Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde stipe foar CSS. Foar de bêste ûnderfining advisearje wy jo in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder styling en JavaScript werjaan.
In nij meganisme basearre op selektyf lasersmelten om de mikrostruktuer fan produkten yn it produksjeproses te kontrolearjen wurdt foarsteld. It meganisme is basearre op it generearjen fan ultrasone weagen mei hege yntensiteit yn 'e smeltende plas troch komplekse yntensiteitsmodulearre laserbestraling. Eksperimintele stúdzjes en numerike simulaasjes litte sjen dat dit kontrôlemeganisme technysk mooglik is en effektyf yntegrearre wurde kin yn it ûntwerp fan moderne selektive lasersmeltmasines.
Additive manufacturing (AM) fan kompleksfoarmige ûnderdielen is de lêste desennia flink groeid. Nettsjinsteande de ferskaat oan additive manufacturingprosessen, ynklusyf selektyf lasersmelten (SLM)1,2,3, direkte lasermetaalôfsetting4,5,6, elektronenstrielsmelten7,8 en oaren9,10, kinne de ûnderdielen defekt wêze. Dit komt benammen troch de spesifike skaaimerken fan it stollingsproses fan 'e smeltende plas, ferbûn mei hege termyske gradiënten, hege koelsnelheden en de kompleksiteit fan ferwaarmingssyklusen yn smeltende en opnij smeltende materialen11, dy't liede ta epitaksiale nôtgroei en wichtige porositeit12,13. De resultaten litte sjen dat it needsaaklik is om termyske gradiënten, koelsnelheden en legearingsgearstalling te kontrolearjen, of ekstra fysike skokken ta te passen fia eksterne fjilden fan ferskate eigenskippen (bygelyks ultragelûd) om fyn lykweardige nôtstrukturen te berikken.
Tal fan publikaasjes hawwe te krijen mei it effekt fan trillingsbehanneling op it stollingsproses yn konvinsjonele jitteprosessen14,15. It tapassen fan in ekstern fjild op bulksmelten produseart lykwols net de winske materiaalmikrostruktuer. As it folume fan 'e floeibere faze lyts is, feroaret de situaasje dramatysk. Yn dit gefal beynfloedet it eksterne fjild it stollingsproses signifikant. Elektromagnetyske effekten binne beskôge tidens intense akoestyske fjilden16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, bôgeroeren28 en oscillaasje29, pulsearre plasmabôgen30,31 en oare metoaden32. Befestigje oan it substraat mei in eksterne hege-yntinsiteit ultrasone boarne (by 20 kHz). De ultrasone-induzearre nôtferfining wurdt taskreaun oan 'e ferhege gearstallingsûnderkoelingsône fanwegen de fermindere temperatuergradiënt en ultrasone ferbettering om nije kristalliten te generearjen troch kavitaasje.
Yn dit wurk hawwe wy de mooglikheid ûndersocht om de nôtstruktuer fan austenityske roestfrij stielen te feroarjen troch it smelten fan it wetterbad te sonisearjen mei lûdsweagen dy't generearre wurde troch de smeltende laser sels. De yntensiteitsmodulaasje fan 'e laserstrieling dy't ynfalt op it ljochtabsorberende medium resulteart yn 'e generaasje fan ultrasone weagen, dy't de mikrostruktuer fan it materiaal feroarje. Dizze yntensiteitsmodulaasje fan laserstrieling kin maklik yntegrearre wurde yn besteande SLM 3D-printers. De eksperiminten yn dit wurk waarden útfierd op roestfrij stielen platen wêrfan de oerflakken bleatsteld waarden oan yntensiteitsmodulearre laserstrieling. Technysk sjoen wurdt dus laseroerflakbehanneling dien. As sa'n laserbehanneling lykwols wurdt útfierd op it oerflak fan elke laach, wurde tidens laach-foar-laach opbou effekten op it heule folume of op selekteare dielen fan it folume berikt. Mei oare wurden, as it ûnderdiel laach foar laach konstruearre wurdt, is de laseroerflakbehanneling fan elke laach lykweardich oan "laservolumebehanneling".
Wylst by ultrasone hoarn-basearre ultrasone terapy de ultrasone enerzjy fan 'e steande lûdsweach troch it hiele ûnderdiel ferspraat wurdt, wylst de laser-induzearre ultrasone yntensiteit tige konsintrearre is tichtby it punt dêr't de laserstrieling opnommen wurdt. It brûken fan in sonotrode yn in SLM poeierbêdfúzjemasine is yngewikkeld, om't it boppeflak fan it poeierbêd dat bleatsteld wurdt oan 'e laserstrieling stasjonêr moat bliuwe. Derneist is der gjin meganyske spanning op it boppeflak fan it ûnderdiel. Dêrom is de akoestyske spanning tichtby nul en hat de dieltsjesnelheid in maksimale amplitude oer it heule boppeflak fan it ûnderdiel. De lûdsdruk yn 'e heule smeltende plas kin net mear as 0,1% fan 'e maksimale druk generearre troch de laskop wêze, om't de golflingte fan ultrasone weagen mei in frekwinsje fan 20 kHz yn roestfrij stiel 0,3 m is, en de djipte is meastentiids minder as 0,3 mm. Dêrom kin it effekt fan ultrasone op kavitaasje lyts wêze.
It moat opmurken wurde dat it gebrûk fan yntensiteitsmodulearre laserstrieling yn direkte lasermetaalôfsetting in aktyf ûndersyksgebiet is35,36,37,38.
It termyske effekt fan laserstrieling dy't op it medium ynfalt is de basis foar hast alle lasertechniken 39, 40 foar materiaalferwurking, lykas snijden41, lassen, ferhurding, boarjen42, oerflakreiniging, oerflaklegering, oerflakpolearjen43, ensfh. De útfining fan 'e laser stimulearre nije ûntwikkelingen yn materiaalferwurkingstechniken, en foarriedige resultaten binne gearfette yn tal fan resinsjes en monografyen44,45,46.
It moat opmurken wurde dat elke net-stasjonêre aksje op it medium, ynklusyf laseraksje op it absorberende medium, resulteart yn 'e oanstjoering fan akoestyske weagen dêryn mei mear of minder effisjinsje. Yn it earstoan lei de wichtichste fokus op 'e laser-oanstjoering fan weagen yn floeistoffen en de ferskate termyske oanstjoeringsmeganismen fan lûd (termyske útwreiding, ferdamping, folumeferoaring tidens faze-oergong, krimp, ensfh.) 47, 48, 49. Tal fan monografyen 50, 51, 52 jouwe teoretyske analyses fan dit proses en syn mooglike praktyske tapassingen.
Dizze problemen waarden dêrnei besprutsen op ferskate konferinsjes, en laser-eksitaasje fan ultragelûd hat tapassingen yn sawol yndustriële tapassingen fan lasertechnology53 as medisinen54. Dêrom kin beskôge wurde dat it basiskonsept fan it proses wêrby't pulsearre laserljocht op in absorberend medium wurket, fêststeld is. Laser-ultrasone-ynspeksje wurdt brûkt foar defektdeteksje fan SLM-produsearre samples55,56.
It effekt fan laser-generearre skokweagen op materialen is de basis fan laserskokpeening57,58,59, dat ek brûkt wurdt foar de oerflakbehanneling fan addityf produsearre ûnderdielen60. Laserskokfersterking is lykwols it meast effektyf op nanosekonde laserpulsen en meganysk belaste oerflakken (bygelyks mei in laach floeistof)59, om't meganyske lading de pykdruk fergruttet.
Eksperiminten waarden útfierd om de mooglike effekten fan ferskate fysike fjilden op 'e mikrostruktuer fan ferhurde materialen te ûndersykjen. It funksjonele diagram fan 'e eksperimintele opset wurdt werjûn yn figuer 1. In pulsearre Nd:YAG fêste-steatlaser dy't wurket yn frijrinnende modus (pulsduur \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)) waard brûkt. Elke laserpuls wurdt troch in searje neutrale tichtheidsfilters en in strielsplitterplaatsysteem trochjûn. Ofhinklik fan 'e kombinaasje fan neutrale tichtheidsfilters farieart de pulsenerzjy op it doel fan \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) oant \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). De laserstraal dy't fan 'e strielsplitter reflektearre wurdt, wurdt nei in fotodiode fiede foar simultane gegevensakwisysje, en twa kalorimeters (fotodiodes mei in lange reaksjetiid dy't \(1~\text {ms}\)) wurde brûkt om it ynfal op en reflektearre fan it doel te bepalen, en twa krêftmeters (fotodiodes mei koarte reaksjetiid kear (<10~ ns)) om ynfallende en reflektearre optyske krêft te bepalen. Kalorimeters en krêftmeters waarden kalibrearre om wearden yn absolute ienheden te jaan mei in thermopile-detektor Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 en in diëlektryske spegel monteard op 'e stekproeflokaasje. Fokus de striel op it doel mei in lens (antyrefleksjecoating op 1,06 m), brânpuntsôfstân 160 mm) en in strieltaille op it doeloerflak 60–100 m.
Funksjoneel skematysk diagram fan 'e eksperimintele opset: 1—laser; 2—laserstriel; 3—neutraal tichtheidsfilter; 4—syngronisearre fotodiode; 5—strielsplitter; 6—diafragma; 7—kalorimeter fan ynfallende striel; 8—kalorimeter fan reflektearre striel; 9—krêftmeter fan ynfallende striel; 10—krêftmeter fan reflektearre striel; 11—fokussearjende lens; 12—spegel; 13—sample; 14—breedbân piezoelektryske transducer; 15—2D-converter; 16—posysjonearjende mikrokontroller; 17—syngronisaasje-ienheid; 18—mearkanaals digitaal akwisysjesysteem mei ferskate samplingraten; 19—persoanlike kompjûter.
Ultrasone behanneling wurdt as folget útfierd. De laser wurket yn frijrinnende modus; dêrom is de doer fan 'e laserpuls \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), dy't bestiet út meardere doer fan sawat \(1.5~\upmu \text {s} \) elk. De tydlike foarm fan 'e laserpuls en syn spektrum besteane út in leechfrekwinsje-omhulsel en in hegefrekwinsje-modulaasje, mei in gemiddelde frekwinsje fan sawat \(0.7~\text {MHz}\), lykas te sjen is yn figuer 2. - De frekwinsje-omhulsel soarget foar de ferwaarming en it dêrnei smelten en ferdampen fan it materiaal, wylst de hegefrekwinsjekomponint de ultrasone trillingen leveret fanwegen it fotoakoestyske effekt. De golffoarm fan 'e ultrasone puls dy't troch de laser generearre wurdt, wurdt benammen bepaald troch de tiidfoarm fan 'e yntensiteit fan' e laserpuls. It is fan \(7~\text {kHz}\) oant \(2~\text {MHz}\), en de sintrumfrekwinsje is \(~ 0.7~\text {MHz}\). Akoestyske pulsen fanwegen it fotoakoestyske effekt waarden opnommen mei breedbân piezoelektryske transducers makke fan polyvinylideenfluoridefilms. De opnommen golffoarm en syn spektrum wurde werjûn yn figuer 2. It moat opmurken wurde dat de foarm fan 'e laserpulsen typysk is foar in frijrinnende moduslaser.
Tydlike ferdieling fan laserpulsintensiteit (a) en lûdssnelheid oan 'e efterkant fan it stekproef (b), spektra fan laserpuls (c) en ultrasone puls (d) gemiddeld oer 300 laserpulsen (reade kromme) foar ien laserpuls (blauwe kromme).
Wy kinne dúdlik ûnderskied meitsje tusken de leechfrekwinsje- en heechfrekwinsjekomponinten fan 'e akoestyske behanneling dy't oerienkomme mei de leechfrekwinsje-omhulsel fan 'e laserpuls en de heechfrekwinsjemodulaasje, respektivelik. De golflingten fan 'e akoestyske weagen dy't generearre wurde troch de laserpuls-omhulsel binne grutter as 40 cm; dêrom wurdt it wichtichste effekt fan 'e breedbân heechfrekwinsjekomponinten fan it akoestyske sinjaal op 'e mikrostruktuer ferwachte.
De fysike prosessen yn SLM binne kompleks en komme tagelyk foar op ferskate romtlike en tydlike skalen. Dêrom binne metoaden op meardere skaal it meast geskikt foar teoretyske analyze fan SLM. Wiskundige modellen moatte yn earste ynstânsje multifysysk wêze. De meganika en termofysika fan in mearfaze medium "fêst-floeibere smelt" dy't ynteraksje hat mei in inerte gasatmosfear kin dan effektyf beskreaun wurde. De skaaimerken fan termyske lesten fan materiaal yn SLM binne as folget.
Ferwaarmings- en ôfkuollingssnelheden oant 10⁶⁶ K/s) / troch lokalisearre laserbestraling mei krêftdichtheden oant 10⁶⁶ W cm².
De smelte-stollingsyklus duorret tusken 1 en 10 ms, wat bydraacht oan 'e rappe stolling fan' e smeltesône tidens it ôfkuoljen.
Fluch ferwaarmjen fan it stekproefoppervlak resultearret yn 'e foarming fan hege termo-elastyske spanningen yn 'e oerflaklaach. In foldwaande (oant 20%) diel fan 'e poeierlaach wurdt sterk ferdampt63, wat resulteart yn in ekstra drukbelesting op it oerflak as reaksje op laserablaasje. Dêrtroch ferfoarmet de ynducearre spanning de ûnderdielgeometrie signifikant, foaral tichtby stipen en tinne strukturele eleminten. De hege ferwaarmingssnelheid yn pulsearre lasergloeien resulteart yn 'e generaasje fan ultrasone spanningsweagen dy't fan it oerflak nei it substraat propagearje. Om krekte kwantitative gegevens te krijen oer de lokale spanning- en spanningsferdieling, wurdt in mesoskopyske simulaasje útfierd fan it elastyske deformaasjeprobleem yn ferbân mei waarmte- en massa-oerdracht.
De bestjoersfergelikingen fan it model omfetsje (1) ûnstabile waarmte-oerdrachtfergelikingen wêrby't termyske konduktiviteit ôfhinklik is fan fazetastân (poeier, smelt, polykristallijn) en temperatuer, (2) fluktuaasjes yn elastyske deformaasje nei kontinuümablaasje en termo-elastyske útwreidingsfergeliking. It grinsweardeprobleem wurdt bepaald troch eksperimintele omstannichheden. De modulearre laserflux wurdt definieare op it stekproefoppervlak. Konvektive koeling omfettet konduktive waarmtewikseling en ferdampingsflux. De massaflux wurdt definieare op basis fan 'e berekkening fan' e verzadigde dampdruk fan it ferdampende materiaal. De elastoplastyske spanning-rek-relaasje wurdt brûkt wêrby't de termo-elastyske spanning evenredich is mei it temperatuerferskil. Foar nominaal fermogen \(300~\text {W}\), frekwinsje \(10^5~\text {Hz}\), yntermitterende koëffisjint 100 en \(200~\upmu \text {m}\) fan 'e effektive strieldiameter.
Figuer 3 lit de resultaten sjen fan numerike simulaasje fan 'e smelte sône mei in makroskopysk wiskundich model. De diameter fan 'e fúzje sône is 200~m (radius 100~m) en djipte 40~m. De simulaasjeresultaten litte sjen dat de oerflaktemperatuer lokaal mei de tiid farieart as 100~K fanwegen de hege yntermitterende faktor fan 'e pulsmodulaasje. De ferwaarmings- en koelingssnelheden (V_h) binne yn 'e oarder fan 10^7 en (10^6~K/s), respektivelik. Dizze wearden binne yn goede oerienkomst mei ús eardere analyze64. In ferskil fan oarder fan grutte tusken (V_h) en (V_c) resulteart yn rappe oerferhitting fan 'e oerflaklaach, wêrby't termyske gelieding nei it substraat net genôch is om de waarmte te ferwiderjen. Dêrom, by t=26~ {s}\) de oerflaktemperatuer berikt in pyk fan sa heech as \(4800~\text {K}\). Krêftige ferdamping fan it materiaal kin derfoar soargje dat it oerflak fan it stekproef ûnder tefolle druk komt te stean en ôfskilft.
Numerike simulaasjeresultaten fan 'e smeltsône fan ienige laserpuls-annealing op in 316L-monsterplaat. De tiid fan it begjin fan 'e puls oant de djipte fan 'e smelte plas dy't de maksimale wearde berikt is \(180~\upmu\text {s}\). De isoterm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) fertsjintwurdiget de grins tusken de floeibere en fêste fazen. De isobaren (giele linen) komme oerien mei de rekspanning dy't berekkene wurdt as in funksje fan temperatuer yn 'e folgjende seksje. Dêrom wurdt de fêste faze yn it domein tusken de twa isolinen (isotermen\(T=T_L\) en isobaren\(\sigma =\sigma _V(T)\)) ûnderwurpen oan sterke meganyske lesten, wat kin liede ta feroaringen yn 'e mikrostruktuer.
Dit effekt wurdt fierder útlein yn figuer 4a, dêr't it druknivo yn 'e smelte sône plot is as in funksje fan tiid en ôfstân fan it oerflak. Earst is it drukgedrach relatearre oan 'e modulaasje fan 'e laserpulsintensiteit beskreaun yn figuer 2 hjirboppe. In maksimale druk \text{s}\) fan sawat \(10~\text {MPa}\) waard waarnommen by sawat \(t=26~\upmu). Twad, de fluktuaasje fan 'e lokale druk op it kontrôlepunt hat deselde oscillaasjekarakteristiken as de frekwinsje fan \(500~\text {kHz}\). Dit betsjut dat ultrasone drukweagen oan it oerflak generearre wurde en dan yn it substraat ferspriede.
De berekkene skaaimerken fan 'e deformaasjezone tichtby de smeltzone wurde werjûn yn Fig. 4b. Laserablaasje en termo-elastyske spanning generearje elastyske deformaasjeweagen dy't har yn it substraat ferspriede. Lykas te sjen is yn 'e figuer, binne d'r twa stadia fan spanningsgeneraasje. Tidens de earste faze fan \(t < 40~\upmu \text {s}\) nimt de Mises-spanning ta nei \(8~\text {MPa}\) mei in modulaasje dy't fergelykber is mei de oerflakdruk. Dizze spanning ûntstiet troch laserablaasje, en der waard gjin termo-elastyske spanning waarnommen yn 'e kontrôlepunten, om't de earste waarmte-beynfloede sône te lyts wie. As waarmte yn it substraat wurdt ôffierd, genereart it kontrôlepunt hege termo-elastyske spanning boppe \(40~\text {MPa}\).
De krigen modulearre spanningsnivo's hawwe in wichtige ynfloed op 'e fêste-floeistof-ynterface en kinne it kontrôlemeganisme wêze dat it stollingspaad regelet. De grutte fan 'e deformaasjesône is 2 oant 3 kear grutter as dy fan 'e smeltsône. Lykas te sjen is yn figuer 3, wurde de lokaasje fan 'e smeltisotherm en it spanningsnivo gelyk oan 'e rekspanning fergelike. Dit betsjut dat de pulsearre laserbestraling hege meganyske lesten leveret yn lokalisearre gebieten mei in effektive diameter tusken 300 en 800 m, ôfhinklik fan 'e direkte tiid.
Dêrom liedt de komplekse modulaasje fan 'e pulsearre lasergloeiing ta it ultrasone effekt. It seleksjepaad fan 'e mikrostruktuer is oars yn ferliking mei de SLM sûnder ultrasone lading. Misfoarme ynstabile regio's liede ta periodike syklusen fan kompresje en strekking yn 'e fêste faze. Sa wurdt de foarming fan nije nôtgrinzen en subnôtgrinzen mooglik. Dêrom kinne de mikrostrukturele eigenskippen mei opsetsin feroare wurde, lykas hjirûnder werjûn. De krigen konklúzjes jouwe de mooglikheid om in pulsmodulaasje-induzearre ultrasone-oandreaune SLM-prototype te ûntwerpen. Yn dit gefal kin de piëzoelektryske induktor 26 dy't earne oars brûkt wurdt, útsletten wurde.
(a) Druk as funksje fan tiid, berekkene op ferskate ôfstannen fan it oerflak 0, 20 en 40 m lâns de symmetry-as. (b) Tiidôfhinklike Von Mises-spanning berekkene yn in fêste matriks op ôfstannen 70, 120 en 170 m fan it stekproefoppervlak.
Eksperiminten waarden útfierd op AISI 321H roestfrij stielen platen mei ôfmjittings 20 kear 20 kear 5 mm. Nei elke laserpuls beweecht de plaat 50 m, en de taille fan 'e laserstriel op it doeloppervlak is sawat 100 m. Oant fiif opienfolgjende strielpassaazjes wurde útfierd lâns itselde spoar om it opnij smelten fan it ferwurke materiaal te indusearjen foar nôtferfining. Yn alle gefallen waard de opnij smelte sône sonisearre, ôfhinklik fan 'e oscillerende komponint fan' e laserstrieling. Dit resulteart yn in mear as 5-fâldige reduksje yn it gemiddelde nôtoppervlak. Figuer 5 lit sjen hoe't de mikrostruktuer fan it laser-smelte gebiet feroaret mei it oantal opienfolgjende opnij smeltende syklussen (passaazjes).
Subplots (a, d, g, j) en (b, e, h, k) - mikrostruktuer fan laser-smelte gebieten, subplots (c, f, i, l) - gebietsferdieling fan kleurde kerrels. Skaad fertsjintwurdiget de dieltsjes dy't brûkt binne om it histogram te berekkenjen. Kleuren komme oerien mei kerrelregio's (sjoch de kleurbalke boppe oan it histogram). Subplots (ac) komme oerien mei ûnbehannele roestfrij stiel, en subplots (df), (gi), (jl) komme oerien mei 1, 3 en 5 opnij smelten.
Omdat de enerzjy fan 'e laserpuls net feroaret tusken opienfolgjende passaazjes, is de djipte fan 'e smelte sône itselde. Sa "bedekt" it opfolgjende kanaal it foarige folslein. It histogram lit lykwols sjen dat it gemiddelde en mediane nôtgebiet ôfnimt mei tanimmend oantal passaazjes. Dit kin oanjaan dat de laser op it substraat ynwurket ynstee fan op 'e smelt.
Nôtferfining kin feroarsake wurde troch rappe ôfkuolling fan 'e smeltende plas65. In oare set eksperiminten waard útfierd wêrby't de oerflakken fan roestfrij stielen platen (321H en 316L) bleatsteld waarden oan trochgeande weachlaserstrieling yn atmosfear (Fig. 6) en fakuüm (Fig. 7). It gemiddelde laserfermogen (respektyflik 300 W en 100 W) en de djipte fan 'e smeltende plas binne ticht by de eksperimintele resultaten fan 'e Nd:YAG-laser yn frijrinnende modus. In typyske kolomfoarmige struktuer waard lykwols waarnommen.
Mikrostruktuer fan it laser-smelte gebiet fan in trochgeande weachlaser (300 W konstant fermogen, 200 mm/s scansnelheid, AISI 321H roestfrij stiel).
(a) Mikrostruktuer en (b) elektronen-efterferspriedingsdiffraksjeôfbyldings fan it laser-smelte gebiet yn fakuüm mei in trochgeande weachlaser (100 W konstant fermogen, 200 mm/s scansnelheid, AISI 316L roestfrij stiel)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Dêrom wurdt dúdlik oantoand dat de komplekse modulaasje fan 'e laserpulsintensiteit in signifikant effekt hat op' e resultearjende mikrostruktuer. Wy leauwe dat dit effekt meganysk fan aard is en foarkomt troch de generaasje fan ultrasone trillingen dy't fan it bestraalde oerflak fan 'e smelt djip yn it stekproef ferspriede. Ferlykbere resultaten waarden krigen yn 13, 26, 34, 66, 67 mei help fan eksterne piezoelektryske transducers en sonotroden dy't hege-yntensiteit ultrasone leverje yn ferskate materialen, ynklusyf Ti-6Al-4V-legering 26 en roestfrij stiel 34 as resultaat. It mooglike meganisme wurdt as folget spekulearre. Yntinsive ultrasone kin akoestyske kavitaasje feroarsaakje, lykas oantoand yn ultrasnelle in situ synchrotron-röntgenôfbylding. It ynstoarten fan 'e kavitaasjebellen genereart op syn beurt skokweagen yn it smelte materiaal, waans frontdruk sawat \(100~\text {MPa}\)69 berikt. Sokke skokweagen kinne sterk genôch wêze om de foarming fan krityske grutte fêste-faze-kernen yn bulkfloeistoffen te befoarderjen, wêrtroch't de typyske kolomfoarmige kerrelstruktuer fan laach-foar-laach-tafoeging fersteurd wurdt. produksje.
Hjir stelle wy in oar meganisme foar dat ferantwurdlik is foar strukturele modifikaasje troch intense sonikaasje. Direkt nei stolling is it materiaal op in hege temperatuer tichtby it smeltpunt en hat in ekstreem lege rekspanning. Yntinsive ultrasone weagen kinne derfoar soargje dat plestike stream de nôtstruktuer fan it hjitte, krekt stolde materiaal feroaret. Betroubere eksperimintele gegevens oer de temperatuerôfhinklikens fan rekspanning binne lykwols beskikber by \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (sjoch figuer 8). Dêrom, om dizze hypoteze te testen, hawwe wy molekulêre dynamika (MD) simulaasjes útfierd fan in Fe-Cr-Ni-komposysje fergelykber mei AISI 316 L stiel om it rekspanningsgedrach tichtby it smeltpunt te evaluearjen. Om de rekspanning te berekkenjen, hawwe wy de MD-skuorspanningsrelaksaasjetechnyk brûkt dy't detaillearre is yn 70, 71, 72, 73. Foar de ynteratomyske ynteraksjeberekkeningen hawwe wy it Embedded Atomic Model (EAM) fan 74 brûkt. MD-simulaasjes waarden útfierd mei LAMMPS-koades 75,76. Details fan 'e MD-simulaasjes sille earne oars publisearre wurde. De MD-berekkeningsresultaten fan opbringst spanning as funksje fan temperatuer wurde werjûn yn Fig. 8 tegearre mei beskikbere eksperimintele gegevens en oare evaluaasjes77,78,79,80,81,82.
Struktuerspanning foar AISI klasse 316 austenitysk roestfrij stiel en modelkomposysje tsjin temperatuer foar MD-simulaasjes. Eksperimintele mjittingen út referinsjes: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. ferwize nei. (f)82 is in empirysk model fan struktuerspanning-temperatuerôfhinklikens foar in-line spanningsmjitting tidens laser-assistearre additive produksje. De resultaten fan 'e grutskalige MD-simulaasjes yn dizze stúdzje wurde oantsjutten as \(\vartriangleleft\) foar in defektfrij ûneinich ienkristal en \(\vartriangleright\) foar eindige kerrels, rekken hâldend mei de gemiddelde kerrelgrutte fia de Hall-Petch-relaasje Ofmjittings\(d = 50~\upmu \text {m}\).
It kin sjoen wurde dat by \(T>1500~\text {K}\) de rekspanning ûnder \(40~\text {MPa}\) sakket. Oan 'e oare kant foarsizze skattings dat de laser-generearre ultrasone amplitude \(40~\text {MPa}\) grutter is (sjoch Fig. 4b), wat genôch is om plestike stream te indusearjen yn it krekt ferhurde waarme materiaal.
De mikrostruktuerfoarming fan 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitisch roestfrij stiel tidens SLM waard eksperiminteel ûndersocht mei in komplekse yntensiteitsmodulearre pulsearre laserboarne.
Fermindering fan nôtgrutte yn 'e laser-smeltsône waard fûn troch trochgeand laser-opnij smelten nei 1, 3 of 5 passaazjes.
Makroskopyske modellering lit sjen dat de skatte grutte fan it gebiet dêr't ultrasone deformaasje in positive ynfloed kin hawwe op it stollingsfront oant 1 mm is.
It mikroskopyske MD-model lit sjen dat de rekgrens fan AISI 316 austenityske roestfrij stiel signifikant fermindere is nei \(40~\text {MPa}\) tichtby it smeltpunt.
De krigen resultaten suggerearje in metoade foar it kontrolearjen fan de mikrostruktuer fan materialen mei help fan komplekse modulearre laserferwurking en kinne tsjinje as basis foar it meitsjen fan nije modifikaasjes fan 'e pulsearre SLM-technyk.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturele evolúsje en meganyske eigenskippen fan in situ TiB2/AlSi10Mg-kompositen troch laserselektive smelting [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rekristallisaasje-korrelgrinzentechnyk fan laserselektive smelting fan 316L roestfrij stiel [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ ûntwikkeling fan sandwich-mikrostrukturen mei ferbettere duktyliteit troch laser-opwaarming fan laser-smelten titaniumlegeringen. science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Additive fabrikaazje fan Ti-6Al-4V-ûnderdielen troch lasermetaalôfsetting (LMD): proses, mikrostruktuer en meganyske eigenskippen. J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturele modellering fan lasermetaalpoeier-rjochte enerzjyôfsetting fan Alloy 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametryske Neutron Bragg Edge Imaging Study fan Additief Produsearre Samples Behannele troch Laser Shock Peening. science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradiëntmikrostruktuer en meganyske eigenskippen fan Ti-6Al-4V addityf makke troch elektronenstrielsmelting. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).