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विनिर्माण प्रक्रिया में उत्पादों की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने के लिए चयनात्मक लेजर पिघलने पर आधारित एक नया तंत्र प्रस्तावित किया गया है। यह तंत्र जटिल तीव्रता-संग्राहक लेजर विकिरण द्वारा पिघले हुए पूल में उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों की पीढ़ी पर निर्भर करता है। प्रायोगिक अध्ययन और संख्यात्मक सिमुलेशन से पता चलता है कि यह नियंत्रण तंत्र तकनीकी रूप से व्यवहार्य है और इसे आधुनिक चयनात्मक लेजर पिघलने वाली मशीनों के डिजाइन में प्रभावी रूप से एकीकृत किया जा सकता है।
हाल के दशकों में जटिल आकार के भागों के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) में काफी वृद्धि हुई है। हालांकि, चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) 1,2,3, प्रत्यक्ष लेजर धातु जमाव 4,5,6, इलेक्ट्रॉन बीम पिघलने 7,8 और अन्य 9,10 सहित एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रियाओं की विविधता के बावजूद, भाग दोषपूर्ण हो सकते हैं। यह मुख्य रूप से उच्च तापीय ढाल, उच्च शीतलन दरों और पिघलने और फिर से पिघलने वाली सामग्रियों में हीटिंग चक्रों की जटिलता 11 से जुड़े पिघले हुए पूल जमने की प्रक्रिया की विशिष्ट विशेषताओं के कारण होता है, जिससे एपिटैक्सियल अनाज की वृद्धि और महत्वपूर्ण छिद्रण 12,13 होता है। परिणाम बताते हैं कि, ठीक समतुल्य अनाज संरचनाओं को प्राप्त करने के लिए थर्मल ग्रेडिएंट, शीतलन दर और मिश्र धातु संरचना को नियंत्रित करना या विभिन्न गुणों (जैसे, अल्ट्रासाउंड) के बाहरी क्षेत्रों के माध्यम से अतिरिक्त भौतिक झटके लगाना आवश्यक है।
पारंपरिक कास्टिंग प्रक्रियाओं में ठोसकरण प्रक्रिया पर कंपन उपचार के प्रभाव से कई प्रकाशन चिंतित हैं14,15। हालांकि, थोक पिघल में बाहरी क्षेत्र को लागू करने से वांछित सामग्री माइक्रोस्ट्रक्चर का उत्पादन नहीं होता है। यदि तरल चरण की मात्रा छोटी है, तो स्थिति नाटकीय रूप से बदल जाती है। इस मामले में, बाहरी क्षेत्र ठोसकरण प्रक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। तीव्र ध्वनिक क्षेत्रों16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, चाप हलचल28 और दोलन29, स्पंदित प्लाज्मा आर्क्स30,31 और अन्य तरीकों32 के दौरान विद्युत चुम्बकीय प्रभावों पर विचार किया गया है। बाहरी उच्च-तीव्रता अल्ट्रासाउंड स्रोत (20 kHz पर) का उपयोग करके सब्सट्रेट से संलग्न करें। अल्ट्रासाउंड-प्रेरित अनाज शोधन को कम तापमान ढाल और अल्ट्रासाउंड वृद्धि के कारण बढ़ी हुई संरचनागत उप-शीतलन क्षेत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है ताकि कैविटेशन के माध्यम से नए क्रिस्टलीय उत्पन्न हो सकें।
इस कार्य में, हमने पिघलने वाले लेजर द्वारा उत्पन्न ध्वनि तरंगों के साथ पिघले हुए पूल को ध्वनित करके ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स की अनाज संरचना को बदलने की संभावना की जांच की। प्रकाश-अवशोषित माध्यम पर लेजर विकिरण की घटना के तीव्रता मॉड्यूलेशन के परिणामस्वरूप अल्ट्रासोनिक तरंगों की उत्पत्ति होती है, जो सामग्री की सूक्ष्म संरचना को बदल देती है। लेजर विकिरण के इस तीव्रता मॉड्यूलेशन को मौजूदा एसएलएम 3 डी प्रिंटर में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। इस काम में प्रयोग स्टेनलेस स्टील प्लेटों पर किए गए थे जिनकी सतहों को तीव्रता-मॉड्यूलेटेड लेजर विकिरण के संपर्क में लाया गया था। तो, तकनीकी रूप से, लेजर सतह उपचार किया जाता है। हालांकि, यदि परत-दर-परत निर्माण के दौरान प्रत्येक परत की सतह पर ऐसा लेजर उपचार किया जाता है, तो पूरे वॉल्यूम पर या वॉल्यूम के चयनित हिस्सों पर प्रभाव प्राप्त होते हैं
जबकि अल्ट्रासोनिक हॉर्न-आधारित अल्ट्रासोनिक थेरेपी में, स्थिर ध्वनि तरंग की अल्ट्रासोनिक ऊर्जा पूरे घटक में वितरित की जाती है, जबकि लेजर-प्रेरित अल्ट्रासोनिक तीव्रता उस बिंदु के पास अत्यधिक केंद्रित होती है जहां लेजर विकिरण अवशोषित होता है। एसएलएम पाउडर बिस्तर संलयन मशीन में सोनोट्रोड का उपयोग करना जटिल है क्योंकि लेजर विकिरण के संपर्क में आने वाले पाउडर बिस्तर की ऊपरी सतह स्थिर रहनी चाहिए। इसके अलावा, भाग की ऊपरी सतह पर कोई यांत्रिक तनाव नहीं है। इसलिए, ध्वनिक तनाव शून्य के करीब है और कण वेग में भाग की पूरी ऊपरी सतह पर अधिकतम आयाम होता है। पूरे पिघले हुए पूल के अंदर ध्वनि का दबाव वेल्डिंग हेड द्वारा उत्पन्न अधिकतम दबाव के 0.1% से अधिक नहीं हो सकता है, क्योंकि स्टेनलेस स्टील में 20 kHz की आवृत्ति वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों की तरंग दैर्ध्य \(\sim 0.3~\text {m}\) है
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्रत्यक्ष लेजर धातु जमाव में तीव्रता-संग्राहक लेजर विकिरण का उपयोग अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है35,36,37,38।
माध्यम पर पड़ने वाले लेजर विकिरण का ऊष्मीय प्रभाव सामग्री प्रसंस्करण के लिए लगभग सभी लेजर तकनीकों 39, 40 का आधार है, जैसे कि काटना41, वेल्डिंग, सख्त करना, ड्रिलिंग42, सतह की सफाई, सतह मिश्रधातु बनाना, सतह चमकाना43, आदि। लेजर के आविष्कार ने सामग्री प्रसंस्करण तकनीकों में नए विकास को प्रेरित किया, और प्रारंभिक परिणामों को कई समीक्षाओं और मोनोग्राफ44,45,46 में संक्षेपित किया गया है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि माध्यम पर कोई भी गैर-स्थिर क्रिया, जिसमें अवशोषित माध्यम पर लेज़िंग क्रिया भी शामिल है, के परिणामस्वरूप इसमें ध्वनिक तरंगों का उत्तेजना अधिक या कम दक्षता के साथ होता है। प्रारंभ में, मुख्य ध्यान तरल पदार्थों में तरंगों के लेजर उत्तेजना और ध्वनि के विभिन्न थर्मल उत्तेजना तंत्रों (थर्मल विस्तार, वाष्पीकरण, चरण संक्रमण के दौरान मात्रा में परिवर्तन, संकुचन, आदि) पर था। 47, 48, 49। कई मोनोग्राफ 50, 51, 52 इस प्रक्रिया और इसके संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोगों का सैद्धांतिक विश्लेषण प्रदान करते हैं।
इन मुद्दों पर बाद में विभिन्न सम्मेलनों में चर्चा की गई, और अल्ट्रासाउंड के लेजर उत्तेजना के अनुप्रयोग लेजर प्रौद्योगिकी53 और चिकित्सा54 के औद्योगिक अनुप्रयोगों दोनों में हैं। इसलिए, यह माना जा सकता है कि प्रक्रिया की मूल अवधारणा जिसके द्वारा स्पंदित लेजर प्रकाश एक अवशोषित माध्यम पर कार्य करता है, स्थापित हो गई है। लेजर अल्ट्रासोनिक निरीक्षण का उपयोग एसएलएम-निर्मित नमूनों55,56 के दोष का पता लगाने के लिए किया जाता है।
सामग्रियों पर लेजर-जनित शॉक तरंगों का प्रभाव लेजर शॉक पीनिंग57,58,59 का आधार है, जिसका उपयोग एडिटिव रूप से निर्मित भागों60 के सतह उपचार के लिए भी किया जाता है। हालांकि, लेजर शॉक सुदृढ़ीकरण नैनोसेकंड लेजर पल्स और यांत्रिक रूप से लोड की गई सतहों (जैसे, तरल की एक परत के साथ)59 पर सबसे अधिक प्रभावी है क्योंकि यांत्रिक लोडिंग से शिखर दबाव बढ़ जाता है।
ठोस पदार्थों की सूक्ष्म संरचना पर विभिन्न भौतिक क्षेत्रों के संभावित प्रभावों की जांच के लिए प्रयोग किए गए। प्रायोगिक सेटअप का कार्यात्मक आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है। एक स्पंदित एनडी: वाईएजी ठोस-अवस्था लेजर मुक्त-चलन मोड (पल्स अवधि \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) में काम कर रहा था। प्रत्येक लेजर पल्स को तटस्थ घनत्व फिल्टर और बीम स्प्लिटर प्लेट सिस्टम की एक श्रृंखला के माध्यम से पारित किया जाता है। तटस्थ घनत्व फिल्टर के संयोजन के आधार पर, लक्ष्य पर पल्स ऊर्जा \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) से \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) तक भिन्न होती है। बीम स्प्लिटर से परावर्तित लेजर बीम को एक साथ डेटा अधिग्रहण के लिए एक फोटोडियोड में खिलाया जाता है घटना और परावर्तित ऑप्टिकल शक्ति का निर्धारण करने के लिए लघु प्रतिक्रिया समय\(<10~\text {ns}\)) के साथ। कैलोरीमीटर और पावर मीटर को एक थर्मोपाइल डिटेक्टर जेंटेक-ईओ एक्सएलपी12-3एस-एच2-डी0 और नमूना स्थान पर लगे एक डाइइलेक्ट्रिक दर्पण का उपयोग करके निरपेक्ष इकाइयों में मान देने के लिए कैलिब्रेट किया गया था। एक लेंस (एंटीरिफ्लेक्शन कोटिंग \(1.06 \upmu \text {m}\), फोकल लंबाई \(160~\text {mm}\)) और लक्ष्य सतह 60– \(100~\upmu\text {m}\) पर एक बीम कमर का उपयोग करके लक्ष्य पर बीम को केंद्रित करें।
प्रायोगिक सेटअप का कार्यात्मक योजनाबद्ध आरेख: 1—लेजर; 2—लेजर बीम; 3—तटस्थ घनत्व फिल्टर; 4—सिंक्रोनाइज़्ड फोटोडायोड; 5—बीम स्प्लिटर; 6—डायाफ्राम; 7—घटित बीम का कैलोरीमीटर; 8 – परावर्तित बीम का कैलोरीमीटर; 9 – घटित बीम पावर मीटर; 10 – परावर्तित बीम पावर मीटर; 11 – फोकसिंग लेंस; 12 – दर्पण; 13 – नमूना; 14 – ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर; 15 – 2D कनवर्टर; 16 – पोजिशनिंग माइक्रोकंट्रोलर; 17 – सिंक्रोनाइज़ेशन यूनिट; 18 – विभिन्न सैंपलिंग दरों के साथ मल्टी-चैनल डिजिटल अधिग्रहण प्रणाली; 19 – पर्सनल कंप्यूटर।
अल्ट्रासोनिक उपचार इस प्रकार किया जाता है। लेजर फ्री-रनिंग मोड में काम करता है; इसलिए लेजर पल्स की अवधि \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) है, जिसमें लगभग \(1.5~\upmu \text {s } \) प्रत्येक की कई अवधियाँ शामिल हैं। लेजर पल्स और उसके स्पेक्ट्रम का अस्थायी आकार एक कम आवृत्ति लिफाफा और एक उच्च आवृत्ति मॉड्यूलेशन से मिलकर बना होता है, जिसकी औसत आवृत्ति लगभग \(0.7~\text {MHz}\) होती है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।- आवृत्ति लिफाफा सामग्री को गर्म करने और उसके बाद पिघलने और वाष्पीकरण प्रदान करता है, जबकि उच्च आवृत्ति घटक फोटोएकॉस्टिक प्रभाव के कारण अल्ट्रासोनिक कंपन प्रदान करता है। लेजर द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक पल्स का तरंग यह \(7~\text {kHz}\) से \ (2~\text {MHz}\) तक है, और केंद्र आवृत्ति \(~ 0.7~\text {MHz}\) है। फोटोएकॉस्टिक प्रभाव के कारण ध्वनिक स्पंदों को पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड फिल्मों से बने ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। रिकॉर्ड की गई तरंग और उसके स्पेक्ट्रम को चित्र 2 में दिखाया गया है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर स्पंदों का आकार एक फ्री-रनिंग मोड लेजर का विशिष्ट है।
नमूने की पिछली सतह पर लेजर पल्स तीव्रता (ए) और ध्वनि की गति का अस्थायी वितरण (बी), लेजर पल्स (सी) और अल्ट्रासोनिक पल्स (डी) के स्पेक्ट्रा को एक एकल लेजर पल्स (नीला वक्र) के लिए 300 लेजर पल्स (लाल वक्र) पर औसतन लिया गया।
हम लेजर पल्स के निम्न-आवृत्ति लिफाफे और उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के अनुरूप ध्वनिक उपचार के निम्न-आवृत्ति और उच्च-आवृत्ति घटकों को स्पष्ट रूप से अलग कर सकते हैं। लेजर पल्स लिफाफे द्वारा उत्पन्न ध्वनिक तरंगों की तरंग दैर्ध्य \(40~\text {सेमी}\) से अधिक है; इसलिए, माइक्रोस्ट्रक्चर पर ध्वनिक संकेत के ब्रॉडबैंड उच्च आवृत्ति घटकों का मुख्य प्रभाव अपेक्षित है।
एसएलएम में भौतिक प्रक्रियाएं जटिल हैं और विभिन्न स्थानिक और लौकिक पैमानों पर एक साथ होती हैं। इसलिए, एसएलएम के सैद्धांतिक विश्लेषण के लिए बहु-पैमाने के तरीके सबसे उपयुक्त हैं। गणितीय मॉडल शुरू में बहु-भौतिक होने चाहिए। एक निष्क्रिय गैस वातावरण के साथ बातचीत करने वाले बहु-चरणीय माध्यम "ठोस-तरल पिघल" के यांत्रिकी और थर्मोफिज़िक्स को तब प्रभावी रूप से वर्णित किया जा सकता है। एसएलएम में सामग्री थर्मल भार की विशेषताएं इस प्रकार हैं।
\(10^{13}~\text {W} cm}^2\) तक की शक्ति घनत्व के साथ स्थानीयकृत लेजर विकिरण के कारण \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ तक की तापन और शीतलन दर।
पिघलने-ठोसीकरण चक्र 1 और \(10~\text {ms}\) के बीच रहता है, जो ठंडा होने के दौरान पिघलने वाले क्षेत्र के तेजी से जमने में योगदान देता है।
नमूने की सतह के तेजी से गर्म होने के परिणामस्वरूप सतह परत में उच्च थर्मोइलास्टिक तनाव का निर्माण होता है। पाउडर परत का पर्याप्त (20% तक) हिस्सा दृढ़ता से वाष्पित हो जाता है63, जिसके परिणामस्वरूप लेजर पृथक्करण की प्रतिक्रिया में सतह पर अतिरिक्त दबाव भार होता है। परिणामस्वरूप, प्रेरित तनाव भाग की ज्यामिति को महत्वपूर्ण रूप से विकृत कर देता है, विशेष रूप से समर्थन और पतले संरचनात्मक तत्वों के पास। स्पंदित लेजर एनीलिंग में उच्च ताप दर के परिणामस्वरूप अल्ट्रासोनिक तनाव तरंगों की उत्पत्ति होती है जो सतह से सब्सट्रेट तक फैलती हैं। स्थानीय तनाव और तनाव वितरण पर सटीक मात्रात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए, गर्मी और द्रव्यमान हस्तांतरण के साथ संयुग्मित लोचदार विरूपण समस्या का एक मेसोस्कोपिक सिमुलेशन किया जाता है।
मॉडल के शासक समीकरणों में शामिल हैं (1) अस्थिर ऊष्मा स्थानांतरण समीकरण जहां तापीय चालकता चरण अवस्था (पाउडर, पिघल, पॉलीक्रिस्टलाइन) और तापमान पर निर्भर करती है, (2) सातत्य पृथक्करण के बाद लोचदार विरूपण में उतार-चढ़ाव और थर्मोइलास्टिक विस्तार समीकरण। सीमा मूल्य की समस्या प्रयोगात्मक स्थितियों द्वारा निर्धारित की जाती है। मॉड्युलेटेड लेजर फ्लक्स को नमूना सतह पर परिभाषित किया गया है। संवहनी शीतलन में प्रवाहकीय ऊष्मा विनिमय और वाष्पीकरण प्रवाह शामिल हैं। द्रव्यमान प्रवाह को वाष्पित सामग्री के संतृप्त वाष्प दबाव की गणना के आधार पर परिभाषित किया गया है। इलास्टोप्लास्टिक तनाव-तनाव संबंध का उपयोग किया जाता है जहां थर्मोइलास्टिक तनाव तापमान अंतर के समानुपाती होता है। प्रभावी बीम व्यास के नाममात्र शक्ति \(300~\text {W}\), आवृत्ति \(10^5~\text {Hz\), आंतरायिक गुणांक 100 और \(200~\upmu \text {m}\) के लिए।
चित्रा 3 मैक्रोस्कोपिक गणितीय मॉडल का उपयोग करके पिघले हुए क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन के परिणाम दिखाता है। संलयन क्षेत्र का व्यास \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) त्रिज्या) और \(40~\upmu \text {m}\) गहराई है। सिमुलेशन के परिणाम बताते हैं कि सतह का तापमान पल्स मॉड्यूलेशन के उच्च आंतरायिक कारक के कारण स्थानीय रूप से समय के साथ \(100~\text {K}\) के रूप में भिन्न होता है। हीटिंग \(V_h\) और कूलिंग \(V_c\) दर क्रमशः \(10^7\) और \(10^6~\text {K}/\text {s}\) के क्रम में हैं। ये मान हमारे पिछले विश्लेषण64 के साथ अच्छे समझौते में हैं। \(V_h\) और \(V_c\) के बीच परिमाण के अंतर के परिणामस्वरूप सतह परत का तेजी से गर्म होना गर्मी। इसलिए, \(t=26~\upmu \text {s}\) पर सतह का तापमान \(4800~\text {K}\) जितना ऊंचा हो जाता है। सामग्री के जोरदार वाष्पीकरण के कारण नमूने की सतह पर अत्यधिक दबाव पड़ सकता है और वह छिल सकती है।
316L नमूना प्लेट पर एकल लेजर पल्स एनीलिंग के पिघलने वाले क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन परिणाम। पल्स की शुरुआत से लेकर पिघले हुए पूल की गहराई तक अधिकतम मान तक का समय \(180~\upmu\text {s}\) है। आइसोथर्म\(T = T_L = 1723~\text {K}\) तरल और ठोस चरणों के बीच की सीमा का प्रतिनिधित्व करता है। आइसोबार (पीली रेखाएं) अगले अनुभाग में तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में गणना की गई उपज तनाव के अनुरूप हैं। इसलिए, दो आइसोलाइनों (आइसोथर्म\(T=T_L\) और आइसोबार\(\sigma =\sigma _V(T)\)) के बीच के डोमेन में, ठोस चरण मजबूत यांत्रिक भार के अधीन होता है, जिससे माइक्रोस्ट्रक्चर में परिवर्तन हो सकता है।
इस प्रभाव को चित्र 4a में आगे समझाया गया है, जहां पिघले हुए क्षेत्र में दबाव के स्तर को समय और सतह से दूरी के आधार पर प्लॉट किया गया है। सबसे पहले, दबाव का व्यवहार ऊपर चित्र 2 में वर्णित लेजर पल्स की तीव्रता के मॉड्यूलेशन से संबंधित है। लगभग \(t=26~\upmu) पर अधिकतम दबाव \text{s}\) लगभग \(10~\text {MPa}\) देखा गया। दूसरा, नियंत्रण बिंदु पर स्थानीय दबाव के उतार-चढ़ाव में \(500~\text {kHz}\) की आवृत्ति के समान दोलन विशेषताएं हैं। इसका मतलब है कि अल्ट्रासोनिक दबाव तरंगें सतह पर उत्पन्न होती हैं और फिर सब्सट्रेट में फैलती हैं।
पिघलने वाले क्षेत्र के पास विरूपण क्षेत्र की गणना की गई विशेषताओं को चित्र 4 बी में दिखाया गया है। लेजर पृथक्करण और थर्मोइलास्टिक तनाव लोचदार विरूपण तरंगें उत्पन्न करते हैं जो सब्सट्रेट में फैलती हैं। जैसा कि आंकड़े से देखा जा सकता है, तनाव उत्पादन के दो चरण हैं। \(t < 40 ~\upmu \text {s}\) के पहले चरण के दौरान, माइस तनाव सतह के दबाव के समान मॉड्यूलेशन के साथ \(8 ~\text {MPa}\) तक बढ़ जाता है। यह तनाव लेजर पृथक्करण के कारण होता है, और नियंत्रण बिंदुओं में कोई थर्मोइलास्टिक तनाव नहीं देखा गया क्योंकि प्रारंभिक ताप-प्रभावित क्षेत्र बहुत छोटा था। जब सब्सट्रेट में गर्मी फैलती है, तो नियंत्रण बिंदु \(40 ~\text {MPa}\) से ऊपर उच्च थर्मोइलास्टिक तनाव उत्पन्न करता है।
प्राप्त संशोधित तनाव के स्तर का ठोस-तरल इंटरफेस पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और यह ठोसीकरण पथ को नियंत्रित करने वाला नियंत्रण तंत्र हो सकता है। विरूपण क्षेत्र का आकार पिघलने वाले क्षेत्र की तुलना में 2 से 3 गुना बड़ा है। जैसा कि चित्रा 3 में दिखाया गया है, पिघलने वाले आइसोथर्म का स्थान और उपज तनाव के बराबर तनाव स्तर की तुलना की जाती है। इसका मतलब यह है कि स्पंदित लेजर विकिरण तात्कालिक समय के आधार पर 300 और \(800 ~\upmu \text {m}\) के बीच एक प्रभावी व्यास के साथ स्थानीयकृत क्षेत्रों में उच्च यांत्रिक भार प्रदान करता है।
इसलिए, स्पंदित लेजर एनीलिंग का जटिल मॉड्यूलेशन अल्ट्रासोनिक प्रभाव की ओर ले जाता है। अल्ट्रासोनिक लोडिंग के बिना एसएलएम की तुलना में सूक्ष्म संरचना चयन मार्ग अलग है। विकृत अस्थिर क्षेत्र ठोस चरण में संपीड़न और खिंचाव के आवधिक चक्रों की ओर ले जाते हैं। इस प्रकार, नई अनाज सीमाओं और उप-अनाज सीमाओं का गठन संभव हो जाता है। इसलिए, सूक्ष्म संरचनात्मक गुणों को जानबूझकर बदला जा सकता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है। प्राप्त निष्कर्ष एक पल्स मॉड्यूलेशन-प्रेरित अल्ट्रासाउंड-संचालित एसएलएम प्रोटोटाइप को डिजाइन करने की संभावना प्रदान करते हैं। इस मामले में, कहीं और इस्तेमाल किए गए पीजोइलेक्ट्रिक प्रारंभ करनेवाला 26 को बाहर रखा जा सकता है।
(क) समय के एक फलन के रूप में दबाव, सतह से विभिन्न दूरियों 0, 20 और \(40~\upmu \text {m}\) पर समरूपता अक्ष के साथ गणना की जाती है। (ख) नमूना सतह से 70, 120 और \(170~\upmu \text {m}\) दूरी पर एक ठोस मैट्रिक्स में गणना की गई समय-निर्भर वॉन माइस तनाव।
प्रयोगों को AISI 321H स्टेनलेस स्टील प्लेटों पर \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) के आयामों के साथ किया गया था। प्रत्येक लेजर पल्स के बाद, प्लेट \(50~\upmu \text {m}\) चलती है, और लक्ष्य सतह पर लेजर बीम कमर लगभग \(100~\upmu \text {m}\) होती है। अनाज शोधन के लिए संसाधित सामग्री के पुन: पिघलने को प्रेरित करने के लिए उसी ट्रैक के साथ पांच बाद के बीम पास किए जाते हैं। सभी मामलों में, लेजर विकिरण के दोलन घटक के आधार पर, पुन: पिघले हुए क्षेत्र को ध्वनिबद्ध किया गया था। इसके परिणामस्वरूप औसत अनाज क्षेत्र में 5 गुना से अधिक की कमी आई है। चित्र 5 दिखाता है कि लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना बाद के पुन: पिघलने वाले चक्रों (पास) की संख्या के साथ कैसे बदलती है।
सबप्लॉट (a,d,g,j) और (b,e,h,k) – लेजर पिघले हुए क्षेत्रों की सूक्ष्म संरचना, सबप्लॉट (c,f,i,l) – रंगीन अनाजों का क्षेत्र वितरण। छायांकन हिस्टोग्राम की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कणों का प्रतिनिधित्व करता है। रंग अनाज क्षेत्रों के अनुरूप होते हैं (हिस्टोग्राम के शीर्ष पर रंग पट्टी देखें। सबप्लॉट (ac) अनुपचारित स्टेनलेस स्टील के अनुरूप होते हैं, और सबप्लॉट (df), (gi), (jl) 1, 3 और 5 रीमेल्ट के अनुरूप होते हैं।
चूंकि लेजर पल्स ऊर्जा बाद के पासों के बीच नहीं बदलती है, इसलिए पिघले हुए क्षेत्र की गहराई समान होती है। इस प्रकार, बाद का चैनल पिछले वाले को पूरी तरह से "कवर" करता है। हालांकि, हिस्टोग्राम से पता चलता है कि पासों की बढ़ती संख्या के साथ माध्य और माध्यिका अनाज क्षेत्र घटता है। यह संकेत दे सकता है कि लेजर पिघले हुए पदार्थ के बजाय सब्सट्रेट पर कार्य कर रहा है।
पिघले हुए पूल के तेजी से ठंडा होने से अनाज का शोधन हो सकता है65। प्रयोगों का एक और सेट किया गया था जिसमें स्टेनलेस स्टील प्लेटों (321H और 316L) की सतहों को वायुमंडल (चित्र 6) और वैक्यूम (चित्र 7) में निरंतर तरंग लेजर विकिरण के संपर्क में लाया गया था। औसत लेजर शक्ति (क्रमशः 300 W और 100 W) और पिघले हुए पूल की गहराई फ्री-रनिंग मोड में Nd:YAG लेजर के प्रयोगात्मक परिणामों के करीब है। हालाँकि, एक विशिष्ट स्तंभ संरचना देखी गई।
एक सतत तरंग लेजर (300 W स्थिर शक्ति, 200 mm/s स्कैन गति, AISI 321H स्टेनलेस स्टील) के लेजर-पिघले क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना।
(ए) माइक्रोस्ट्रक्चर और (बी) निरंतर तरंग लेजर (100 डब्ल्यू निरंतर शक्ति, 200 मिमी / एस स्कैन गति, एआईएसआई 316 एल स्टेनलेस स्टील) के साथ वैक्यूम में लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटर विवर्तन छवियां (\sim 2 ~\text {mbar}\)।
इसलिए, यह स्पष्ट रूप से दिखाया गया है कि लेजर पल्स तीव्रता के जटिल मॉड्यूलेशन का परिणामी सूक्ष्म संरचना पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। हमारा मानना ​​है कि यह प्रभाव प्रकृति में यांत्रिक है और पिघले हुए पदार्थ की विकिरणित सतह से नमूने में गहराई तक फैलने वाले अल्ट्रासोनिक कंपन की पीढ़ी के कारण होता है। 13, 26, 34, 66, 67 में बाहरी पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर और सोनोट्रोड का उपयोग करके समान परिणाम प्राप्त किए गए थे, जो Ti-6Al-4V मिश्र धातु 26 और स्टेनलेस स्टील 34 सहित विभिन्न सामग्रियों में उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड प्रदान करते हैं। संभावित तंत्र का अनुमान इस प्रकार लगाया गया है। तीव्र अल्ट्रासाउंड ध्वनिक गुहिकायन का कारण बन सकता है, जैसा कि अल्ट्राफास्ट इन सीटू सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे इमेजिंग में प्रदर्शित किया गया है। गुहिकायन बुलबुले के पतन से पिघली हुई सामग्री में शॉक वेव्स उत्पन्न होती हैं, जिसका अग्र दबाव लगभग \(100~\text {MPa}\)69 तक पहुँच जाता है। ऐसी शॉक वेव्स थोक में महत्वपूर्ण आकार के ठोस-चरण नाभिक के गठन को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकती हैं। तरल पदार्थ, परत-दर-परत योजक विनिर्माण की विशिष्ट स्तंभाकार अनाज संरचना को बाधित करते हैं।
यहाँ, हम तीव्र ध्वनिकरण द्वारा संरचनात्मक संशोधन के लिए जिम्मेदार एक अन्य तंत्र का प्रस्ताव करते हैं। जमने के तुरंत बाद, सामग्री पिघलने बिंदु के करीब एक उच्च तापमान पर होती है और इसमें बहुत कम उपज तनाव होता है। तीव्र अल्ट्रासोनिक तरंगें गर्म, बस जमी हुई सामग्री की अनाज संरचना को बदलने के लिए प्लास्टिक प्रवाह का कारण बन सकती हैं। हालाँकि, उपज तनाव की तापमान निर्भरता पर विश्वसनीय प्रयोगात्मक डेटा \(T\lesssim 1150~\text {K}\) पर उपलब्ध हैं (चित्र 8 देखें)। इसलिए, इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, हमने पिघलने बिंदु के पास उपज तनाव व्यवहार का मूल्यांकन करने के लिए AISI 316 L स्टील के समान Fe-Cr-Ni संरचना के आणविक गतिशीलता (MD) सिमुलेशन का प्रदर्शन किया। उपज तनाव की गणना करने के लिए, हमने 70, 71, 72, 73 में विस्तृत MD कतरनी तनाव विश्राम तकनीक का उपयोग किया। 75,76. एम.डी. सिमुलेशन का विवरण अन्यत्र प्रकाशित किया जाएगा। तापमान के एक फलन के रूप में उपज तनाव के एम.डी. गणना परिणाम चित्र 8 में उपलब्ध प्रयोगात्मक डेटा और अन्य मूल्यांकनों77,78,79,80,81,82 के साथ दिखाए गए हैं।
एआईएसआई ग्रेड 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के लिए उपज तनाव और एमडी सिमुलेशन के लिए तापमान बनाम मॉडल संरचना। संदर्भों से प्रायोगिक माप: (ए) 77, (बी) 78, (सी) 79, (डी) 80, (ई) 81. देखें। (एफ) 82 लेजर-सहायता प्राप्त एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के दौरान इन-लाइन तनाव माप के लिए उपज तनाव-तापमान निर्भरता का एक अनुभवजन्य मॉडल है। इस अध्ययन में बड़े पैमाने पर एमडी सिमुलेशन के परिणामों को दोष-मुक्त अनंत एकल क्रिस्टल के लिए \(\vartriangleleft\) और परिमित अनाज के लिए \(\vartriangleright\) के रूप में दर्शाया गया है, जो हॉल-पेच संबंध आयामों के माध्यम से औसत अनाज के आकार को ध्यान में रखते हैं
यह देखा जा सकता है कि \(T>1500~\text {K}\) पर उपज तनाव \(40~\text {MPa}\) से नीचे चला जाता है। दूसरी ओर, अनुमान बताते हैं कि लेजर द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक आयाम \(40~\text {MPa}\) से अधिक है (चित्र 4b देखें), जो कि अभी ठोस हुए गर्म पदार्थ में प्लास्टिक प्रवाह को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है।
एसएलएम के दौरान 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के सूक्ष्म संरचना निर्माण की जांच एक जटिल तीव्रता-मॉड्यूलेटेड स्पंदित लेजर स्रोत का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से की गई।
1, 3 या 5 पास के बाद लगातार लेजर पुनःपिघलने के कारण लेजर पिघलने वाले क्षेत्र में कण के आकार में कमी पाई गई।
मैक्रोस्कोपिक मॉडलिंग से पता चलता है कि उस क्षेत्र का अनुमानित आकार जहां अल्ट्रासोनिक विरूपण ठोसीकरण मोर्चे को सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है, \(1~\text {मिमी}\) तक है।
सूक्ष्म एमडी मॉडल से पता चलता है कि एआईएसआई 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील की उपज शक्ति पिघलने बिंदु के पास \(40 ~ \ text {एमपीए}\) तक काफी कम हो जाती है।
प्राप्त परिणाम जटिल मॉड्युलेटेड लेजर प्रसंस्करण का उपयोग करके सामग्रियों की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने की एक विधि का सुझाव देते हैं और स्पंदित एसएलएम तकनीक के नए संशोधनों के निर्माण के लिए आधार के रूप में काम कर सकते हैं।
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