Köszönjük, hogy felkereste a Nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozottan támogatja a CSS-t. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon egy frissített böngészőt (vagy kapcsolja ki a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Időközben a folyamatos támogatás biztosítása érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egy új, szelektív lézeres olvasztáson alapuló mechanizmust javasolnak a termékek mikroszerkezetének szabályozására a gyártási folyamat során. A mechanizmus nagy intenzitású ultrahangos hullámok előállításán alapul az olvadékmedencében komplex intenzitásmodulált lézerbesugárzással. Kísérleti vizsgálatok és numerikus szimulációk azt mutatják, hogy ez a szabályozási mechanizmus technikailag megvalósítható, és hatékonyan integrálható a modern szelektív lézeres olvasztógépek tervezésébe.
Az összetett alakú alkatrészek additív gyártása (AM) az elmúlt évtizedekben jelentősen megnőtt. Az additív gyártási eljárások sokfélesége ellenére, beleértve a szelektív lézeres olvasztást (SLM)1,2,3, a közvetlen lézeres fémleválasztást4,5,6, az elektronsugaras olvasztás7,8 és másokat9,10, az alkatrészek hibásak lehetnek. Ez főként az olvadékfürdő megszilárdulási folyamatának sajátos jellemzőinek köszönhető, amelyek a magas hőgradiensekkel, a magas hűtési sebességekkel és az anyag olvasztása és újraolvasztása során alkalmazott fűtési ciklusok összetettségével járnak 11, amelyek epitaxiális szemcsenövekedéshez és jelentős porozitáshoz vezetnek. 12,13 kimutatta, hogy a finom, egyenlő tengelyű szemcseszerkezetek eléréséhez szükség van a hőgradiensek, a hűtési sebességek és az ötvözet összetételének szabályozására, vagy további fizikai sokkok alkalmazására különböző tulajdonságokkal rendelkező külső mezőkkel, például ultrahanggal.
Számos publikáció foglalkozik a vibrációs kezelés hatásával a hagyományos öntési eljárások szilárdulási folyamatára14,15. Azonban egy külső tér alkalmazása egy ömledékes olvadékra nem hozza létre a kívánt anyagmikrostruktúrát. Ha a folyékony fázis térfogata kicsi, a helyzet drámaian megváltozik. Ebben az esetben a külső tér jelentősen befolyásolja a szilárdulási folyamatot. Figyelembe vették az intenzív hangmezőket16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, az ívkeverést28 és oszcillációt29, az elektromágneses hatásokat az impulzusos plazmaívek során30,31 és más módszereket32. Rögzítse az aljzathoz egy külső nagy intenzitású ultrahangforrással (20 kHz-en). Az ultrahang által kiváltott szemcsefinomodást a csökkent hőmérsékleti gradiens és az ultrahangos erősítés okozta megnövekedett konstitutív túlhűtési zóna okozza, amely kavitáció révén új kristályokat hoz létre.
Ebben a munkában azt vizsgáltuk, hogy miként lehet megváltoztatni az ausztenites rozsdamentes acélok szemcseszerkezetét az olvadékfürdőnek az olvasztólézer által generált hanghullámokkal történő ultrahangos kezelésével. A fényelnyelő közegre eső lézersugárzás intenzitásmodulációja ultrahangos hullámok keletkezését eredményezi, amelyek megváltoztatják az anyag mikroszerkezetét. A lézersugárzás ezen intenzitásmodulációja könnyen integrálható a meglévő SLM 3D nyomtatókba. A kísérleteket rozsdamentes acéllemezeken végezték, amelyek felületét intenzitásmodulált lézersugárzásnak tették ki. Tehát technikailag lézeres felületkezelést végeznek. Ha azonban ilyen lézerkezelést végeznek az egyes rétegek felületén, a rétegenkénti felépítés során, akkor a teljes térfogatra vagy a térfogat kiválasztott részeire gyakorolt ​​hatások érhetők el. Más szóval, ha az alkatrészt rétegenként építik fel, akkor az egyes rétegek lézeres felületkezelése egyenértékű a „lézeres térfogatkezeléssel”.
Míg az ultrahangos kürt alapú ultrahangos terápiában az állóhanghullám ultrahangos energiája eloszlik az egész alkatrészben, míg a lézer által indukált ultrahangos intenzitás erősen koncentrálódik a lézersugárzás elnyelődési pontjának közelében. A szonotróda használata SLM porágyas hegesztőgépben bonyolult, mivel a lézersugárzásnak kitett porágy felső felületének mozdulatlannak kell maradnia. Ezenkívül nincs mechanikai feszültség az alkatrész felső felületén. Ezért az akusztikus feszültség közel nulla, és a részecskesebesség maximális amplitúdóval rendelkezik az alkatrész teljes felső felületén. A teljes olvadékmedencében a hangnyomás nem haladhatja meg a hegesztőfej által generált maximális nyomás 0,1%-át, mivel a 20 kHz frekvenciájú ultrahangos hullámok hullámhossza rozsdamentes acélban \(\sim 0,3~\text {m}\), és a mélység általában kisebb, mint \(\sim 0,3~\text {mm}\). Ezért az ultrahang kavitációra gyakorolt ​​hatása csekély lehet.
Meg kell jegyezni, hogy az intenzitásmodulált lézersugárzás alkalmazása a közvetlen lézeres fémleválasztásban aktív kutatási terület35,36,37,38.
A közegre beeső lézersugárzás termikus hatásai képezik az alapját szinte az összes anyagmegmunkáló lézertechnika 39, 40, mint például a vágás 41, hegesztés, edzés, fúrás 42, felülettisztítás, felületötvözés, felületpolírozás 43 stb. anyagmegmunkálási technológiának, és az előzetes eredményeket számos áttekintésben és monográfiában foglalták össze 44, 45, 46.
Meg kell jegyezni, hogy a közegre ható bármilyen nem stacionárius hatás, beleértve az abszorbeáló közegre ható lézerhatást is, többé-kevésbé hatékonyan akusztikus hullámok gerjesztését eredményezi benne. Kezdetben a fő hangsúly a folyadékokban lévő hullámok lézeres gerjesztésére és a hang különböző termikus gerjesztési mechanizmusaira (hőtágulás, párolgás, térfogatváltozás fázisátmenet során, összehúzódás stb.) irányult. Számos monográfia50, 51, 52 elméleti elemzéseket tartalmaz erről a folyamatról és lehetséges gyakorlati alkalmazásairól.
Ezeket a kérdéseket később különböző konferenciákon vitatták meg, és az ultrahang lézeres gerjesztésének mind az ipari lézertechnológiában53, mind az orvostudományban54 van alkalmazása. Ezért úgy tekinthető, hogy az impulzusos lézerfénynek az abszorbeáló közegre gyakorolt ​​hatásának folyamatának alapkoncepciója megalapozott. A lézeres ultrahangos vizsgálatot SLM-mel gyártott minták hibáinak észlelésére használják55,56.
A lézerrel generált lökéshullámok anyagokra gyakorolt ​​hatása képezi a lézeres lökéserősítés57,58,59 alapját, amelyet additív gyártású alkatrészek felületkezelésére is használnak60. A lézeres lökéserősítés azonban a nanoszekundumos lézerimpulzusokon és mechanikusan terhelt felületeken (pl. folyadékréteggel)59 a leghatékonyabb, mivel a mechanikai terhelés növeli a csúcsnyomást.
Kísérleteket végeztek a különböző fizikai mezők megszilárdult anyagok mikroszerkezetére gyakorolt ​​lehetséges hatásainak vizsgálatára. A kísérleti beállítás működési diagramja az 1. ábrán látható. Egy szabadon futó üzemmódban működő impulzusüzemű Nd:YAG szilárdtest lézert használtak (impulzus időtartama \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Minden lézerimpulzus semleges sűrűségű szűrők sorozatán és egy nyalábosztó lemezrendszeren halad át. A semleges sűrűségű szűrők kombinációjától függően a céltárgyra jutó impulzusenergia \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) és \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) között változik. A nyalábosztóról visszaverődő lézernyalábot egy fotodiódára vezetik az egyidejű adatgyűjtéshez, és két kalorimétert (\(1~\text {ms}\)-ot meghaladó hosszú válaszidejű fotodiódák) használnak a céltárgyra beeső és arról visszavert sugárzás meghatározására, valamint két teljesítménymérőt (rövid válaszidejű fotodiódák) szor\(<10~\text {ns}\)) a beeső és visszavert optikai teljesítmény meghatározásához. A kalorimétereket és a teljesítménymérőket abszolút egységekben megadott értékekre kalibráltuk egy Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 termoelemes detektor és a mintavételi helyére szerelt dielektromos tükör segítségével. A nyalábot egy lencse (1,06 \upmu \text {m}\, 160~\text {mm}\)) és a célfelületen 60– \upmu\text {m}\ segítségével fókuszáltuk a célpontra.
A kísérleti elrendezés funkcionális vázlata: 1 – lézer; 2 – lézersugár; 3 – semleges sűrűségű szűrő; 4 – szinkronizált fotodióda; 5 – nyalábosztó; 6 – diafragma; 7 – beeső nyaláb kalorimétere; 8 – visszavert nyaláb kalorimétere; 9 – beeső nyaláb teljesítménymérője; 10 – visszavert nyaláb teljesítménymérője; 11 – fókuszáló lencse; 12 – tükör; 13 – minta; 14 – szélessávú piezoelektromos átalakító; 15 – 2D átalakító; 16 – pozicionáló mikrovezérlő; 17 – szinkronizáló egység; 18 – többcsatornás digitális adatgyűjtő rendszer különböző mintavételi frekvenciákkal; 19 – személyi számítógép.
Az ultrahangos kezelést a következőképpen végezzük. A lézer szabadonfutó üzemmódban működik; ezért a lézerimpulzus időtartama \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), amely több, egyenként körülbelül \(1,5~\upmu \text {s} \) időtartamból áll. A lézerimpulzus időbeli alakja és spektruma egy alacsony frekvenciájú burkológörbéből és egy nagyfrekvenciás modulációból áll, amelynek átlagos frekvenciája körülbelül \(0,7~\text {MHz}\), ahogy a 2. ábra mutatja. - A frekvenciaburkológörbe biztosítja az anyag melegítését, majd az azt követő olvadását és elpárolgását, míg a nagyfrekvenciás komponens az ultrahangos rezgéseket biztosítja a fotoakusztikus hatás miatt. A lézer által generált ultrahangos impulzus hullámformáját főként a lézerimpulzus intenzitásának időbeli alakja határozza meg. \(7~\text {kHz}\) és \(2~\text {MHz}\) között van, a középfrekvencia pedig \(~~\text {MHz}\). A fotoakusztikus hatás miatti akusztikus impulzusokat polivinilidén-fluorid filmekből készült szélessávú piezoelektromos átalakítókkal rögzítették. A rögzített hullámformát és spektrumát a 2. ábra mutatja. Meg kell jegyezni, hogy a lézerimpulzusok alakja tipikus a szabadonfutó lézerekre.
A lézerimpulzus intenzitásának (a) és a hangsebességnek (b) időbeli eloszlása ​​a minta hátsó felületén, egyetlen lézerimpulzus (c) és egy ultrahangimpulzus (d) spektrumai (kék görbe) 300 lézerimpulzus átlagában (piros görbe).
Az akusztikus kezelés alacsony és nagyfrekvenciás komponensei egyértelműen megkülönböztethetők, amelyek rendre a lézerimpulzus alacsony frekvenciájú burkológörbéjének, illetve a nagyfrekvenciás modulációnak felelnek meg. A lézerimpulzus burkológörbéje által generált akusztikus hullámok hullámhossza meghaladja a \(40~\text {cm}\) értéket; ezért várható, hogy az akusztikus jel szélessávú nagyfrekvenciás komponenseinek fő hatása lesz a mikrostruktúrára.
Az SLM fizikai folyamatai összetettek és egyidejűleg, különböző térbeli és időbeli skálákon mennek végbe. Ezért a többléptékű módszerek a legalkalmasabbak az SLM elméleti elemzésére. A matematikai modelleknek kezdetben több fizikai modellnek kell lenniük. Egy többfázisú közeg, a „szilárd-folyékony olvadék” mechanikája és termofizikája, amely inert gázatmoszférával kölcsönhatásba lép, ezután hatékonyan leírható. Az anyagok hőterheléseinek jellemzői az SLM-ben a következők.
Akár \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) teljesítménysűrűségű lokalizált lézersugárzásnak köszönhetően akár \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) fűtési és hűtési sebesség is elérhető.
Az olvadási-szilárdulási ciklus 1 és \(10~\text {ms}\) között tart, ami hozzájárul az olvadási zóna gyors megszilárdulásához a hűtés során.
A minta felületének gyors melegítése nagy termoelasztikus feszültségek kialakulását eredményezi a felületi rétegben. A porréteg elegendő (akár 20%-a) erősen elpárolog,63 ami a lézeres abláció hatására további nyomásterhelést okoz a felületen. Következésképpen az indukált feszültség jelentősen torzítja az alkatrész geometriáját, különösen a tartók és a vékony szerkezeti elemek közelében. Az impulzuslézeres hőkezelés során a magas melegítési sebesség ultrahangos feszültséghullámok keletkezését eredményezi, amelyek a felületről az aljzatra terjednek. A lokális feszültség- és feszültségeloszlás pontos kvantitatív adatainak megszerzése érdekében a rugalmas deformációs probléma hő- és tömegátadással konjugált mezoszkópos szimulációját végezték el.
A modell irányító egyenletei a következők: (1) instacionárius hőátadási egyenletek, ahol a hővezető képesség a fázisállapottól (por, olvadék, polikristályos) és a hőmérséklettől függ, (2) a rugalmas alakváltozás ingadozása a folytonos abláció után, valamint a termoelasztikus tágulási egyenlet. A határérték-problémát a kísérleti körülmények határozzák meg. A modulált lézerfluxust a minta felületén határozzák meg. A konvektív hűtés magában foglalja a konduktív hőcserét és a párolgási fluxust. A tömegfluxust a párolgó anyag telített gőznyomásának kiszámítása alapján határozzák meg. Az elasztoplasztikus feszültség-nyúlás összefüggést alkalmazzák, ahol a termoelasztikus feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel. A névleges teljesítmény (300~\text {W}\), a frekvencia (10^5~\text {Hz}\), a szakaszos együttható (100) és a tényleges nyalábátmérő (200~\upmu \text {m}\) esetében.
A 3. ábra az olvadékzóna numerikus szimulációjának eredményeit mutatja makroszkopikus matematikai modell segítségével. Az fúziós zóna átmérője \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) sugár) és \(40~\upmu \text {m}\) mélység. A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a felületi hőmérséklet lokálisan idővel \(100~\text {K}\) szerint változik az impulzusmoduláció magas intermittációs tényezője miatt. A melegítési \(V_h\) és a hűtési \(V_c\) sebesség \(10^7\) és \(10^6~\text {K}\/\text {s}\) nagyságrendű. Ezek az értékek jól egyeznek a korábbi elemzésünkkel64. A \(V_h\) és \(V_c\) közötti nagyságrendi különbség a felületi réteg gyors túlmelegedését eredményezi, ahol a hordozóhoz vezető hővezetés nem elegendő a hő eltávolításához. Ezért \(t=26~\upmu \text) értéken {s}\) a felületi hőmérséklet akár 4800 K-t is elérhet. Az anyag erőteljes párolgása miatt a minta felülete túlzott nyomásnak lehet kitéve, és leválhat.
Numerikus szimulációs eredmények az olvadási zónáról egy lézerimpulzusos hőkezelés során 316L mintalapon. Az impulzus kezdetétől az olvadékmedence maximális mélységének eléréséig eltelt idő \(180~\upmu\text {s}\). Az izoterma \(T = T_L = 1723~\text {K}\) a folyékony és szilárd fázisok közötti határt jelöli. Az izobárok (sárga vonalak) a következő szakaszban a hőmérséklet függvényében számított folyáshatárnak felelnek meg. Ezért a két izovonal (izotermák \(T=T_L\) és izobárok \(\sigma =\sigma _V(T)\)) közötti tartományban a szilárd fázis erős mechanikai terhelésnek van kitéve, ami a mikroszerkezet változásához vezethet.
Ezt a hatást a 4a. ábra részletesebben ismerteti, ahol az olvadékzónában uralkodó nyomásszintet az idő és a felülettől való távolság függvényében ábrázoljuk. Először is, a nyomás viselkedése a fenti 2. ábrán leírt lézerimpulzus intenzitásának modulációjához kapcsolódik. Körülbelül 10~MPa maximális nyomást figyeltek meg t=26~upmu értéken. Másodszor, a helyi nyomás ingadozása a vezérlőpontban ugyanolyan oszcillációs karakterisztikával rendelkezik, mint az 500~kHz frekvencia. Ez azt jelenti, hogy ultrahangos nyomáshullámok keletkeznek a felületen, majd terjednek a hordozóba.
Az olvadási zóna közelében lévő deformációs zóna számított jellemzőit a 4b. ábra mutatja. A lézeres abláció és a termoelasztikus feszültség rugalmas deformációs hullámokat generál, amelyek a hordozóba terjednek. Amint az ábrán látható, a feszültségképződésnek két szakasza van. Az első, \(t < 40~\upmu \text {s}\) fázisban a Mises-feszültség \(8~\text {MPa}\)-ra emelkedik, a felületi nyomáshoz hasonló modulációval. Ez a feszültség a lézeres abláció miatt keletkezik, és a kontrollpontokban nem figyeltek meg termoelasztikus feszültséget, mivel a kezdeti hőhatásövezet túl kicsi volt. Amikor a hő eloszlik a hordozóban, a kontrollpont \(40~\text {MPa}\) feletti nagy termoelasztikus feszültséget generál.
A kapott modulált feszültségszintek jelentős hatással vannak a szilárd-folyadék határfelületre, és a megszilárdulási útvonalat szabályozó mechanizmusként szolgálhatnak. A deformációs zóna mérete 2-3-szor nagyobb, mint az olvadási zóna mérete. Amint a 3. ábrán látható, az olvadási izoterma helyét és a folyáshatárral megegyező feszültségszintet hasonlítják össze. Ez azt jelenti, hogy az impulzusos lézersugárzás nagy mechanikai terheléseket biztosít lokalizált területeken, amelyek effektív átmérője a pillanatnyi időtől függően 300 és 800~m között van.
Ezért az impulzuslézeres hőkezelés komplex modulációja ultrahangos hatást eredményez. A mikroszerkezet-kiválasztási útvonal eltér az ultrahangos terhelés nélküli SLM-hez képest. A deformált instabil régiók periodikus összenyomódási és nyújtási ciklusokhoz vezetnek a szilárd fázisban. Így új szemcsehatárok és szubszemcsehatárok kialakulása válik lehetővé. Ezért a mikroszerkezeti tulajdonságok szándékosan megváltoztathatók, amint az alább látható. A kapott következtetések lehetővé teszik egy impulzusmodulációval indukált ultrahanggal vezérelt SLM prototípus tervezését. Ebben az esetben a máshol használt 26-os piezoelektromos induktor kizárható.
(a) Nyomás az idő függvényében, a felülettől különböző távolságokban, 0, 20 és \(40~\upmu \text {m}\) a szimmetriatengely mentén számítva. (b) Időfüggő Von Mises-feszültség, szilárd mátrixban számítva a minta felületétől 70, 120 és \(170~\upmu \text {m}\) távolságokban.
A kísérleteket AISI 321H rozsdamentes acéllemezeken végezték, amelyek méretei \(20\x 20\x 5~\text {mm}\) voltak. Minden lézerimpulzus után a lemez \(50~\upmu \text {m}\) elmozdul, és a lézersugár dereka a célfelületen körülbelül \(100~\upmu \text {m}\). Legfeljebb öt egymást követő sugáráthaladást végeztek ugyanazon a pályán, hogy a feldolgozott anyag újraolvasztását idézzék elő a szemcsefinomítás érdekében. Minden esetben az újraolvasztott zónát ultrahanggal kezelték, a lézersugárzás oszcilláló komponensétől függően. Ez az átlagos szemcsefelület több mint ötszörös csökkenését eredményezi. Az 5. ábra azt mutatja, hogyan változik a lézerrel olvasztott régió mikroszerkezete a következő újraolvasztási ciklusok (áthaladások) számával.
Az (a, d, g, j) és (b, e, h, k) részdiagramok – a lézerrel olvasztott régiók mikroszerkezete, a (c, f, i, l) részdiagramok – a színes szemcsék területi eloszlása. Az árnyékolás a hisztogram kiszámításához használt részecskéket jelöli. A színek a szemcserégióknak felelnek meg (lásd a hisztogram tetején található színsávot). Az (ac) részdiagramok a kezeletlen rozsdamentes acélnak, a (df), (gi), (jl) részdiagramok pedig az 1., 3. és 5. újraolvasztásnak felelnek meg.
Mivel a lézerimpulzus energiája nem változik az egymást követő áthaladások között, az olvadékzóna mélysége azonos. Így a következő csatorna teljesen „lefedi” az előzőt. A hisztogram azonban azt mutatja, hogy az átlagos és medián szemcsefelület csökken az áthaladások számának növekedésével. Ez arra utalhat, hogy a lézer az aljzatra, és nem az olvadékra hat.
A szemcsefinomodást az olvadékfürdő gyors lehűlése okozhatja65. Egy másik kísérletsorozatot végeztek, amelyben rozsdamentes acéllemezek (321H és 316L) felületeit folyamatos hullámú lézersugárzásnak tették ki atmoszférában (6. ábra) és vákuumban (7. ábra). Az átlagos lézerteljesítmény (300 W, illetve 100 W) és az olvadékfürdő mélysége közel van a szabadon futó módban használt Nd:YAG lézer kísérleti eredményeihez. Azonban egy tipikus oszlopos szerkezetet figyeltek meg.
Folyamatos hullámú lézer lézerrel olvasztott régiójának mikroszerkezete (300 W állandó teljesítmény, 200 mm/s pásztázási sebesség, AISI 321H rozsdamentes acél).
(a) Vákuum folytonos hullámú lézer (állandó teljesítmény 100 W, pásztázási sebesség 200 mm/s, AISI 316L rozsdamentes acél) lézerolvasztásos zónájának mikroszerkezete és (b) elektronvisszaszórási diffrakciós képe (\sim 2~\text {mbar }\).
Ezért egyértelműen kitűnik, hogy a lézerimpulzus intenzitásának komplex modulációja jelentős hatással van a keletkező mikrostruktúrára. Úgy véljük, hogy ez a hatás mechanikai jellegű, és az olvadék besugárzott felületéről a mintába mélyen terjedő ultrahangos rezgések keletkezése miatt következik be. Hasonló eredményeket kaptunk a 13, 26, 34, 66, 67-es referenciaszámú ...
Itt egy másik mechanizmust javaslunk, amely intenzív ultrahangos kezeléssel felelős a szerkezeti módosításért. Az anyag közvetlenül a megszilárdulás után magas hőmérsékleten van, közel az olvadásponthoz, és rendkívül alacsony folyáshatárral rendelkezik. Az intenzív ultrahangos hullámok a képlékeny folyást okozhatják, ami megváltoztatja az éppen megszilárdult forró anyag szemcseszerkezetét. A folyáshatár hőmérsékletfüggésére vonatkozó megbízható kísérleti adatok azonban elérhetők a \(T\lesssim 1150~\text {K}\) címen (lásd a 8. ábrát). Ezért a hipotézis teszteléséhez molekuláris dinamikai (MD) szimulációkat végeztünk egy Fe-Cr-Ni összetételű anyagon, amely hasonló az AISI 316 L acélhoz, hogy kiértékeljük a folyáshatár viselkedését az olvadáspont közelében. A folyáshatár kiszámításához a 70, 71, 72, 73-ban részletezett MD nyírófeszültség-relaxációs technikát alkalmaztuk. Az interatomikus kölcsönhatások számításaihoz a 74-ből származó beágyazott atommodellt (EAM) használtuk. Az MD szimulációkat LAMMPS kódokkal végeztük 75,76. Az MD szimuláció részleteit máshol publikáljuk. A folyáshatár MD számítási eredményei a hőmérséklet függvényében a következők: a 8. ábrán látható, a rendelkezésre álló kísérleti adatokkal és egyéb értékelésekkel együtt77,78,79,80,81,82.
Folyáshatár AISI 316 minőségű ausztenites rozsdamentes acélhoz és modellösszetétel a hőmérséklet függvényében MD szimulációkhoz. Kísérleti mérések a következő hivatkozásokból: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Lásd: (f)82 egy empirikus modell a folyáshatár-hőmérséklet függésről lézerrel segített additív gyártás során történő feszültségméréshez. A nagyméretű MD szimulációs eredményeket ebben a tanulmányban \(\vartriangleleft\) jelöléssel láttuk el hibamentes végtelen egykristályok és \(\vartriangleright\) jelöléssel véges szemcsék esetén, figyelembe véve az átlagos szemcseméretet a Hall-Petch összefüggésen keresztül. Méretek\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Látható, hogy \(T>1500~\text {K}\) hőmérsékleten a folyáshatár \(40~\text {MPa}\) alá csökken. Másrészt a becslések azt jósolják, hogy a lézer által generált ultrahangos amplitúdó meghaladja a \(40~\text {MPa}\) értéket (lásd a 4b. ábrát), ami elegendő ahhoz, hogy képlékeny folyást indítson el az éppen megszilárdult forró anyagban.
A 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ausztenites rozsdamentes acél mikroszerkezet-képződését SLM során kísérletileg vizsgálták egy komplex intenzitásmodulált impulzuslézerforrás segítségével.
A lézeres olvasztási zónában szemcseméret-csökkenést figyeltek meg a folyamatos lézeres újraolvasztás miatt 1, 3 vagy 5 áthaladás után.
A makroszkopikus modellezés azt mutatja, hogy az ultrahangos deformációnak a megszilárdulási frontra pozitívan ható régiójának becsült mérete legfeljebb \(1~\text {mm}\) lehet.
A mikroszkopikus MD modell azt mutatja, hogy az AISI 316 ausztenites rozsdamentes acél folyáshatára jelentősen csökken, közel 40 MPa-ra az olvadásponthoz.
A kapott eredmények egy olyan módszert javasolnak, amely lehetővé teszi az anyagok mikroszerkezetének szabályozását komplex modulált lézeres megmunkálással, és alapul szolgálhatnak az impulzusos SLM technika új módosításainak létrehozásához.
Liu, Y. és munkatársai. In situ TiB2/AlSi10Mg kompozitok mikroszerkezeti evolúciója és mechanikai tulajdonságai lézeres szelektív olvasztással [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. és munkatársai: 316L rozsdamentes acél lézeres szelektív olvasztásának átkristályosítási szemcsehatár-mérnöki vizsgálata [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. és Qiu, C. Lézerrel olvasztott titánötvözetek lézeres újramelegítésével fokozott képlékenységű szendvicsmikrostruktúrák in situ fejlesztése. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Ti-6Al-4V alkatrészek additív gyártása lézeres fémleválasztással (LMD): folyamat, mikroszerkezet és mechanikai tulajdonságok. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Lézeres fémporral irányított energialeválasztás mikroszerkezeti modellezése a 718-as ötvözetből. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametrikus neutron-Bragg élvizsgálat additív gyártású, lézeres sokk-tisztítással kezelt mintákon. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. és munkatársai. Additív eljárással elektronsugaras olvasztással előállított Ti-6Al-4V gradiens mikroszerkezete és mechanikai tulajdonságai. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).