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विनिर्माण प्रक्रिया में उत्पादों की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने के लिए चयनात्मक लेजर पिघलने पर आधारित एक नई प्रणाली प्रस्तावित की गई है। यह प्रणाली जटिल तीव्रता-संशोधित लेजर विकिरण द्वारा पिघले हुए पूल में उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों के उत्पादन पर निर्भर करती है। प्रायोगिक अध्ययन और संख्यात्मक सिमुलेशन दर्शाते हैं कि यह नियंत्रण प्रणाली तकनीकी रूप से व्यवहार्य है और इसे आधुनिक चयनात्मक लेजर पिघलने वाली मशीनों के डिजाइन में प्रभावी ढंग से एकीकृत किया जा सकता है।
जटिल आकार वाले पुर्जों के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) में हाल के दशकों में काफी वृद्धि हुई है। हालांकि, सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम)1,2,3, डायरेक्ट लेजर मेटल डिपोजिशन4,5,6, इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंग7,8 और अन्य9,10 सहित विभिन्न प्रकार की एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रियाओं के बावजूद, पुर्जों में दोष हो सकते हैं। इसका मुख्य कारण पिघले हुए पूल के जमने की प्रक्रिया की विशिष्ट विशेषताएं हैं, जो उच्च तापीय प्रवणता, उच्च शीतलन दर और पिघलने और पुनः पिघलने वाली सामग्रियों में ताप चक्रों की जटिलता11 से जुड़ी होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप एपिटैक्सियल ग्रेन वृद्धि और महत्वपूर्ण सरंध्रता12,13 होती है। परिणाम बताते हैं कि महीन समअक्षीय ग्रेन संरचना प्राप्त करने के लिए तापीय प्रवणता, शीतलन दर और मिश्र धातु संरचना को नियंत्रित करना या विभिन्न गुणों (जैसे, अल्ट्रासाउंड) के बाहरी क्षेत्रों के माध्यम से अतिरिक्त भौतिक झटके देना आवश्यक है।
अनेक प्रकाशन पारंपरिक ढलाई प्रक्रियाओं में ठोसकरण प्रक्रिया पर कंपन उपचार के प्रभाव से संबंधित हैं14,15। हालाँकि, थोक पिघले हुए पदार्थों पर बाहरी क्षेत्र लगाने से वांछित सामग्री सूक्ष्म संरचना प्राप्त नहीं होती है। यदि तरल अवस्था का आयतन कम 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 सरगर्मी28 और दोलन29, स्पंदित प्लाज्मा चाप30,31 और अन्य विधियों32 के दौरान विद्युतचुंबकीय प्रभावों पर विचार किया गया है। एक बाहरी उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड स्रोत (20 kHz पर) का उपयोग करके सब्सट्रेट से संलग्न करें। अल्ट्रासाउंड-प्रेरित कण शोधन को कम तापमान प्रवणता के कारण बढ़े हुए संरचनात्मक उपशीतलन क्षेत्र और गुहाकरण के माध्यम से नए क्रिस्टलीय उत्पन्न करने के लिए अल्ट्रासाउंड वृद्धि के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है।
इस कार्य में, हमने पिघलने वाले लेज़र द्वारा उत्पन्न ध्वनि तरंगों से पिघले हुए पूल को ध्वनि तरंगों से उपचारित करके ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील की दानेदार संरचना को बदलने की संभावना का अध्ययन किया। प्रकाश-अवशोषित माध्यम पर आपतित लेज़र विकिरण की तीव्रता में परिवर्तन से अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न होती हैं, जो पदार्थ की सूक्ष्म संरचना को बदल देती हैं। लेज़र विकिरण की इस तीव्रता में परिवर्तन को मौजूदा SLM 3D प्रिंटरों में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। इस कार्य में प्रयोग स्टेनलेस स्टील की प्लेटों पर किए गए जिनकी सतहों को तीव्रता-परिवर्तित लेज़र विकिरण के संपर्क में लाया गया था। इस प्रकार, तकनीकी रूप से, लेज़र सतह उपचार किया जाता है। हालांकि, यदि परत-दर-परत निर्माण के दौरान प्रत्येक परत की सतह पर ऐसा लेज़र उपचार किया जाता है, तो संपूर्ण आयतन या आयतन के चयनित भागों पर प्रभाव प्राप्त होता है। दूसरे शब्दों में, यदि भाग को परत-दर-परत बनाया जाता है, तो प्रत्येक परत का लेज़र सतह उपचार "लेज़र आयतन उपचार" के समतुल्य होता है।
जबकि अल्ट्रासोनिक हॉर्न-आधारित अल्ट्रासोनिक थेरेपी में, स्थिर ध्वनि तरंग की अल्ट्रासोनिक ऊर्जा पूरे घटक में वितरित होती है, वहीं लेजर-प्रेरित अल्ट्रासोनिक तीव्रता उस बिंदु के पास अत्यधिक केंद्रित होती है जहां लेजर विकिरण अवशोषित होता है। एसएलएम पाउडर बेड फ्यूजन मशीन में सोनोट्रोड का उपयोग जटिल है क्योंकि लेजर विकिरण के संपर्क में आने वाली पाउडर बेड की ऊपरी सतह स्थिर रहनी चाहिए। इसके अलावा, भाग की ऊपरी सतह पर कोई यांत्रिक तनाव नहीं होता है। इसलिए, ध्वनिक तनाव लगभग शून्य होता है और कण वेग का अधिकतम आयाम भाग की पूरी ऊपरी सतह पर होता है। पूरे पिघले हुए पूल के अंदर ध्वनि दाब वेल्डिंग हेड द्वारा उत्पन्न अधिकतम दाब के 0.1% से अधिक नहीं हो सकता, क्योंकि स्टेनलेस स्टील में 20 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों की तरंगदैर्ध्य लगभग 0.3 मीटर होती है, और गहराई आमतौर पर लगभग 0.3 मिमी से कम होती है। इसलिए, कैविटेशन पर अल्ट्रासाउंड का प्रभाव कम हो सकता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्रत्यक्ष लेजर धातु जमाव में तीव्रता-संशोधित लेजर विकिरण का उपयोग अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है35,36,37,38।
माध्यम पर आपतित लेजर विकिरण का तापीय प्रभाव सामग्री प्रसंस्करण के लिए लगभग सभी लेजर तकनीकों 39, 40 का आधार है, जैसे कि कटिंग41, वेल्डिंग, सख्त करना, ड्रिलिंग42, सतह की सफाई, सतह मिश्रधातुकरण, सतह पॉलिशिंग43, आदि। लेजर के आविष्कार ने सामग्री प्रसंस्करण तकनीकों में नए विकास को प्रेरित किया है, 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 अवशोषक माध्यम पर लेजर क्रिया भी शामिल है, उसमें कमोबेश दक्षता के साथ ध्वनिक तरंगों के उत्तेजन का परिणाम होती है। प्रारंभ में, मुख्य ध्यान तरल पदार्थों में तरंगों के लेजर उत्तेजन और ध्वनि के विभिन्न तापीय उत्तेजन तंत्रों (तापीय विस्तार, वाष्पीकरण, चरण संक्रमण के दौरान आयतन परिवर्तन, संकुचन, आदि) पर था।47, 48, 49 कई मोनोग्राफ50, 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 प्रौद्योगिकी के औद्योगिक अनुप्रयोगों53 और चिकित्सा54 दोनों में हैं। इसलिए, यह माना जा सकता है कि उस प्रक्रिया की मूल अवधारणा स्थापित हो गई है जिसके द्वारा स्पंदित लेजर प्रकाश एक अवशोषक माध्यम पर कार्य करता 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 एडिटिवली निर्मित भागों60 के सतह उपचार के लिए भी किया जाता है। हालाँकि, लेजर शॉक सुदृढ़ीकरण नैनोसेकंड लेजर पल्स और यांत्रिक रूप से लोड की गई सतहों (जैसे, तरल की एक परत के साथ)59 पर सबसे प्रभावी होता है क्योंकि यांत्रिक लोडिंग चरम दबाव को बढ़ाती है।
ठोस पदार्थों की सूक्ष्म संरचना पर विभिन्न भौतिक क्षेत्रों के संभावित प्रभावों की जांच करने के लिए प्रयोग किए गए। प्रायोगिक सेटअप का कार्यात्मक आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है। मुक्त-संचालन मोड में संचालित होने वाले एक स्पंदित Nd:YAG ठोस-अवस्था लेजर (स्पंद अवधि \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) का उपयोग किया गया। प्रत्येक लेजर स्पंद को तटस्थ घनत्व फिल्टर की एक श्रृंखला और एक बीम स्प्लिटर प्लेट प्रणाली से गुजारा जाता है। तटस्थ घनत्व फिल्टर के संयोजन के आधार पर, लक्ष्य पर स्पंद 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 फोटोडायोड में भेजा जाता है, और लक्ष्य पर आपतित और परावर्तित प्रकाश का निर्धारण करने के लिए दो कैलोरीमीटर (1~\text {ms}\) से अधिक लंबे प्रतिक्रिया समय वाले फोटोडायोड) और दो पावर मीटर (कम प्रतिक्रिया समय वाले फोटोडायोड) का उपयोग किया जाता है। आपतित और परावर्तित प्रकाशीय शक्ति निर्धारित करने के लिए समय (<10 ns) का उपयोग किया गया। कैलोरीमीटर और पावर मीटर को थर्मोपाइल डिटेक्टर जेंटेक-ईओ XLP12-3S-H2-D0 और नमूना स्थान पर लगे एक परावैद्युत दर्पण का उपयोग करके पूर्ण इकाइयों में मान देने के लिए कैलिब्रेट किया गया था। लेंस (1.06 μm पर प्रतिपरावर्तन कोटिंग, फोकल लंबाई 160 मिमी) और लक्ष्य सतह पर 60-100 μm की बीम कमर का उपयोग करके बीम को लक्ष्य पर केंद्रित किया गया।
प्रायोगिक सेटअप का कार्यात्मक योजनाबद्ध आरेख: 1—लेजर; 2—लेजर किरण; 3—तटस्थ घनत्व फ़िल्टर; 4—सिंक्रनाइज़्ड फोटोडायोड; 5—किरण विभाजक; 6—डायाफ्राम; 7—आपतित किरण का कैलोरीमीटर; 8—परावर्तित किरण का कैलोरीमीटर; 9—आपतित किरण शक्ति मीटर; 10—परावर्तित किरण शक्ति मीटर; 11—फोकसिंग लेंस; 12—दर्पण; 13—नमूना; 14—ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर; 15—2डी कनवर्टर; 16—पोजिशनिंग माइक्रोकंट्रोलर; 17—सिंक्रनाइज़ेशन इकाई; 18—विभिन्न नमूना दरों के साथ बहु-चैनल डिजिटल अधिग्रहण प्रणाली; 19—पर्सनल कंप्यूटर।
अल्ट्रासोनिक उपचार निम्नलिखित प्रकार से किया जाता है। लेजर मुक्त-संचालन मोड में संचालित होता है; इसलिए लेजर पल्स की अवधि लगभग 150 μs होती है, जिसमें लगभग 1.5 μs की कई अवधियाँ शामिल होती हैं। लेजर पल्स का लौकिक आकार और इसका स्पेक्ट्रम एक निम्न-आवृत्ति लिफाफे और एक उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन से बना होता है, जिसकी औसत आवृत्ति लगभग 0.7 मेगाहर्ट्ज होती है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। आवृत्ति लिफाफा सामग्री के तापन और उसके बाद पिघलने और वाष्पीकरण को प्रदान करता है, जबकि उच्च आवृत्ति घटक फोटोएकॉस्टिक प्रभाव के कारण अल्ट्रासोनिक कंपन प्रदान करता है। लेजर द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक पल्स का तरंगरूप मुख्य रूप से लेजर पल्स तीव्रता के लौकिक आकार द्वारा निर्धारित होता है। यह 7 किलोहर्ट्ज़ से 2 मेगाहर्ट्ज तक है, और केंद्र आवृत्ति लगभग 0.7 मेगाहर्ट्ज है। फोटोएकॉस्टिक प्रभाव के कारण उत्पन्न ध्वनिक स्पंदनों को पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड फिल्मों से बने ब्रॉडबैंड पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। रिकॉर्ड की गई तरंग और उसका स्पेक्ट्रम चित्र 2 में दिखाया गया है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर स्पंदनों का आकार एक फ्री-रनिंग मोड लेजर के समान है।
नमूने की पिछली सतह पर लेजर पल्स की तीव्रता (a) और ध्वनि की गति (b) का लौकिक वितरण, लेजर पल्स (c) और अल्ट्रासोनिक पल्स (d) के स्पेक्ट्रा को 300 लेजर पल्स (लाल वक्र) पर औसत किया गया है, एक लेजर पल्स (नीला वक्र) के लिए।
लेजर पल्स के निम्न-आवृत्ति लिफाफे और उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के अनुरूप ध्वनिक उपचार के निम्न-आवृत्ति और उच्च-आवृत्ति घटकों को हम स्पष्ट रूप से अलग कर सकते हैं। लेजर पल्स लिफाफे द्वारा उत्पन्न ध्वनिक तरंगों की तरंगदैर्ध्य 40 सेमी से अधिक है; इसलिए, सूक्ष्म संरचना पर ध्वनिक संकेत के ब्रॉडबैंड उच्च-आवृत्ति घटकों का मुख्य प्रभाव अपेक्षित है।
एसएलएम में भौतिक प्रक्रियाएं जटिल होती हैं और विभिन्न स्थानिक और लौकिक पैमानों पर एक साथ घटित होती हैं। इसलिए, एसएलएम के सैद्धांतिक विश्लेषण के लिए बहु-स्तरीय विधियाँ सबसे उपयुक्त हैं। गणितीय मॉडल शुरू में बहु-भौतिक होने चाहिए। एक निष्क्रिय गैस वातावरण के साथ परस्पर क्रिया करने वाले बहु-चरण माध्यम "ठोस-तरल पिघल" के यांत्रिकी और ऊष्माभौतिकी का प्रभावी ढंग से वर्णन किया जा सकता है। एसएलएम में पदार्थ के ऊष्मीय भार की विशेषताएँ इस प्रकार हैं।
स्थानीयकृत लेजर विकिरण के कारण तापन और शीतलन दर \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) तक होती है, जिसकी शक्ति घनत्व \(10^{13}~\text {W} cm}^2}^2\) तक होती है।
पिघलने-जमने का चक्र 1 और 10 मिलीसेकंड के बीच रहता है, जो ठंडा होने के दौरान पिघलने वाले क्षेत्र के तेजी से जमने में योगदान देता है।
नमूने की सतह के तीव्र तापन के परिणामस्वरूप सतह परत में उच्च ऊष्मालोचदार तनाव उत्पन्न होता है। पाउडर परत का पर्याप्त (20% तक) भाग तीव्र रूप से वाष्पीकृत हो जाता है63, जिसके परिणामस्वरूप लेजर अपघर्षण के कारण सतह पर अतिरिक्त दबाव पड़ता है। फलस्वरूप, उत्पन्न तनाव भाग की ज्यामिति को काफी हद तक विकृत कर देता है, विशेष रूप से आधारों और पतले संरचनात्मक तत्वों के पास। स्पंदित लेजर एनीलिंग में उच्च तापन दर के कारण अल्ट्रासोनिक तनाव तरंगें उत्पन्न होती हैं जो सतह से सब्सट्रेट तक फैलती हैं। स्थानीय तनाव और तनाव वितरण पर सटीक मात्रात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए, ऊष्मा और द्रव्यमान स्थानांतरण से जुड़े लोचदार विरूपण समस्या का मेसोस्कोपिक अनुकरण किया जाता है।
मॉडल के शासी समीकरणों में शामिल हैं (1) अस्थिर ऊष्मा स्थानांतरण समीकरण जहां तापीय चालकता अवस्था (पाउडर, पिघल, पॉलीक्रिस्टलाइन) और तापमान पर निर्भर करती है, (2) निरंतर अपघर्षण के बाद प्रत्यास्थ विरूपण में उतार-चढ़ाव और ऊष्मालोचदार विस्तार समीकरण। सीमा मान समस्या प्रयोगात्मक स्थितियों द्वारा निर्धारित की जाती है। नमूना सतह पर मॉड्यूलेटेड लेजर फ्लक्स परिभाषित किया गया है। संवहन शीतलन में चालकीय ऊष्मा विनिमय और वाष्पीकरण फ्लक्स शामिल हैं। द्रव्यमान फ्लक्स वाष्पीकरण सामग्री के संतृप्त वाष्प दाब की गणना के आधार पर परिभाषित किया गया है। प्रत्यास्थ तनाव-विकृति संबंध का उपयोग किया जाता है जहां ऊष्मालोचदार तनाव तापमान अंतर के समानुपाती होता है। नाममात्र शक्ति (300 ~\text {W}\), आवृत्ति (10^5 ~\text {Hz}\), आंतरायिक गुणांक 100 और प्रभावी बीम व्यास (200 ~\upmu \text {m}\) के लिए।
चित्र 3 एक स्थूल गणितीय मॉडल का उपयोग करके पिघले हुए क्षेत्र के संख्यात्मक अनुकरण के परिणाम दर्शाता है। संलयन क्षेत्र का व्यास 200 μm (100 μm त्रिज्या) और गहराई 40 μm है। अनुकरण परिणामों से पता चलता है कि पल्स मॉड्यूलेशन के उच्च आंतरायिक कारक के कारण सतह का तापमान समय के साथ स्थानीय रूप से 100 K तक बदलता रहता है। तापन दर (V_h) और शीतलन दर (V_c) क्रमशः 10⁷ और 10⁶ K/s के क्रम की हैं। ये मान हमारे पिछले विश्लेषण64 के साथ अच्छी तरह से मेल खाते हैं। V_h और V_c के बीच परिमाण के क्रम में अंतर के परिणामस्वरूप सतह परत का तेजी से अतिभारण होता है, जहां सब्सट्रेट तक तापीय चालन ऊष्मा को दूर करने के लिए अपर्याप्त होता है। इसलिए, \(t=26~\upmu \text {s}\) सतह का तापमान \(4800~\text {K}\) तक पहुँच जाता है। सामग्री के तीव्र 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 पिघले हुए पूल की गहराई के अधिकतम मान तक पहुँचने का समय 180 μs है। समतापी रेखा (T = T_L = 1723 K) तरल और ठोस अवस्थाओं के बीच की सीमा को दर्शाती है। समदाब रेखाएँ (पीली रेखाएँ) अगले भाग में तापमान के फलन के रूप में परिकलित उपज तनाव को दर्शाती हैं। इसलिए, दो समतापी रेखाओं (T=T_L समतापी रेखाएँ और समदाब रेखाएँ (σ = σ_V(T))) के बीच के क्षेत्र में, ठोस अवस्था पर प्रबल यांत्रिक भार पड़ता है, जिससे सूक्ष्म संरचना में परिवर्तन हो सकते हैं।
इस प्रभाव को चित्र 4a में और स्पष्ट किया गया है, जहाँ पिघले हुए क्षेत्र में दाब स्तर को समय और सतह से दूरी के फलन के रूप में दर्शाया गया है। सर्वप्रथम, दाब व्यवहार ऊपर चित्र 2 में वर्णित लेजर पल्स तीव्रता के मॉड्यूलेशन से संबंधित है। लगभग t=26μ पर लगभग 10 MPa का अधिकतम दाब देखा गया। द्वितीय, नियंत्रण बिंदु पर स्थानीय दाब के उतार-चढ़ाव में 500 kHz की आवृत्ति के समान दोलन विशेषताएँ हैं। इसका अर्थ है कि सतह पर अल्ट्रासोनिक दाब तरंगें उत्पन्न होती हैं और फिर सब्सट्रेट में फैलती हैं।
पिघलने वाले क्षेत्र के निकट विरूपण क्षेत्र की परिकलित विशेषताओं को चित्र 4b में दर्शाया गया है। लेजर अपघर्षण और ऊष्मालोचदार तनाव प्रत्यास्थ विरूपण तरंगें उत्पन्न करते हैं जो सब्सट्रेट में फैलती हैं। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, तनाव उत्पन्न होने के दो चरण हैं। पहले चरण (t < 40 μs) के दौरान, मिसेस तनाव सतही दाब के समान मॉड्यूलेशन के साथ 8 MPa तक बढ़ जाता है। यह तनाव लेजर अपघर्षण के कारण होता है, और नियंत्रण बिंदुओं पर कोई ऊष्मालोचदार तनाव नहीं देखा गया क्योंकि प्रारंभिक ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र बहुत छोटा था। जब सब्सट्रेट में ऊष्मा का अपव्यय होता है, तो नियंत्रण बिंदु 40 MPa से अधिक उच्च ऊष्मालोचदार तनाव उत्पन्न करता है।
प्राप्त संशोधित तनाव स्तर ठोस-तरल इंटरफ़ेस पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं और ठोसकरण पथ को नियंत्रित करने वाला तंत्र हो सकते हैं। विरूपण क्षेत्र का आकार गलनांक क्षेत्र से 2 से 3 गुना बड़ा होता है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, गलनांक समतापी रेखा और उपज तनाव के बराबर तनाव स्तर की तुलना की गई है। इसका अर्थ है कि स्पंदित लेजर विकिरण तात्कालिक समय के आधार पर 300 और 800 μm के बीच प्रभावी व्यास वाले स्थानीय क्षेत्रों में उच्च यांत्रिक भार प्रदान करता है।
इसलिए, स्पंदित लेजर एनीलिंग का जटिल मॉड्यूलेशन अल्ट्रासोनिक प्रभाव उत्पन्न करता है। अल्ट्रासोनिक लोडिंग के बिना एसएलएम की तुलना में सूक्ष्म संरचना चयन प्रक्रिया भिन्न होती है। विकृत अस्थिर क्षेत्र ठोस अवस्था में संपीड़न और खिंचाव के आवधिक चक्रों को जन्म देते हैं। इस प्रकार, नए दानेदार सीमाओं और उप-दानेदार सीमाओं का निर्माण संभव हो जाता है। अतः, सूक्ष्म संरचनात्मक गुणों को जानबूझकर बदला जा सकता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है। प्राप्त निष्कर्ष पल्स मॉड्यूलेशन-प्रेरित अल्ट्रासाउंड-चालित एसएलएम प्रोटोटाइप को डिजाइन करने की संभावना प्रदान करते हैं। इस मामले में, अन्यत्र उपयोग किए जाने वाले पीजोइलेक्ट्रिक इंडक्टर 26 को हटाया जा सकता है।
(a) समरूपता अक्ष के अनुदिश सतह से 0, 20 और 40 μ मीटर की विभिन्न दूरियों पर समय के फलन के रूप में दाब की गणना। (b) नमूने की सतह से 70, 120 और 170 μ मीटर की दूरियों पर ठोस मैट्रिक्स में समय-निर्भर वॉन मिसेस तनाव की गणना।
प्रयोग 20×20×5 मिमी आयाम वाली AISI 321H स्टेनलेस स्टील की प्लेटों पर किए गए। प्रत्येक लेजर पल्स के बाद, प्लेट 50 μm तक गति करती है, और लक्ष्य सतह पर लेजर बीम का व्यास लगभग 100 μm होता है। दाने के आकार को परिष्कृत करने के लिए संसाधित सामग्री को पुनः पिघलाने हेतु एक ही पथ पर पाँच बार तक बीम पास किए गए। सभी मामलों में, लेजर विकिरण के दोलनशील घटक के आधार पर, पुनः पिघले हुए क्षेत्र को ध्वनि तरंगों से उपचारित किया गया। इसके परिणामस्वरूप औसत दाने के क्षेत्रफल में पाँच गुना से अधिक की कमी आई। चित्र 5 दर्शाता है कि लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना, पुनः पिघलने के चक्रों (पास) की संख्या के साथ कैसे बदलती है।
उप-प्लॉट (a,d,g,j) और (b,e,h,k) लेजर पिघले हुए क्षेत्रों की सूक्ष्म संरचना दर्शाते हैं, जबकि उप-प्लॉट (c,f,i,l) रंगीन कणों का क्षेत्रफल वितरण दर्शाते हैं। छायांकन उन कणों को दर्शाता है जिनका उपयोग हिस्टोग्राम की गणना के लिए किया गया है। रंग कण क्षेत्रों के अनुरूप हैं (हिस्टोग्राम के शीर्ष पर रंग पट्टी देखें)। उप-प्लॉट (ac) अनुपचारित स्टेनलेस स्टील को दर्शाते हैं, और उप-प्लॉट (df), (gi), (jl) क्रमशः 1, 3 और 5 बार पिघले हुए स्टेनलेस स्टील को दर्शाते हैं।
चूंकि लेजर पल्स की ऊर्जा लगातार पास होने पर नहीं बदलती, इसलिए पिघले हुए क्षेत्र की गहराई समान रहती है। इस प्रकार, अगला चैनल पिछले चैनल को पूरी तरह से "ढक" लेता है। हालांकि, हिस्टोग्राम दर्शाता है कि पास की संख्या बढ़ने के साथ औसत और माध्यिका कण क्षेत्र घटता है। इससे यह संकेत मिल सकता है कि लेजर पिघले हुए पदार्थ के बजाय सब्सट्रेट पर कार्य कर रहा है।
कणों का परिष्करण पिघले हुए पूल के तीव्र शीतलन के कारण हो सकता है।65 प्रयोगों का एक और सेट किया गया जिसमें स्टेनलेस स्टील प्लेटों (321H और 316L) की सतहों को वायुमंडल (चित्र 6) और निर्वात (चित्र 7) में निरंतर तरंग लेजर विकिरण के संपर्क में लाया गया। औसत लेजर शक्ति (क्रमशः 300 W और 100 W) और पिघले हुए पूल की गहराई मुक्त-संचालन मोड में Nd:YAG लेजर के प्रायोगिक परिणामों के करीब हैं। हालाँकि, एक विशिष्ट स्तंभनुमा संरचना देखी गई।
सतत तरंग लेजर (300 वॉट स्थिर शक्ति, 200 मिमी/सेकंड स्कैन गति, एआईएसआई 321एच स्टेनलेस स्टील) के लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना।
(a) सूक्ष्म संरचना और (b) निरंतर तरंग लेजर (100 W स्थिर शक्ति, 200 mm/s स्कैन गति, AISI 316L स्टेनलेस स्टील) के साथ निर्वात में लेजर-पिघले हुए क्षेत्र की इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटर विवर्तन छवियां (~ 2 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 यांत्रिक प्रकृति का है और पिघले हुए पदार्थ की विकिरणित सतह से नमूने के भीतर गहराई तक फैलने वाले अल्ट्रासोनिक कंपन के उत्पादन के कारण होता है। इसी तरह के परिणाम 13, 26, 34, 66, 67 में बाहरी पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर और सोनोट्रोड का उपयोग करके विभिन्न सामग्रियों में उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड प्रदान करने पर प्राप्त किए गए थे, जिनमें Ti-6Al-4V मिश्र धातु 26 और स्टेनलेस स्टील 34 शामिल हैं। संभावित तंत्र का अनुमान इस प्रकार लगाया गया है। तीव्र अल्ट्रासाउंड ध्वनिक कैविटेशन का कारण बन सकता है, जैसा कि अल्ट्राफास्ट इन सीटू सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे इमेजिंग में प्रदर्शित किया गया है। कैविटेशन बुलबुले के पतन से पिघले हुए पदार्थ में शॉक तरंगें उत्पन्न होती हैं, जिनका अग्र दबाव लगभग 100 MPa तक पहुँच जाता है। 69 ऐसी शॉक तरंगें थोक तरल पदार्थों में महत्वपूर्ण आकार के ठोस-चरण नाभिक के निर्माण को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकती हैं। परत-दर-परत योगात्मक विनिर्माण की विशिष्ट स्तंभनुमा दानेदार संरचना को बाधित करना।
यहां, हम तीव्र ध्वनि तरंगों द्वारा संरचनात्मक संशोधन के लिए जिम्मेदार एक अन्य तंत्र का प्रस्ताव करते हैं। जमने के तुरंत बाद, पदार्थ गलनांक के निकट उच्च तापमान पर होता है और इसमें अत्यंत कम उपज तनाव होता है। तीव्र अल्ट्रासोनिक तरंगें गर्म, अभी-अभी जमे हुए पदार्थ की कण संरचना को बदलने के लिए प्लास्टिक प्रवाह का कारण बन सकती हैं। हालांकि, उपज तनाव की तापमान निर्भरता पर विश्वसनीय प्रायोगिक डेटा \(T\lesssim 1150~\text {K}\) पर उपलब्ध है (चित्र 8 देखें)। इसलिए, इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, हमने गलनांक के निकट उपज तनाव व्यवहार का मूल्यांकन करने के लिए AISI 316 L स्टील के समान Fe-Cr-Ni संरचना के आणविक गतिशीलता (MD) सिमुलेशन किए। उपज तनाव की गणना के लिए, हमने 70, 71, 72, 73 में विस्तृत MD अपरूपण तनाव विश्राम तकनीक का उपयोग किया। अंतर-परमाणु अंतःक्रिया गणनाओं के लिए, हमने 74 से एम्बेडेड एटॉमिक मॉडल (EAM) का उपयोग किया। MD सिमुलेशन LAMMPS कोड 75, 76 का उपयोग करके किए गए। एमडी सिमुलेशन कहीं और प्रकाशित किए जाएंगे। तापमान के फलन के रूप में उपज तनाव के एमडी 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 के मुकाबले मॉडल संरचना। संदर्भों से प्रायोगिक माप: (ए) 77, (बी) 78, (सी) 79, (डी) 80, (ई) 81। (एफ) 82 लेजर-सहायता प्राप्त एडिटिव विनिर्माण 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 हॉल-पेच संबंध के माध्यम से औसत कण आकार को ध्यान में रखते हुए परिमित कणों के लिए \(\vartriangleright\) के रूप में दर्शाया गया है। आयाम\(d = 50~\upmu \text {m}\)।
यह देखा जा सकता है कि \(T>1500~\text {K}\) पर यील्ड स्ट्रेस \(40~\text {MPa}\) से नीचे गिर जाता है। दूसरी ओर, अनुमान बताते हैं कि लेजर द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक आयाम \(40~\text {MPa}\) से अधिक है (चित्र 4b देखें), जो अभी-अभी ठोस हुए गर्म पदार्थ में प्लास्टिक प्रवाह उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है।
एसएलएम प्रक्रिया के दौरान 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के सूक्ष्म संरचना निर्माण की प्रायोगिक जांच एक जटिल तीव्रता-संशोधित स्पंदित लेजर स्रोत का उपयोग करके की गई।
लेजर पिघलने वाले क्षेत्र में कणों के आकार में कमी 1, 3 या 5 पास के बाद निरंतर लेजर रीमेल्टिंग के कारण पाई गई।
मैक्रोस्कोपिक मॉडलिंग से पता चलता है कि उस क्षेत्र का अनुमानित आकार जहां अल्ट्रासोनिक विरूपण ठोसकरण मोर्चे को सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है, \(1~\text {mm}\) तक है।
सूक्ष्म एमडी मॉडल दर्शाता है कि एआईएसआई 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील की उपज शक्ति गलनांक के निकट काफी कम होकर (40~\text {एमपीए}\) हो जाती है।
प्राप्त परिणाम जटिल मॉड्यूलेटेड 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 को बनाने के लिए आधार के रूप में काम कर सकते हैं।
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