Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang diperbarui (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Suatu mekanisme baru berbasis peleburan laser selektif untuk mengontrol struktur mikro produk dalam proses manufaktur diusulkan. Mekanisme ini bergantung pada pembangkitan gelombang ultrasonik intensitas tinggi di dalam kolam lelehan melalui iradiasi laser termodulasi intensitas yang kompleks. Studi eksperimental dan simulasi numerik menunjukkan bahwa mekanisme kontrol ini secara teknis layak dan dapat diintegrasikan secara efektif ke dalam desain mesin peleburan laser selektif modern.
Manufaktur aditif (AM) untuk komponen berbentuk kompleks telah berkembang pesat dalam beberapa dekade terakhir. Namun, terlepas dari beragamnya proses manufaktur aditif, termasuk peleburan laser selektif (SLM)1,2,3, deposisi logam laser langsung4,5,6, peleburan berkas elektron7,8 dan lainnya9,10, komponen tersebut mungkin mengalami cacat. Hal ini terutama disebabkan oleh karakteristik spesifik dari proses pembekuan kolam lebur yang terkait dengan gradien termal yang tinggi, laju pendinginan yang tinggi, dan kompleksitas siklus pemanasan dalam peleburan dan peleburan ulang material11, yang menyebabkan pertumbuhan butir epitaksial dan porositas yang signifikan12,13. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, perlu untuk mengontrol gradien termal, laju pendinginan, dan komposisi paduan, atau menerapkan guncangan fisik tambahan melalui medan eksternal dengan berbagai sifat (misalnya, ultrasonik) untuk mencapai struktur butir equiaxed yang halus.
Banyak publikasi yang membahas pengaruh perlakuan getaran pada proses pembekuan 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 hal ini, medan eksternal secara signifikan memengaruhi proses pembekuan. Efek elektromagnetik telah dipertimbangkan selama medan akustik intensif16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, pengadukan busur28 dan osilasi29, busur plasma berdenyut30,31 dan metode lainnya32. Penempelan pada substrat menggunakan sumber ultrasonik intensitas tinggi eksternal (pada 20 kHz). Penghalusan butir yang diinduksi ultrasonik dikaitkan dengan peningkatan zona subpendinginan komposisi karena gradien suhu yang berkurang dan peningkatan ultrasonik untuk menghasilkan kristalit baru melalui kavitasi.
Dalam penelitian ini, kami menyelidiki kemungkinan mengubah struktur butir baja tahan karat austenitik dengan sonikasi kolam leburan menggunakan gelombang suara yang dihasilkan oleh laser peleburan itu sendiri. Modulasi intensitas radiasi laser yang mengenai medium penyerap cahaya menghasilkan gelombang ultrasonik, yang mengubah mikrostruktur material. Modulasi intensitas radiasi laser ini dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam printer 3D SLM yang ada. Eksperimen dalam penelitian ini dilakukan pada pelat baja tahan karat yang permukaannya terpapar radiasi laser dengan modulasi intensitas. Jadi, secara teknis, perawatan permukaan laser telah dilakukan. Namun, jika perawatan laser tersebut dilakukan pada permukaan setiap lapisan, selama proses pembuatan lapis demi lapis, efeknya akan tercapai pada seluruh volume atau pada bagian volume yang dipilih. 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 horn ultrasonik, energi ultrasonik dari gelombang suara stasioner didistribusikan ke seluruh komponen, sementara intensitas ultrasonik yang diinduksi laser sangat terkonsentrasi di dekat titik di mana radiasi laser diserap. Penggunaan sonotrode pada mesin fusi bed serbuk SLM rumit karena permukaan atas bed serbuk yang terpapar radiasi laser harus tetap diam. Selain itu, tidak ada tegangan mekanis pada permukaan atas bagian tersebut. Oleh karena itu, tegangan akustik mendekati nol dan kecepatan partikel memiliki amplitudo maksimum di seluruh permukaan atas bagian tersebut. Tekanan suara di dalam seluruh kolam lelehan tidak dapat 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 ultrasound pada kavitasi mungkin kecil.
Perlu dicatat bahwa penggunaan radiasi laser termodulasi intensitas dalam deposisi logam laser langsung merupakan bidang penelitian yang aktif35,36,37,38.
Efek termal radiasi laser yang mengenai medium merupakan dasar dari hampir semua teknik laser 39, 40 untuk pemrosesan material, seperti pemotongan41, pengelasan, pengerasan, pengeboran42, pembersihan permukaan, paduan permukaan, pemolesan permukaan43, dll. Penemuan laser telah mendorong perkembangan baru dalam teknik pemrosesan material, dan hasil-hasil awal telah dirangkum dalam banyak ulasan dan monografi44,45,46.
Perlu dicatat bahwa setiap aksi non-stasioner pada medium, termasuk aksi laser pada medium penyerap, menghasilkan eksitasi gelombang akustik di dalamnya dengan efisiensi yang lebih atau kurang. Awalnya, fokus utama 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. Sejumlah monograf 50, 51, 52 memberikan analisis teoritis tentang proses ini dan kemungkinan aplikasi 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 medium penyerap telah ditetapkan.Inspeksi ultrasonik laser digunakan untuk deteksi 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 bagian yang diproduksi secara aditif60.Namun, penguatan kejut laser paling efektif pada pulsa laser nanodetik dan permukaan yang diberi beban mekanis (misalnya, dengan lapisan cairan)59 karena pembebanan mekanis meningkatkan tekanan puncak.
Eksperimen dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan pengaruh berbagai medan fisik terhadap mikrostruktur material yang telah mengeras. Diagram fungsional dari susunan eksperimental ditunjukkan pada Gambar 1. Laser solid-state Nd:YAG berdenyut yang beroperasi dalam mode bebas (durasi pulsa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) digunakan. Setiap pulsa laser dilewatkan melalui serangkaian filter kerapatan netral dan sistem pelat pemisah berkas. Tergantung pada kombinasi filter kerapatan 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 dialirkan ke fotodioda untuk akuisisi data simultan, dan dua kalorimeter (fotodioda dengan waktu respons yang lama melebihi \(1~\text {ms}\)) digunakan untuk menentukan insiden dan pantulan dari target, dan dua pengukur daya (fotodioda dengan waktu respons singkat (<10 ns) untuk menentukan daya optik insiden dan pantulan. Kalorimeter dan pengukur daya dikalibrasi untuk memberikan nilai dalam satuan absolut menggunakan detektor termopile Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 dan cermin dielektrik yang dipasang di lokasi sampel. Berkas difokuskan ke target menggunakan lensa (lapisan anti-refleksi pada 1,06 μm), panjang fokus 160 mm dan lebar berkas pada permukaan target 60–100 μm).
Diagram skematik fungsional dari pengaturan eksperimental: 1—laser; 2—berkas laser; 3—filter kerapatan netral; 4—fotodioda tersinkronisasi; 5—pemisah berkas; 6—diafragma; 7—kalorimeter berkas insiden; 8—kalorimeter berkas pantulan; 9—pengukur daya berkas insiden; 10—pengukur daya berkas pantulan; 11—lensa fokus; 12—cermin; 13—sampel; 14—transduser piezoelektrik pita lebar; 15—konverter 2D; 16—mikrokontroler pemosisian; 17—unit sinkronisasi; 18—sistem akuisisi digital multi-saluran 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 masing-masing sekitar \(1,5~\upmu \text {s } \). 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 menyediakan pemanasan dan selanjutnya peleburan dan penguapan material, sedangkan komponen frekuensi tinggi menyediakan getaran ultrasonik karena efek fotoakustik. Bentuk gelombang pulsa ultrasonik yang dihasilkan oleh laser terutama ditentukan oleh bentuk waktu intensitas pulsa laser. Frekuensinya berkisar dari \(7~\text {kHz}\) hingga \ (2~\text {MHz}\), dan frekuensi pusatnya adalah \(~ 0,7~\text {MHz}\). Pulsa akustik akibat efek fotoakustik direkam menggunakan transduser piezoelektrik pita lebar yang terbuat dari film polivinilidena fluorida. Bentuk gelombang yang direkam dan spektrumnya ditunjukkan pada Gambar 2. Perlu dicatat bahwa bentuk pulsa laser tersebut khas untuk 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) yang dirata-ratakan dari 300 pulsa laser (kurva merah) untuk satu pulsa laser (kurva biru).
Kita dapat dengan jelas membedakan komponen frekuensi rendah dan frekuensi tinggi dari perlakuan akustik yang sesuai dengan amplop frekuensi rendah dari pulsa laser dan modulasi frekuensi tinggi, masing-masing. Panjang gelombang gelombang akustik yang dihasilkan oleh amplop pulsa laser melebihi \(40~\text {cm}\); oleh karena itu, efek utama dari komponen frekuensi tinggi pita lebar dari sinyal akustik pada mikrostruktur diharapkan terjadi.
Proses fisik dalam SLM (Solid-Liquid Melting) kompleks dan terjadi secara simultan pada skala spasial dan temporal yang berbeda. Oleh karena itu, metode multi-skala paling cocok untuk analisis teoritis SLM. Model matematika pada awalnya harus multi-fisik. Mekanika dan termofisika dari medium multi-fase "lelehan 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 \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ akibat iradiasi laser lokal dengan kepadatan daya hingga \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Siklus peleburan-pembekuan berlangsung antara 1 dan \(10~\text {ms}\), yang berkontribusi pada pembekuan cepat zona peleburan selama pendinginan.
Pemanasan cepat pada permukaan sampel menghasilkan pembentukan tegangan termoelastis tinggi pada lapisan permukaan. Sebagian besar (hingga 20%) lapisan serbuk menguap dengan kuat⁶³, yang mengakibatkan beban tekanan tambahan pada permukaan sebagai respons terhadap ablasi laser. Akibatnya, regangan yang diinduksi secara signifikan mendistorsi geometri bagian, terutama di dekat penyangga dan elemen struktural tipis. Laju pemanasan yang tinggi dalam anil laser berdenyut menghasilkan gelombang regangan ultrasonik yang merambat dari permukaan ke substrat. Untuk mendapatkan data kuantitatif yang akurat tentang distribusi tegangan dan regangan lokal, simulasi mesoskopik dari masalah deformasi elastis yang terkait dengan perpindahan panas dan massa dilakukan.
Persamaan pengatur model meliputi (1) persamaan perpindahan panas tak tunak di mana konduktivitas termal bergantung pada keadaan fasa (bubuk, lelehan, polikristalin) dan suhu, (2) fluktuasi deformasi elastis setelah ablasi kontinu dan persamaan ekspansi termoelastis. Masalah nilai batas ditentukan oleh kondisi eksperimental. 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 leburan menggunakan model matematika makroskopis. Diameter zona fusi adalah \(200~\upmu \text {m}\) (jari-jari \(100~\upmu \text {m}\)) 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 konduksi termal ke Substrat tidak cukup untuk menghilangkan panas. Oleh karena itu, pada \(t=26~\upmu \text {s}\) suhu permukaan mencapai puncaknya setinggi \(4800~\text {K}\). Penguapan material yang kuat dapat menyebabkan permukaan sampel mengalami tekanan berlebihan dan terkelupas.
Hasil simulasi numerik zona peleburan anil pulsa laser tunggal pada pelat sampel 316L. Waktu dari awal pulsa hingga kedalaman kolam lelehan mencapai nilai maksimum adalah \(180~\upmu\text {s}\). Isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) mewakili batas antara fase cair dan padat. Isobar (garis kuning) sesuai dengan tegangan luluh yang dihitung sebagai fungsi suhu pada bagian selanjutnya. Oleh karena itu, dalam domain antara dua isoline (isoterma\(T=T_L\) dan isobar\(\sigma =\sigma _V(T)\)), fase padat dikenai beban mekanis yang kuat, yang dapat menyebabkan perubahan pada mikrostruktur.
Efek ini dijelaskan lebih lanjut pada Gambar 4a, di mana tingkat tekanan di zona leleh diplot sebagai fungsi waktu dan jarak dari permukaan. Pertama, perilaku tekanan berkaitan dengan modulasi intensitas pulsa laser yang dijelaskan pada Gambar 2 di atas. Tekanan maksimum (s) sekitar 10 MPa diamati pada sekitar t=26 μm. Kedua, fluktuasi tekanan lokal pada titik kontrol memiliki karakteristik osilasi yang sama dengan frekuensi 500 kHz. Ini berarti bahwa gelombang tekanan ultrasonik dihasilkan di permukaan dan kemudian merambat ke dalam substrat.
Karakteristik zona deformasi yang dihitung di dekat zona peleburan ditunjukkan pada Gambar 4b. Ablasi laser dan tegangan termoelastis menghasilkan gelombang deformasi elastis yang merambat ke dalam substrat. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, ada dua tahap pembangkitan tegangan. Selama fase pertama \(t < 40~\upmu \text {s}\), tegangan Mises meningkat menjadi \(8~\text {MPa}\) dengan modulasi yang mirip dengan tekanan permukaan. Tegangan ini terjadi karena ablasi laser, dan tidak ada tegangan termoelastis yang diamati pada titik kontrol karena zona yang terpengaruh panas awal terlalu kecil. Ketika panas dile dissipated 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 mungkin merupakan mekanisme kontrol yang mengatur jalur pembekuan. 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 iradiasi laser berdenyut memberikan beban mekanis tinggi di area lokal dengan diameter efektif antara 300 dan 800 μm tergantung pada waktu sesaat.
Oleh karena itu, modulasi kompleks dari annealing laser berdenyut menyebabkan efek ultrasonik. Jalur pemilihan mikrostruktur berbeda jika dibandingkan dengan SLM tanpa pembebanan ultrasonik. Daerah yang tidak stabil dan mengalami deformasi menyebabkan siklus periodik kompresi dan peregangan dalam fase padat. Dengan demikian, pembentukan batas butir dan batas subbutir baru menjadi mungkin. Oleh karena itu, sifat mikrostruktural dapat diubah secara sengaja, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Kesimpulan yang diperoleh memberikan kemungkinan untuk merancang prototipe SLM yang digerakkan oleh ultrasonik dengan modulasi pulsa. Dalam hal ini, induktor piezoelektrik 26 yang digunakan di tempat lain dapat dihilangkan.
(a) Tekanan sebagai fungsi waktu, dihitung pada jarak berbeda dari permukaan 0, 20 dan 40 μm di sepanjang sumbu simetri. (b) Tegangan Von Mises yang bergantung pada waktu dihitung dalam matriks padat pada jarak 70, 120 dan 170 μm dari permukaan sampel.
Eksperimen dilakukan pada pelat baja tahan karat AISI 321H dengan dimensi \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Setelah setiap pulsa laser, pelat bergerak \(50~\upmu \text {m}\), dan lebar berkas laser pada permukaan target sekitar \(100~\upmu \text {m}\). Hingga lima lintasan berkas berikutnya dilakukan sepanjang jalur yang sama untuk menginduksi peleburan ulang material yang diproses untuk penghalusan butir. Dalam semua kasus, zona yang dilebur ulang disonikasi, tergantung pada komponen osilasi radiasi laser. Hal ini menghasilkan pengurangan lebih dari 5 kali lipat pada luas butir rata-rata. Gambar 5 menunjukkan bagaimana mikrostruktur daerah yang dilebur laser berubah dengan jumlah siklus peleburan ulang (lintasan) berikutnya.
Subplot (a,d,g,j) dan (b,e,h,k) – mikrostruktur daerah yang dilebur laser, subplot (c,f,i,l) – distribusi area butiran berwarna. Arsir 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 1, 3 dan 5 kali peleburan ulang.
Karena energi pulsa laser tidak berubah antara lintasan berikutnya, kedalaman zona leleh tetap sama. Dengan demikian, saluran berikutnya sepenuhnya "menutupi" saluran sebelumnya. Namun, histogram menunjukkan bahwa luas butiran rata-rata dan median menurun seiring dengan peningkatan jumlah lintasan. Hal ini mungkin menunjukkan bahwa laser bekerja pada substrat dan bukan pada lelehan.
Penyempurnaan butiran dapat disebabkan oleh pendinginan cepat dari kolam lelehan65. Serangkaian percobaan lain dilakukan di mana permukaan pelat baja tahan karat (321H dan 316L) dipaparkan pada radiasi laser gelombang kontinu di atmosfer (Gambar 6) dan vakum (Gambar 7). Daya laser rata-rata (masing-masing 300 W dan 100 W) dan kedalaman kolam lelehan mendekati hasil percobaan laser Nd:YAG dalam mode bebas. Namun, struktur kolumnar yang khas diamati.
Mikrostruktur daerah yang dilebur laser dari laser gelombang kontinu (daya konstan 300 W, kecepatan pemindaian 200 mm/s, baja tahan karat AISI 321H).
(a) Mikrostruktur dan (b) citra difraksi hamburan balik elektron dari daerah yang dilebur laser dalam vakum dengan laser gelombang kontinu (daya konstan 100 W, kecepatan pemindaian 200 mm/s, baja tahan karat AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Oleh karena itu, jelas terlihat bahwa modulasi kompleks intensitas pulsa laser memiliki efek signifikan pada mikrostruktur yang dihasilkan. Kami percaya bahwa efek ini bersifat mekanis dan terjadi karena pembangkitan getaran ultrasonik yang merambat dari permukaan lelehan yang disinari jauh ke dalam sampel. Hasil serupa diperoleh pada 13, 26, 34, 66, 67 menggunakan transduser piezoelektrik eksternal dan sonotrode yang menyediakan ultrasonik intensitas tinggi pada berbagai material termasuk paduan Ti-6Al-4V 26 dan baja tahan karat 34. Mekanisme yang mungkin terjadi diperkirakan sebagai berikut. Ultrasonik intensitas tinggi dapat menyebabkan kavitasi akustik, seperti yang ditunjukkan dalam pencitraan sinar-X sinkrotron in situ ultra cepat. Keruntuhan 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 butir kolumnar yang khas. dari manufaktur aditif lapis demi lapis.
Di sini, kami mengusulkan mekanisme lain yang bertanggung jawab atas modifikasi struktural oleh sonikasi intensif. Segera setelah pembekuan, material berada pada suhu tinggi yang mendekati titik leleh dan memiliki tegangan luluh yang sangat rendah. Gelombang ultrasonik intensif dapat menyebabkan aliran plastis untuk mengubah struktur butir material panas yang baru saja membeku. Namun, data eksperimental yang andal tentang ketergantungan suhu 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 antaratom, kami menggunakan Embedded Atomic Model (EAM) dari 74. Simulasi MD dilakukan menggunakan kode LAMMPS 75,76. Detail simulasi MD akan dipublikasikan. di tempat lain. Hasil perhitungan MD tegangan luluh sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar 8 bersama dengan data eksperimental yang tersedia dan evaluasi lainnya77,78,79,80,81,82.
Tegangan luluh untuk baja tahan karat austenitik AISI kelas 316 dan komposisi model versus suhu untuk simulasi MD. Pengukuran eksperimental dari referensi: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (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 penelitian ini dilambangkan sebagai \(\vartriangleleft\) untuk kristal tunggal tak terbatas 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 \(T>1500~\text {K}\) tegangan luluh turun di bawah \(40~\text {MPa}\). Di sisi lain, perkiraan memprediksi bahwa amplitudo ultrasonik yang dihasilkan laser melebihi \(40~\text {MPa}\) (lihat Gambar 4b), yang cukup untuk menginduksi aliran plastis pada material panas yang baru saja membeku.
Pembentukan mikrostruktur baja tahan karat austenitik 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) selama SLM diselidiki secara eksperimental menggunakan sumber laser berdenyut termodulasi intensitas yang kompleks.
Pengurangan ukuran butir di zona peleburan laser ditemukan karena peleburan ulang laser terus menerus setelah 1, 3 atau 5 kali lintasan.
Pemodelan makroskopis menunjukkan bahwa perkiraan ukuran wilayah di mana deformasi ultrasonik dapat secara positif mempengaruhi front pembekuan adalah hingga \(1~\text {mm}\).
Model MD mikroskopis menunjukkan bahwa kekuatan luluh baja tahan karat austenitik AISI 316 berkurang secara signifikan menjadi \(40~\text {MPa}\) di dekat titik leleh.
Hasil yang diperoleh menunjukkan suatu metode untuk mengontrol struktur mikro material menggunakan pemrosesan laser termodulasi kompleks dan dapat berfungsi sebagai dasar untuk menciptakan modifikasi baru dari teknik SLM berdenyut.
Liu, Y. et al. 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 daktilitas melalui pemanasan ulang laser pada paduan titanium yang dilebur 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, mikrostruktur, dan sifat mekanik. J. Alloys.compound. 804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. dkk. Pemodelan mikrostruktur deposisi energi terarah serbuk logam laser pada Paduan 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Studi Pencitraan Tepi Bragg Neutron Parametrik pada Sampel yang Diproduksi Secara Aditif dan 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).