Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Mekanisme baru berdasarkan peleburan laser selektif untuk mengendalikan struktur mikro produk dalam proses produksi diusulkan. Mekanisme ini bergantung pada pembangkitan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dalam kolam cair melalui penyinaran laser kompleks bermodulasi intensitas. Studi eksperimental dan simulasi numerik menunjukkan bahwa mekanisme kendali ini layak secara teknis dan dapat diintegrasikan secara efektif ke dalam desain mesin peleburan laser selektif modern.
Pembuatan aditif (AM) dari komponen berbentuk kompleks telah tumbuh secara signifikan dalam beberapa dekade terakhir. Namun, meskipun terdapat berbagai proses pembuatan aditif, termasuk peleburan laser selektif (SLM)1,2,3, pengendapan logam laser langsung4,5,6, peleburan berkas elektron7,8 dan lainnya9,10, komponen tersebut mungkin rusak. Hal ini terutama disebabkan oleh karakteristik khusus dari proses pemadatan kolam cair yang terkait dengan gradien termal yang tinggi, laju pendinginan yang tinggi, dan kompleksitas siklus pemanasan dalam peleburan dan peleburan ulang material11, yang menyebabkan pertumbuhan butiran epitaksial dan porositas yang signifikan12,13. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, perlu untuk mengendalikan gradien termal, laju pendinginan, dan komposisi paduan, atau menerapkan kejutan fisik tambahan melalui medan eksternal dengan berbagai sifat (misalnya, ultrasonik) untuk mencapai struktur butiran ekuaksial yang halus.
Banyak publikasi yang membahas tentang efek perlakuan getaran pada proses pemadatan dalam proses pengecoran konvensional14,15. Namun, penerapan medan eksternal pada lelehan massal tidak menghasilkan mikrostruktur material yang diinginkan. Jika volume fase cair kecil, situasinya berubah secara dramatis. Dalam kasus ini, medan eksternal memengaruhi proses pemadatan secara signifikan. Efek elektromagnetik telah dipertimbangkan selama medan akustik yang kuat16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, pengadukan busur28 dan osilasi29, busur plasma berdenyut30,31, dan metode lainnya32. Tempelkan ke substrat menggunakan sumber ultrasonik intensitas tinggi eksternal (pada 20 kHz). Penghalusan butiran yang disebabkan ultrasonik dikaitkan dengan peningkatan zona subpendinginan komposisi karena gradien suhu yang berkurang dan peningkatan ultrasonik untuk menghasilkan kristalit baru melalui kavitasi.
Dalam karya ini, kami menyelidiki kemungkinan mengubah struktur butiran baja tahan karat austenitik dengan menyonikasi kolam cair dengan gelombang suara yang dihasilkan oleh laser peleburan itu sendiri. Modulasi intensitas radiasi laser yang mengenai media penyerap cahaya menghasilkan pembangkitan gelombang ultrasonik, yang mengubah struktur mikro material. Modulasi intensitas radiasi laser ini dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam printer 3D SLM yang ada. Eksperimen dalam karya ini dilakukan pada pelat baja tahan karat yang permukaannya terkena radiasi laser yang dimodulasi intensitasnya. Jadi, secara teknis, perawatan permukaan laser dilakukan. Namun, jika perawatan laser tersebut dilakukan pada permukaan setiap lapisan, selama penumpukan lapis demi lapis, efek pada seluruh volume atau pada bagian volume yang dipilih tercapai. Dengan kata lain, jika bagian tersebut dibangun lapis demi lapis, perawatan permukaan laser pada setiap lapisan setara dengan "perawatan volume laser".
Sedangkan pada terapi ultrasonik berbasis klakson ultrasonik, energi ultrasonik dari gelombang suara berdiri didistribusikan ke seluruh komponen, sedangkan intensitas ultrasonik yang diinduksi laser sangat terkonsentrasi di dekat titik tempat radiasi laser diserap. Penggunaan sonotrode pada mesin fusi tempat serbuk SLM rumit karena permukaan atas tempat serbuk yang terkena radiasi laser harus tetap diam. Selain itu, tidak ada tekanan mekanis pada permukaan atas komponen. Oleh karena itu, tekanan akustik mendekati nol dan kecepatan partikel memiliki amplitudo maksimum di seluruh permukaan atas komponen. Tekanan suara di dalam seluruh kolam cair tidak boleh melebihi 0,1% dari tekanan maksimum yang dihasilkan oleh kepala pengelasan, karena panjang gelombang gelombang ultrasonik dengan frekuensi 20 kHz dalam baja tahan karat adalah \(\sim 0,3~\text {m}\), dan kedalamannya biasanya kurang dari \(\sim 0,3~\text {mm}\). Oleh karena itu, efek ultrasonik pada kavitasi mungkin kecil.
Perlu dicatat bahwa penggunaan radiasi laser termodulasi intensitas dalam pengendapan logam laser langsung merupakan bidang penelitian yang aktif35,36,37,38.
Efek termal dari radiasi laser yang mengenai medium merupakan dasar bagi hampir semua teknik laser 39, 40 untuk pemrosesan material, seperti pemotongan41, pengelasan, pengerasan, pengeboran42, pembersihan permukaan, paduan permukaan, pemolesan permukaan43, dll. Penemuan laser merangsang perkembangan baru dalam teknik pemrosesan material, dan hasil awal telah dirangkum dalam berbagai tinjauan dan monografi44,45,46.
Perlu diperhatikan bahwa setiap tindakan non-stasioner pada medium, termasuk tindakan laser pada medium penyerap, menghasilkan eksitasi gelombang akustik di dalamnya dengan efisiensi yang lebih atau kurang. Awalnya, fokus utamanya adalah pada eksitasi laser gelombang dalam cairan dan berbagai mekanisme eksitasi termal suara (ekspansi termal, penguapan, perubahan volume selama transisi fase, kontraksi, dll.) 47, 48, 49. Banyak monograf50, 51, 52 yang memberikan analisis teoritis tentang proses ini dan kemungkinan penerapan praktisnya.
Isu-isu ini kemudian dibahas di berbagai konferensi, dan eksitasi laser ultrasonik memiliki aplikasi baik dalam aplikasi industri teknologi laser53 maupun kedokteran54. Oleh karena itu, dapat dianggap bahwa konsep dasar proses di mana cahaya laser berdenyut bekerja pada media penyerap telah ditetapkan. Inspeksi ultrasonik laser digunakan untuk mendeteksi cacat pada sampel yang diproduksi SLM55,56.
Efek gelombang kejut yang dihasilkan laser pada material merupakan dasar dari laser shock peening57,58,59, yang juga digunakan untuk perawatan permukaan komponen yang diproduksi secara aditif60. Namun, penguatan kejut laser paling efektif pada pulsa laser nanodetik dan permukaan yang dimuat secara mekanis (misalnya, dengan lapisan cairan)59 karena pemuatan mekanis meningkatkan tekanan puncak.
Percobaan dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan efek dari berbagai medan fisika pada struktur mikro material yang dipadatkan. Diagram fungsional dari pengaturan percobaan ditunjukkan pada Gambar 1. Laser solid-state Nd:YAG berdenyut yang beroperasi dalam mode berjalan bebas (durasi pulsa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) digunakan. Setiap pulsa laser dilewatkan melalui serangkaian filter kepadatan netral dan sistem pelat pemisah berkas. Bergantung pada kombinasi filter kepadatan netral, energi pulsa pada target bervariasi dari \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) hingga \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) . Berkas laser yang dipantulkan dari pemisah berkas diumpankan ke fotodioda untuk akuisisi data simultan, dan dua kalorimeter (fotodioda dengan waktu respons panjang melebihi \(1~\text {ms}\)) digunakan untuk menentukan insiden terhadap dan yang dipantulkan dari target, dan dua pengukur daya (fotodioda dengan waktu respons pendek\(<10~\teks {ns}\)) untuk menentukan daya optik datang dan terpantul. Kalorimeter dan pengukur daya dikalibrasi untuk memberikan nilai dalam satuan absolut menggunakan detektor termopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 dan cermin dielektrik yang dipasang di lokasi sampel. Fokuskan berkas ke target menggunakan lensa (lapisan antipantulan pada \(1,06 \upmu \teks {m}\), panjang fokus \(160~\teks {mm}\)) dan pinggang berkas di permukaan target 60– \(100~\upmu\teks {m}\).
Diagram skema fungsional dari perangkat percobaan: 1—laser; 2—sinar laser; 3—filter densitas netral; 4—fotodioda tersinkronisasi; 5—pemisah sinar; 6—diafragma; 7—kalorimeter sinar datang; 8—kalorimeter sinar pantul; 9—pengukur daya sinar datang; 10—pengukur daya sinar pantul; 11—lensa pemfokus; 12—cermin; 13—sampel; 14—transduser piezoelektrik pita lebar; 15—konverter 2D; 16—mikrokontroler pemosisian; 17—unit sinkronisasi; 18—sistem akuisisi digital multisaluran dengan berbagai laju pengambilan sampel; 19—komputer pribadi.
Perawatan ultrasonik dilakukan sebagai berikut. Laser beroperasi dalam mode bebas; oleh karena itu durasi pulsa laser adalah \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), yang terdiri dari beberapa durasi sekitar \(1,5~\upmu \text {s } \) masing-masing. Bentuk temporal pulsa laser dan spektrumnya terdiri dari amplop frekuensi rendah dan modulasi frekuensi tinggi, dengan frekuensi rata-rata sekitar \(0,7~\text {MHz}\), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.- Amplop frekuensi memberikan pemanasan dan peleburan serta penguapan material berikutnya, sementara komponen frekuensi tinggi memberikan getaran ultrasonik karena efek fotoakustik. Bentuk gelombang pulsa ultrasonik yang dihasilkan oleh laser terutama ditentukan oleh bentuk waktu intensitas pulsa laser. Rentangnya adalah dari \(7~\teks {kHz}\) hingga \(2~\teks {MHz}\), dan frekuensi pusatnya adalah \(~ 0,7~\teks {MHz}\). Pulsa akustik akibat efek fotoakustik direkam menggunakan transduser piezoelektrik pita lebar yang terbuat dari film polivinilidena fluorida. Bentuk gelombang yang terekam dan spektrumnya ditunjukkan pada Gambar 2. Perlu dicatat bahwa bentuk pulsa laser merupakan bentuk khas laser mode bebas.
Distribusi temporal intensitas pulsa laser (a) dan kecepatan suara di permukaan belakang sampel (b), spektrum pulsa laser (c) dan pulsa ultrasonik (d) dirata-ratakan lebih dari 300 pulsa laser (kurva merah) untuk satu pulsa laser (kurva biru).
Kita dapat dengan jelas membedakan komponen frekuensi rendah dan frekuensi tinggi dari perawatan akustik yang sesuai dengan selubung frekuensi rendah dari pulsa laser dan modulasi frekuensi tinggi, masing-masing. Panjang gelombang gelombang akustik yang dihasilkan oleh selubung pulsa laser melebihi \(40~\text {cm}\); oleh karena itu, efek utama dari komponen frekuensi tinggi pita lebar dari sinyal akustik pada struktur mikro diharapkan.
Proses fisik dalam SLM bersifat kompleks dan terjadi secara bersamaan pada skala spasial dan temporal yang berbeda. Oleh karena itu, metode multiskala paling cocok untuk analisis teoritis SLM. Model matematika awalnya harus multifisika. Mekanika dan termofisika media multifase "cairan padat-cair" yang berinteraksi dengan atmosfer gas inert kemudian dapat dijelaskan secara efektif. Karakteristik beban termal material dalam SLM adalah sebagai berikut.
Laju pemanasan dan pendinginan hingga \(10^6~\teks {K}/\teks {s}\) /\teks{ berkat penyinaran laser terlokalisasi dengan kerapatan daya hingga \(10^{13}~\teks {W} cm}^2\).
Siklus peleburan-pemadatan berlangsung antara 1 dan \(10~\teks {ms}\), yang berkontribusi terhadap pemadatan cepat zona peleburan selama pendinginan.
Pemanasan cepat pada permukaan sampel menghasilkan pembentukan tegangan termoelastis yang tinggi pada lapisan permukaan. Porsi lapisan serbuk yang cukup (hingga 20%) diuapkan dengan kuat63, yang menghasilkan beban tekanan tambahan pada permukaan sebagai respons terhadap ablasi laser. Akibatnya, regangan yang ditimbulkan secara signifikan mendistorsi geometri bagian, terutama di dekat penyangga dan elemen struktural tipis. Laju pemanasan tinggi dalam anil laser berdenyut menghasilkan pembentukan gelombang regangan ultrasonik yang merambat dari permukaan ke substrat. Untuk memperoleh data kuantitatif yang akurat mengenai distribusi tegangan dan regangan lokal, simulasi mesoskopik dari masalah deformasi elastis yang dikonjugasikan dengan perpindahan panas dan massa dilakukan.
Persamaan yang mengatur model tersebut meliputi (1) persamaan perpindahan panas tak tetap di mana konduktivitas termal bergantung pada keadaan fase (bubuk, lelehan, polikristalin) dan suhu, (2) fluktuasi dalam deformasi elastis setelah ablasi kontinum dan persamaan ekspansi termoelastis. Masalah nilai batas ditentukan oleh kondisi eksperimen. Fluks laser termodulasi didefinisikan pada permukaan sampel. Pendinginan konvektif meliputi pertukaran panas konduktif dan fluks evaporatif. Fluks massa didefinisikan berdasarkan perhitungan tekanan uap jenuh dari material yang menguap. Hubungan tegangan-regangan elastoplastik digunakan di mana tegangan termoelastis sebanding dengan perbedaan suhu. Untuk daya nominal \(300~\text {W}\), frekuensi \(10^5~\text {Hz}\), koefisien intermiten 100 dan \(200~\upmu \text {m}\ ) dari diameter berkas efektif.
Gambar 3 menunjukkan hasil simulasi numerik zona cair menggunakan model matematika makroskopis. Diameter zona fusi adalah \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) radius) dan kedalaman \(40~\upmu \text {m}\). Hasil simulasi menunjukkan bahwa suhu permukaan bervariasi secara lokal terhadap waktu sebesar \(100~\text {K}\) karena faktor intermiten yang tinggi dari modulasi pulsa. Laju pemanasan \(V_h\) dan pendinginan \(V_c\) masing-masing berada pada orde \(10^7\) dan \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Nilai-nilai ini sesuai dengan analisis kami sebelumnya64. Perbedaan orde besaran antara \(V_h\) dan \(V_c\) mengakibatkan pemanasan berlebih yang cepat pada lapisan permukaan, di mana termal konduksi ke substrat tidak cukup untuk menghilangkan panas. Oleh karena itu, pada \(t=26~\upmu \teks {s}\) suhu permukaan mencapai puncaknya setinggi \(4800~\teks {K}\). Penguapan material yang kuat dapat menyebabkan permukaan sampel mengalami tekanan berlebihan dan terkelupas.
Hasil simulasi numerik zona peleburan annealing pulsa laser tunggal pada pelat sampel 316L. Waktu dari awal pulsa hingga kedalaman kolam cair mencapai nilai maksimum adalah \(180~\upmu\text {s}\). Isoterm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) merepresentasikan batas antara fase cair dan padat. Isobar (garis kuning) sesuai dengan tegangan luluh yang dihitung sebagai fungsi suhu di bagian berikutnya. Oleh karena itu, dalam domain antara dua isoline (isoterm\(T=T_L\) dan isobar\(\sigma =\sigma _V(T)\)), fase padat mengalami beban mekanis yang kuat, yang dapat menyebabkan perubahan pada struktur mikro.
Efek ini dijelaskan lebih lanjut dalam Gambar 4a, di mana level tekanan di zona cair diplot sebagai fungsi waktu dan jarak dari permukaan. Pertama, perilaku tekanan terkait dengan modulasi intensitas pulsa laser yang dijelaskan dalam Gambar 2 di atas. Tekanan maksimum (s) sekitar 10 MPa diamati pada sekitar t=26 upmu). Kedua, fluktuasi tekanan lokal pada titik kontrol memiliki karakteristik osilasi yang sama dengan frekuensi 500 kHz. Ini berarti gelombang tekanan ultrasonik dihasilkan di permukaan dan kemudian merambat ke substrat.
Karakteristik terhitung dari zona deformasi di dekat zona leleh ditunjukkan pada Gambar 4b. Ablasi laser dan tegangan termoelastis menghasilkan gelombang deformasi elastis yang menjalar ke substrat. Seperti dapat dilihat dari gambar, ada dua tahap pembangkitan tegangan. Selama fase pertama \(t < 40~\upmu \text {s}\), tegangan Mises naik ke \(8~\text {MPa}\) dengan modulasi yang mirip dengan tekanan permukaan. Tegangan ini terjadi karena ablasi laser, dan tidak ada tegangan termoelastis yang diamati di titik kontrol karena zona awal yang terpengaruh panas terlalu kecil. Ketika panas dihilangkan ke dalam substrat, titik kontrol menghasilkan tegangan termoelastis tinggi di atas \(40~\text {MPa}\).
Tingkat tegangan termodulasi yang diperoleh memiliki dampak signifikan pada antarmuka padat-cair dan dapat menjadi mekanisme kontrol yang mengatur jalur pemadatan. Ukuran zona deformasi 2 hingga 3 kali lebih besar daripada zona peleburan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, lokasi isoterm peleburan dan tingkat tegangan yang sama dengan tegangan luluh dibandingkan. Ini berarti bahwa penyinaran laser berdenyut memberikan beban mekanis tinggi di area terlokalisasi dengan diameter efektif antara 300 dan \(800~\upmu \text {m}\) tergantung pada waktu sesaat.
Oleh karena itu, modulasi kompleks dari pemanasan laser berdenyut menghasilkan efek ultrasonik. Jalur pemilihan mikrostruktur berbeda jika dibandingkan dengan SLM tanpa pembebanan ultrasonik. Daerah tidak stabil yang mengalami deformasi menyebabkan siklus kompresi dan peregangan periodik dalam fase padat. Dengan demikian, pembentukan batas butir dan batas subbutir baru menjadi memungkinkan. Oleh karena itu, sifat mikrostruktur dapat diubah secara sengaja, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Kesimpulan yang diperoleh memberikan kemungkinan untuk merancang prototipe SLM yang digerakkan oleh ultrasonik yang diinduksi modulasi pulsa. Dalam hal ini, induktor piezoelektrik 26 yang digunakan di tempat lain dapat dikecualikan.
(a) Tekanan sebagai fungsi waktu, dihitung pada jarak yang berbeda dari permukaan 0, 20 dan \(40~\upmu \teks {m}\) sepanjang sumbu simetri. (b) Tegangan Von Mises yang bergantung waktu dihitung dalam matriks padat pada jarak 70, 120 dan \(170~\upmu \teks {m}\) dari permukaan sampel.
Percobaan dilakukan pada pelat baja tahan karat AISI 321H dengan dimensi \(20\kali 20\kali 5~\teks {mm}\). Setelah setiap pulsa laser, pelat bergerak \(50~\upmu \teks {m}\), dan pinggang sinar laser pada permukaan target sekitar \(100~\upmu \teks {m}\). Hingga lima lintasan sinar berikutnya dilakukan di sepanjang lintasan yang sama untuk menginduksi peleburan ulang material yang diproses untuk penyempurnaan butiran. Dalam semua kasus, zona yang dilebur ulang disonikasi, tergantung pada komponen osilasi radiasi laser. Ini menghasilkan pengurangan lebih dari 5 kali lipat dalam luas butiran rata-rata. Gambar 5 menunjukkan bagaimana struktur mikro dari daerah yang dilebur laser berubah dengan jumlah siklus peleburan ulang berikutnya (lintasan).
Subplot (a,d,g,j) dan (b,e,h,k) – struktur mikro daerah lelehan laser, subplot (c,f,i,l) – distribusi area butiran berwarna. Bayangan mewakili partikel yang digunakan untuk menghitung histogram. Warna sesuai dengan daerah butiran (lihat bilah warna di bagian atas histogram. Subplot (ac) sesuai dengan baja tahan karat yang tidak diolah, dan subplot (df), (gi), (jl) sesuai dengan peleburan ulang 1, 3, dan 5.
Karena energi pulsa laser tidak berubah di antara lintasan berikutnya, kedalaman zona lelehnya sama. Dengan demikian, saluran berikutnya sepenuhnya "menutupi" saluran sebelumnya. Namun, histogram menunjukkan bahwa luas butiran rata-rata dan median menurun seiring dengan bertambahnya jumlah lintasan. Hal ini mungkin menunjukkan bahwa laser bekerja pada substrat, bukan lelehan.
Penghalusan butiran mungkin disebabkan oleh pendinginan cepat dari kolam cair65. Serangkaian percobaan lain dilakukan dengan mengekspos permukaan pelat baja tahan karat (321H dan 316L) terhadap radiasi laser gelombang kontinu di atmosfer (Gbr. 6) dan vakum (Gbr. 7). Daya laser rata-rata (masing-masing 300 W dan 100 W) dan kedalaman kolam cair mendekati hasil percobaan laser Nd:YAG dalam mode bebas. Namun, struktur kolom yang khas diamati.
Mikrostruktur daerah lelehan laser gelombang kontinu (daya konstan 300 W, kecepatan pemindaian 200 mm/s, baja tahan karat AISI 321H).
(a) Struktur mikro dan (b) gambar difraksi hamburan balik elektron pada daerah lelehan laser dalam ruang hampa dengan laser gelombang kontinyu (daya konstan 100 W, kecepatan pindai 200 mm/s, baja tahan karat AISI 316L)\ (\sim 2~\teks {mbar}\).
Oleh karena itu, jelas terlihat bahwa modulasi kompleks intensitas pulsa laser memiliki efek signifikan pada struktur mikro yang dihasilkan. Kami percaya bahwa efek ini bersifat mekanis dan terjadi karena pembangkitan getaran ultrasonik yang menjalar dari permukaan lelehan yang diradiasi jauh ke dalam sampel. Hasil serupa diperoleh pada 13, 26, 34, 66, 67 menggunakan transduser piezoelektrik eksternal dan sonotrode yang menyediakan ultrasonik intensitas tinggi dalam berbagai material termasuk paduan Ti-6Al-4V 26 dan baja tahan karat 34 sebagai hasil dari. Mekanisme yang mungkin dispekulasikan sebagai berikut. Ultrasonografi intens dapat menyebabkan kavitasi akustik, seperti yang ditunjukkan dalam pencitraan sinar-X sinkrotron in situ yang sangat cepat. Runtuhnya gelembung kavitasi pada gilirannya menghasilkan gelombang kejut dalam material cair, yang tekanan depannya mencapai sekitar \(100~\text {MPa}\)69. Gelombang kejut tersebut mungkin cukup kuat untuk mendorong pembentukan inti fase padat berukuran kritis dalam cairan curah, mengganggu struktur butiran kolom dari manufaktur aditif lapis demi lapis.
Di sini, kami mengusulkan mekanisme lain yang bertanggung jawab atas modifikasi struktural dengan sonikasi intens. Segera setelah pemadatan, material berada pada suhu tinggi yang mendekati titik leleh dan memiliki tegangan luluh yang sangat rendah. Gelombang ultrasonik yang intens dapat menyebabkan aliran plastik mengubah struktur butiran material panas yang baru saja dipadatkan. Namun, data eksperimen yang andal tentang ketergantungan suhu pada tegangan luluh tersedia pada \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (lihat Gambar 8). Oleh karena itu, untuk menguji hipotesis ini, kami melakukan simulasi dinamika molekuler (MD) dari komposisi Fe-Cr-Ni yang mirip dengan baja AISI 316 L untuk mengevaluasi perilaku tegangan luluh di dekat titik leleh. Untuk menghitung tegangan luluh, kami menggunakan teknik relaksasi tegangan geser MD yang dirinci dalam 70, 71, 72, 73. Untuk perhitungan interaksi interatomik, kami menggunakan Model Atom Tertanam (EAM) dari 74. Simulasi MD dilakukan dengan menggunakan kode LAMMPS 75, 76. Rincian simulasi MD akan dipublikasikan di tempat lain. Hasil perhitungan MD dari tegangan luluh sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar 8 bersama dengan data eksperimen yang tersedia dan evaluasi lainnya77,78,79,80,81,82.
Tegangan luluh untuk baja tahan karat austenitik AISI grade 316 dan komposisi model versus suhu untuk simulasi MD. Pengukuran eksperimental dari referensi: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. lihat. (f) 82 adalah model empiris ketergantungan tegangan luluh-suhu untuk pengukuran tegangan in-line selama manufaktur aditif berbantuan laser. Hasil simulasi MD skala besar dalam studi ini dilambangkan sebagai \(\vartriangleleft\) untuk kristal tunggal tak terhingga bebas cacat dan \(\vartriangleright\) untuk butiran terbatas dengan mempertimbangkan ukuran butiran rata-rata melalui hubungan Hall-Petch Dimensi\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Terlihat bahwa pada \(T>1500~\teks {K}\) tegangan luluh turun di bawah \(40~\teks {MPa}\). Di sisi lain, perkiraan memperkirakan bahwa amplitudo ultrasonik yang dihasilkan laser melebihi \(40~\teks {MPa}\) (lihat Gambar 4b), yang cukup untuk menginduksi aliran plastik pada material panas yang baru saja dipadatkan.
Pembentukan mikrostruktur baja tahan karat austenitik 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) selama SLM diselidiki secara eksperimental menggunakan sumber laser berdenyut termodulasi intensitas kompleks.
Pengurangan ukuran butiran di zona peleburan laser ditemukan akibat peleburan ulang laser berkelanjutan setelah 1, 3, atau 5 lintasan.
Pemodelan makroskopis menunjukkan bahwa perkiraan ukuran wilayah di mana deformasi ultrasonik dapat berdampak positif pada bagian depan pemadatan adalah hingga \(1~\teks {mm}\).
Model MD mikroskopis memperlihatkan bahwa kekuatan luluh baja tahan karat austenitik AISI 316 berkurang secara signifikan hingga \(40~\text {MPa}\) mendekati titik leleh.
Hasil yang diperoleh menunjukkan suatu metode untuk mengendalikan mikrostruktur material menggunakan pemrosesan laser termodulasi kompleks dan dapat berfungsi sebagai dasar untuk menciptakan modifikasi baru pada teknik SLM berdenyut.
Liu, Y. dkk. Evolusi mikrostruktur dan sifat mekanik komposit TiB2/AlSi10Mg in situ dengan peleburan selektif laser [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. dkk. Rekayasa batas butir rekristalisasi peleburan selektif laser baja tahan karat 316L [J]. Jurnal Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Pengembangan mikrostruktur sandwich in situ dengan peningkatan keuletan melalui pemanasan ulang laser pada paduan titanium yang dicairkan dengan laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. dkk. Pembuatan aditif komponen Ti-6Al-4V dengan deposisi logam laser (LMD): proses, struktur mikro, dan sifat mekanis. J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. dkk. Pemodelan mikrostruktur pengendapan energi terarah serbuk logam laser pada Paduan 718.Tambahkan ke.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. dkk. Studi Pencitraan Tepi Bragg Neutron Parametrik pada Sampel yang Diproduksi Secara Aditif yang Diolah dengan Laser Shock Peening.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. dkk. Mikrostruktur gradien dan sifat mekanik Ti-6Al-4V yang dibuat secara aditif dengan peleburan berkas elektron. Jurnal Alma Mater. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).