkuu \(50~\upmu \text {m}\), ja lasersäteen vyöhyke kohdepinnalla on noin \(100~\upmu \text {m}\). Samaa rataa pitkin suoritetaan jopa viisi peräkkäistä säteen läpikulkua käsitellyn materiaalin uudelleensulatuksen aikaansaamiseksi raekoon hienontamiseksi. Kaikissa tapauksissa uudelleensulatettu alue sonikoitiin lasersäteilyn värähtelevän komponentin mukaan. Tämä johtaa yli viisinkertaiseen pienenemiseen keskimääräisessä raepinta-alassa. Kuva 5 näyttää, miten lasersulatetun alueen mikrorakenne muuttuu seuraavien uudelleensulatusjaksojen (läpikulkujen) määrän mukaan.
Osadiagrammit (a, d, g, j) ja (b, e, h, k) – lasersulatettujen alueiden mikrorakenne, osadiagrammit (c, f, i, l) – värillisten rakeiden pinta-alajakauma. Varjostus edustaa histogrammin laskennassa käytettyjä hiukkasia. Värit vastaavat raealueita (katso histogrammin yläreunassa oleva väripalkki). Osadiagrammit (ac) vastaavat käsittelemätöntä ruostumatonta terästä ja osadiagrammit (df), (gi), (jl) vastaavat 1, 3 ja 5 uudelleensulatusta.
Koska laserpulssin energia ei muutu peräkkäisten läpikulkujen välillä, sulan vyöhykkeen syvyys on sama. Näin ollen seuraava kanava "peittää" edellisen kokonaan. Histogrammi kuitenkin osoittaa, että keskimääräinen ja mediaaniraepinta-ala pienenee läpikulkujen määrän kasvaessa. Tämä voi viitata siihen, että laser vaikuttaa substraattiin eikä sulaan.
Rakeiden hienontuminen voi johtua sulan altaan nopeasta jäähtymisestä65. Toisessa kokeessa ruostumattomien teräslevyjen (321H ja 316L) pinnat altistettiin jatkuvan aallon lasersäteilylle ilmakehässä (kuva 6) ja tyhjiössä (kuva 7). Keskimääräinen laserteho (300 W ja 100 W) ja sulan altaan syvyys ovat lähellä Nd:YAG-laserin kokeellisia tuloksia vapaasti käyvässä tilassa. Havaittiin kuitenkin tyypillinen pylväsmäinen rakenne.
Jatkuvaaaltolaserin lasersulatetun alueen mikrorakenne (300 W vakioteho, 200 mm/s skannausnopeus, AISI 321H ruostumaton teräs).
(a) Mikrorakenne ja (b) laserilla sulatetun alueen elektronitakaisinsirontakuvat tyhjiössä jatkuvatoimisessa laserissa (100 W vakioteho, 200 mm/s skannausnopeus, AISI 316L ruostumaton teräs)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Siksi on selvästi osoitettu, että laserpulssin intensiteetin monimutkaisella moduloinnilla on merkittävä vaikutus tuloksena olevaan mikrorakenteeseen. Uskomme, että tämä vaikutus on luonteeltaan mekaaninen ja johtuu ultraäänivärähtelyjen syntymisestä, jotka etenevät sulan säteilytetystä pinnasta syvälle näytteeseen. Samanlaisia ​​tuloksia saatiin kohdissa 13, 26, 34, 66, 67 käyttämällä ulkoisia pietsosähköisiä muuntimia ja äänipäätteitä, jotka tuottavat korkean intensiteetin ultraääntä erilaisissa materiaaleissa, mukaan lukien Ti-6Al-4V-seos 26 ja ruostumaton teräs 34. Mahdollinen mekanismi on spekuloitu seuraavasti. Voimakas ultraääni voi aiheuttaa akustista kavitaatiota, kuten on osoitettu erittäin nopeassa in situ -synkrotroniröntgenkuvantamisessa. Kavitaatiokuplien romahtaminen puolestaan ​​synnyttää paineaaltoja sulassa materiaalissa, joiden etupaine saavuttaa noin 100–69 MPa. Tällaiset paineaallot voivat olla riittävän voimakkaita edistämään kriittisen kokoisten kiinteän faasin ytimien muodostumista irtonesteissä, mikä häiritsee kerros kerrokselta -lisäainevalmistuksen tyypillistä pylväsmäistä raerakennetta.
Tässä ehdotamme toista mekanismia, joka vastaa rakenteellisesta muutoksesta voimakkaan ultraäänikäsittelyn avulla. Välittömästi jähmettymisen jälkeen materiaali on korkeassa lämpötilassa lähellä sulamispistettä ja sillä on erittäin alhainen myötöraja. Voimakkaat ultraääniaallot voivat aiheuttaa plastisen virtauksen, joka muuttaa kuuman, juuri jähmettyneen materiaalin raerakennetta. Luotettavaa kokeellista tietoa myötörajan lämpötilariippuvuudesta on kuitenkin saatavilla osoitteessa \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (katso kuva 8). Siksi tämän hypoteesin testaamiseksi suoritimme molekyylidynamiikan (MD) simulaatioita Fe-Cr-Ni-koostumukselle, joka on samanlainen kuin AISI 316 L -teräs, arvioidaksemme myötörajan käyttäytymistä lähellä sulamispistettä. Myötörajan laskemiseksi käytimme MD-leikkausjännityksen relaksaatiotekniikkaa, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti julkaisuissa 70, 71, 72, 73. Atomaaristen vuorovaikutusten laskelmissa käytimme upotettua atomimallia (EAM) julkaisusta 74. MD-simulaatiot suoritettiin käyttämällä LAMMPS-koodeja 75, 76. MD-simulaatioiden yksityiskohdat julkaistaan ​​muualla. Myötörajan MD-laskennan tulokset lämpötilan funktiona on esitetty kuvassa 8 yhdessä saatavilla olevien kokeellisten tietojen ja muiden arviointien kanssa77,78,79,80,81,82.
AISI-luokan 316 austeniittisen ruostumattoman teräksen myötölujuus ja mallin koostumus lämpötilan funktiona MD-simulaatioissa. Kokeelliset mittaukset viitteistä: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Katso kohta (f)82. Tämä on empiirinen malli myötöraja-lämpötilariippuvuudesta laserilla avusteisen lisäainevalmistuksen linjassa tapahtuvaa jännitysmittausta varten. Tässä tutkimuksessa tehtyjen laajamittaisten MD-simulaatioiden tuloksia merkitään seuraavasti: \(\vartriangleleft\) virheettömälle äärettömälle yksittäiselle kiteelle ja \(\vartriangleright\) äärellisille rakeille ottaen huomioon keskimääräinen raekoko Hall-Petch-relaation avulla. Mitat \(d = 50~\upmu \text {m}\).
Voidaan nähdä, että arvolla \(T>1500~\text {K}\) myötöraja laskee alle \(40~\text {MPa}\). Toisaalta arvioiden mukaan laserin tuottama ultraääniamplitudi ylittää \(40~\text {MPa}\) (katso kuva 4b), mikä riittää indusoimaan plastisen virtauksen juuri jähmettyneessä kuumassa materiaalissa.
Austeniittisen 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ruostumattoman teräksen mikrorakenteen muodostumista SLM-menetelmän aikana tutkittiin kokeellisesti käyttämällä kompleksista intensiteettimoduloitua pulssilaserlähdettä.
Lasersulatusvyöhykkeen raekoon pienenemistä havaittiin jatkuvan laseruudelleensulatuksen vuoksi 1, 3 tai 5 läpikulun jälkeen.
Makroskooppinen mallinnus osoittaa, että alueen, jossa ultraääninen muodonmuutos voi vaikuttaa positiivisesti jähmettymisrintamaan, arvioitu koko on jopa \(1~\text {mm}\).
Mikroskooppinen MD-malli osoittaa, että AISI 316 -austeniittisen ruostumattoman teräksen myötölujuus on merkittävästi laskenut lähelle sulamispistettä 40 MPa:iin.
Saadut tulokset viittaavat menetelmään materiaalien mikrorakenteen ohjaamiseksi käyttämällä monimutkaista moduloitua laserkäsittelyä ja voisivat toimia perustana pulssitetun SLM-tekniikan uusien modifikaatioiden luomiselle.
Liu, Y. ym. In situ TiB2/AlSi10Mg-komposiittien mikrorakenteellinen kehitys ja mekaaniset ominaisuudet laserselektiivisellä sulatuksella [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. ym. 316L-ruostumattoman teräksen laserselektiivisen sulatuksen uudelleenkiteytysraerajan tekniikka [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Sandwich-mikrorakenteiden kehittäminen in situ, joilla on parannettu venyvyys, laserilla sulatettujen titaaniseosten laserkuumentamalla. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. ym. Ti-6Al-4V-osien additiivinen valmistus laserpinnoituksella (LMD): prosessi, mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. ym. Seos 718:n lasermetallijauheen suunnatun energiapinnoituksen mikrorakenteellinen mallinnus. Lisää.valmistukseen.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. ym. Additiivisesti valmistettujen, laseriskuhienolla käsiteltyjen näytteiden parametrinen neutroni-Bragg-reunakuvantamistutkimus. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. ym. Elektronisuihkusulatuksella additiivisesti valmistetun Ti-6Al-4V:n gradienttimikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).