Grazie per aver visitato Nature.com. La versione del browser che stai utilizzando ha un supporto limitato per i CSS. Per un'esperienza ottimale, ti consigliamo di utilizzare un browser aggiornato (o di disattivare la modalità di compatibilità in Internet Explorer). Nel frattempo, per garantire il supporto continuo, visualizzeremo il sito senza stili e JavaScript.
Viene proposto un nuovo meccanismo basato sulla fusione laser selettiva per controllare la microstruttura dei prodotti durante il processo di fabbricazione. Il meccanismo si basa sulla generazione di onde ultrasoniche ad alta intensità nel bagno di fusione mediante irradiazione laser a intensità modulata complessa. Studi sperimentali e simulazioni numeriche dimostrano che questo meccanismo di controllo è tecnicamente fattibile e può essere efficacemente integrato nella progettazione delle moderne macchine per la fusione laser selettiva.
La produzione additiva (AM) di componenti di forma complessa è cresciuta significativamente negli ultimi decenni. Tuttavia, nonostante la varietà di processi di produzione additiva, tra cui la fusione laser selettiva (SLM)1,2,3, la deposizione diretta di metallo tramite laser4,5,6, la fusione a fascio di elettroni7,8 e altri9,10, i componenti possono presentare difetti. Ciò è dovuto principalmente alle caratteristiche specifiche del processo di solidificazione del bagno fuso, associate ad elevati gradienti termici, elevate velocità di raffreddamento e alla complessità dei cicli di riscaldamento nella fusione e rifusione dei materiali11, che portano alla crescita epitassiale dei grani e a una significativa porosità12,13. I risultati mostrano che è necessario controllare i gradienti termici, le velocità di raffreddamento e la composizione della lega, oppure applicare ulteriori shock fisici attraverso campi esterni di varie proprietà (ad esempio, ultrasuoni) per ottenere strutture a grani equiassiali fini.
Numerose pubblicazioni riguardano l'effetto del trattamento vibratorio sul processo di solidificazione nei processi di fusione convenzionali14,15. Tuttavia, l'applicazione di un campo esterno a fusi massivi non produce la microstruttura del materiale desiderata. Se il volume della fase liquida è piccolo, la situazione cambia drasticamente. In questo caso, il campo esterno influenza significativamente il processo di solidificazione. Gli effetti elettromagnetici sono stati considerati durante campi acustici intensi16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitazione ad arco28 e oscillazione29, archi al plasma pulsati30,31 e altri metodi32. Fissare al substrato utilizzando una sorgente di ultrasuoni esterna ad alta intensità (a 20 kHz). L'affinamento del grano indotto dagli ultrasuoni è attribuito all'aumento della zona di sottoraffreddamento compositivo dovuto al gradiente di temperatura ridotto e al potenziamento degli ultrasuoni per generare nuovi cristalliti attraverso la cavitazione.
In questo lavoro, abbiamo studiato la possibilità di modificare la struttura granulare degli acciai inossidabili austenitici mediante sonicazione del bagno fuso con onde sonore generate dal laser di fusione stesso. La modulazione dell'intensità della radiazione laser incidente sul mezzo fotoassorbente genera onde ultrasoniche che modificano la microstruttura del materiale. Questa modulazione dell'intensità della radiazione laser può essere facilmente integrata nelle stampanti 3D SLM esistenti. Gli esperimenti in questo lavoro sono stati condotti su piastre di acciaio inossidabile le cui superfici sono state esposte a radiazione laser a intensità modulata. Quindi, tecnicamente, si esegue un trattamento superficiale laser. Tuttavia, se tale trattamento laser viene eseguito sulla superficie di ogni strato, durante la costruzione strato per strato, si ottengono effetti sull'intero volume o su parti selezionate del volume. In altre parole, se il pezzo viene costruito strato per strato, il trattamento superficiale laser di ogni strato è equivalente a un "trattamento volumetrico laser".
Mentre nella terapia a ultrasuoni basata su corni ultrasonici, l'energia ultrasonica dell'onda sonora stazionaria è distribuita in tutto il componente, mentre l'intensità ultrasonica indotta dal laser è altamente concentrata vicino al punto in cui la radiazione laser viene assorbita. L'utilizzo di un sonotrodo in una macchina per fusione a letto di polvere SLM è complicato perché la superficie superiore del letto di polvere esposta alla radiazione laser deve rimanere stazionaria. Inoltre, non vi è alcuna sollecitazione meccanica sulla superficie superiore del pezzo. Pertanto, la sollecitazione acustica è prossima allo zero e la velocità delle particelle ha un'ampiezza massima sull'intera superficie superiore del pezzo. La pressione sonora all'interno dell'intero bagno fuso non può superare lo 0,1% della pressione massima generata dalla testa di saldatura, perché la lunghezza d'onda delle onde ultrasoniche con una frequenza di 20 kHz nell'acciaio inossidabile è di circa 0,3 m e la profondità è solitamente inferiore a circa 0,3 mm. Pertanto, l'effetto degli ultrasuoni sulla cavitazione può essere minimo.
Va notato che l'uso della radiazione laser a intensità modulata nella deposizione diretta di metallo tramite laser è un'area di ricerca attiva35,36,37,38.
L'effetto termico della radiazione laser incidente sul mezzo è alla base di quasi tutte le tecniche laser 39, 40 per la lavorazione dei materiali, come il taglio41, la saldatura, l'indurimento, la foratura42, la pulizia superficiale, la lega superficiale, la lucidatura superficiale43, ecc. L'invenzione del laser ha stimolato nuovi sviluppi nelle tecniche di lavorazione dei materiali e i risultati preliminari sono stati riassunti in numerose rassegne e monografie44,45,46.
Va notato che qualsiasi azione non stazionaria sul mezzo, inclusa l'azione laser sul mezzo assorbente, provoca l'eccitazione di onde acustiche in esso con maggiore o minore efficienza. Inizialmente, l'attenzione principale era rivolta all'eccitazione laser di onde nei liquidi e ai vari meccanismi di eccitazione termica del suono (espansione termica, evaporazione, variazione di volume durante la transizione di fase, contrazione, ecc.) 47, 48, 49. Numerose monografie50, 51, 52 forniscono analisi teoriche di questo processo e delle sue possibili applicazioni pratiche.
Questi problemi sono stati successivamente discussi in varie conferenze e l'eccitazione laser degli ultrasuoni ha applicazioni sia nelle applicazioni industriali della tecnologia laser53 che in medicina54. Pertanto, si può ritenere che il concetto di base del processo mediante il quale la luce laser pulsata agisce su un mezzo assorbente sia stato stabilito. L'ispezione laser a ultrasuoni viene utilizzata per il rilevamento dei difetti nei campioni fabbricati con SLM55,56.
L'effetto delle onde d'urto generate dal laser sui materiali è alla base della pallinatura laser57,58,59, che viene utilizzata anche per il trattamento superficiale di parti prodotte mediante manifattura additiva60. Tuttavia, il rinforzo tramite urto laser è più efficace con impulsi laser a nanosecondi e superfici sottoposte a carico meccanico (ad esempio, con uno strato di liquido)59 perché il carico meccanico aumenta la pressione di picco.
Sono stati condotti esperimenti per studiare i possibili effetti di vari campi fisici sulla microstruttura dei materiali solidificati. Lo schema funzionale della configurazione sperimentale è mostrato in Figura 1. È stato utilizzato un laser a stato solido Nd:YAG pulsato operante in modalità a funzionamento libero (durata dell'impulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Ogni impulso laser passa attraverso una serie di filtri a densità neutra e un sistema di piastre divisorie del fascio. A seconda della combinazione di filtri a densità neutra, l'energia dell'impulso sul bersaglio varia da \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Il fascio laser riflesso dal divisore di fascio viene alimentato a un fotodiodo per l'acquisizione simultanea dei dati e vengono utilizzati due calorimetri (fotodiodi con un tempo di risposta lungo superiore a \(1~\text {ms}\)) per determinare l'incidenza e la riflessione dal bersaglio, e due misuratori di potenza (fotodiodi con risposta breve tempi (<10 ns) per determinare la potenza ottica incidente e riflessa. Calorimetri e misuratori di potenza sono stati calibrati per fornire valori in unità assolute utilizzando un rivelatore a termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 e uno specchio dielettrico montato nella posizione del campione. Focalizza il fascio sul bersaglio utilizzando una lente (rivestimento antiriflesso a 1,06 μm), lunghezza focale 160 mm) e un punto focale del fascio sulla superficie del bersaglio di 60-100 μm.
Schema funzionale dell'apparato sperimentale: 1—laser; 2—fascio laser; 3—filtro a densità neutra; 4—fotodiodo sincronizzato; 5—divisore di fascio; 6—diaframma; 7—calorimetro del fascio incidente; 8—calorimetro del fascio riflesso; 9—misuratore di potenza del fascio incidente; 10—misuratore di potenza del fascio riflesso; 11—lente di focalizzazione; 12—specchio; 13—campione; 14—trasduttore piezoelettrico a banda larga; 15—convertitore 2D; 16—microcontrollore di posizionamento; 17—unità di sincronizzazione; 18—sistema di acquisizione digitale multicanale con diverse frequenze di campionamento; 19—personal computer.
Il trattamento a ultrasuoni viene eseguito come segue. Il laser opera in modalità a funzionamento libero; pertanto la durata dell'impulso laser è \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), che consiste in più durate di circa \(1,5~\upmu \text {s } \) ciascuna. La forma temporale dell'impulso laser e il suo spettro sono costituiti da un inviluppo a bassa frequenza e da una modulazione ad alta frequenza, con una frequenza media di circa \(0,7~\text {MHz}\), come mostrato in Figura 2. L'inviluppo di frequenza fornisce il riscaldamento e la successiva fusione ed evaporazione del materiale, mentre la componente ad alta frequenza fornisce le vibrazioni ultrasoniche dovute all'effetto fotoacustico. La forma d'onda dell'impulso ultrasonico generato dal laser è determinata principalmente dalla forma temporale dell'intensità dell'impulso laser. Va da \(7~\text {kHz}\) a \ (2~\text {MHz}\), e la frequenza centrale è \(~ 0,7~\text {MHz}\).Gli impulsi acustici dovuti all'effetto fotoacustico sono stati registrati utilizzando trasduttori piezoelettrici a banda larga realizzati con film di fluoruro di polivinilidene.La forma d'onda registrata e il suo spettro sono mostrati nella Figura 2.Va notato che la forma degli impulsi laser è tipica di un laser in modalità a funzionamento libero.
Distribuzione temporale dell'intensità dell'impulso laser (a) e della velocità del suono sulla superficie posteriore del campione (b), spettri dell'impulso laser (c) e dell'impulso ultrasonico (d) mediati su 300 impulsi laser (curva rossa) per un singolo impulso laser (curva blu).
Possiamo distinguere chiaramente le componenti a bassa e alta frequenza del trattamento acustico corrispondenti rispettivamente all'inviluppo a bassa frequenza dell'impulso laser e alla modulazione ad alta frequenza. Le lunghezze d'onda delle onde acustiche generate dall'inviluppo dell'impulso laser superano \(40~\text {cm}\); pertanto, ci si aspetta che l'effetto principale sulla microstruttura sia dovuto alle componenti ad alta frequenza a banda larga del segnale acustico.
I processi fisici nella SLM sono complessi e avvengono simultaneamente su diverse scale spaziali e temporali. Pertanto, i metodi multiscala sono i più adatti per l'analisi teorica della SLM. I modelli matematici dovrebbero inizialmente essere multifisici. La meccanica e la termofisica di un mezzo multifase "fuso solido-liquido" che interagisce con un'atmosfera di gas inerte possono quindi essere descritte efficacemente. Le caratteristiche dei carichi termici del materiale nella SLM sono le seguenti.
Velocità di riscaldamento e raffreddamento fino a \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ dovute all'irradiazione laser localizzata con densità di potenza fino a \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Il ciclo di fusione-solidificazione dura tra 1 e \(10~\text {ms}\), il che contribuisce alla rapida solidificazione della zona di fusione durante il raffreddamento.
Il rapido riscaldamento della superficie del campione determina la formazione di elevate tensioni termoelastiche nello strato superficiale. Una porzione sufficiente (fino al 20%) dello strato di polvere evapora fortemente63, il che si traduce in un carico di pressione aggiuntivo sulla superficie in risposta all'ablazione laser. Di conseguenza, la deformazione indotta distorce significativamente la geometria del pezzo, soprattutto in prossimità di supporti ed elementi strutturali sottili. L'elevata velocità di riscaldamento nella ricottura laser pulsata determina la generazione di onde di deformazione ultrasoniche che si propagano dalla superficie al substrato. Al fine di ottenere dati quantitativi accurati sulla distribuzione locale di stress e deformazione, viene eseguita una simulazione mesoscopica del problema di deformazione elastica coniugata al trasferimento di calore e massa.
Le equazioni che governano il modello includono (1) equazioni di trasferimento di calore non stazionario in cui la conduttività termica dipende dallo stato di fase (polvere, fuso, policristallino) e dalla temperatura, (2) fluttuazioni nella deformazione elastica dopo l'ablazione del continuo ed equazione di espansione termoelastica. Il problema ai valori al contorno è determinato dalle condizioni sperimentali. Il flusso laser modulato è definito sulla superficie del campione. Il raffreddamento convettivo include lo scambio di calore conduttivo e il flusso evaporativo. Il flusso di massa è definito in base al calcolo della pressione di vapore saturo del materiale evaporante. Viene utilizzata la relazione sforzo-deformazione elastoplastica in cui lo sforzo termoelastico è proporzionale alla differenza di temperatura. Per potenza nominale \(300~\text {W}\), frequenza \(10^5~\text {Hz}\), coefficiente intermittente 100 e \(200~\upmu \text {m}\ ) del diametro effettivo del fascio.
La Figura 3 mostra i risultati della simulazione numerica della zona fusa utilizzando un modello matematico macroscopico. Il diametro della zona di fusione è di 200 μm (raggio di 100 μm) e la profondità è di 40 μm. I risultati della simulazione mostrano che la temperatura superficiale varia localmente nel tempo di 100 K a causa dell'elevato fattore di intermittenza della modulazione a impulsi. I tassi di riscaldamento Vh e raffreddamento Vc sono rispettivamente dell'ordine di 10⁷ e 10⁶ K/s. Questi valori sono in buon accordo con la nostra precedente analisi⁶⁴. Una differenza di un ordine di grandezza tra Vh e Vc provoca un rapido surriscaldamento dello strato superficiale, dove la conduzione termica al substrato è insufficiente per rimuovere il calore. Pertanto, a \(t=26~\upmu \text {s}\) la temperatura superficiale raggiunge picchi fino a \(4800~\text {K}\). La vigorosa evaporazione del materiale può causare una pressione eccessiva sulla superficie del campione e il suo distacco.
Risultati della simulazione numerica della zona di fusione durante la ricottura con un singolo impulso laser su una piastra campione in acciaio inox 316L. Il tempo dall'inizio dell'impulso al raggiungimento del valore massimo della profondità del bagno fuso è di 180 μs. L'isoterma (T = T_L = 1723 K) rappresenta il confine tra le fasi liquida e solida. Le isobare (linee gialle) corrispondono alla tensione di snervamento calcolata in funzione della temperatura nella sezione successiva. Pertanto, nel dominio compreso tra le due isolinee (isoterme (T = T_L) e isobare (σ = σ_V(T))), la fase solida è soggetta a forti carichi meccanici, che possono portare a cambiamenti nella microstruttura.
Questo effetto è ulteriormente spiegato nella Figura 4a, dove il livello di pressione nella zona fusa è rappresentato in funzione del tempo e della distanza dalla superficie. In primo luogo, il comportamento della pressione è correlato alla modulazione dell'intensità dell'impulso laser descritta nella Figura 2 sopra. Una pressione massima \text{s}\) di circa \(10~\text {MPa}\) è stata osservata a circa \(t=26~\upmu). In secondo luogo, la fluttuazione della pressione locale nel punto di controllo ha le stesse caratteristiche di oscillazione della frequenza di \(500~\text {kHz}\). Ciò significa che le onde di pressione ultrasoniche vengono generate sulla superficie e quindi si propagano nel substrato.
Le caratteristiche calcolate della zona di deformazione vicino alla zona di fusione sono mostrate in Fig. 4b. L'ablazione laser e lo stress termoelastico generano onde di deformazione elastica che si propagano nel substrato. Come si può vedere dalla figura, ci sono due fasi di generazione dello stress. Durante la prima fase di \(t < 40~\upmu \text {s}\), lo stress di von Mises aumenta fino a \(8~\text {MPa}\) con una modulazione simile alla pressione superficiale. Questo stress si verifica a causa dell'ablazione laser e non è stato osservato alcuno stress termoelastico nei punti di controllo perché la zona termicamente alterata iniziale era troppo piccola. Quando il calore viene dissipato nel substrato, il punto di controllo genera un elevato stress termoelastico superiore a \(40~\text {MPa}\).
I livelli di stress modulati ottenuti hanno un impatto significativo sull'interfaccia solido-liquido e possono essere il meccanismo di controllo che governa il percorso di solidificazione. La dimensione della zona di deformazione è da 2 a 3 volte maggiore di quella della zona di fusione. Come mostrato in Figura 3, vengono confrontate la posizione dell'isoterma di fusione e il livello di stress pari alla tensione di snervamento. Ciò significa che l'irradiazione laser pulsata fornisce elevati carichi meccanici in aree localizzate con un diametro effettivo compreso tra 300 e \(800~\upmu \text {m}\) a seconda del tempo istantaneo.
Pertanto, la complessa modulazione della ricottura laser pulsata porta all'effetto ultrasonico. Il percorso di selezione della microstruttura è diverso rispetto all'SLM senza carico ultrasonico. Le regioni instabili deformate portano a cicli periodici di compressione e stiramento nella fase solida. In questo modo, diventa possibile la formazione di nuovi bordi di grano e bordi di sottograno. Pertanto, le proprietà microstrutturali possono essere modificate intenzionalmente, come mostrato di seguito. Le conclusioni ottenute offrono la possibilità di progettare un prototipo di SLM azionato da ultrasuoni indotti da modulazione di impulsi. In questo caso, l'induttore piezoelettrico 26 utilizzato altrove può essere escluso.
(a) Pressione in funzione del tempo, calcolata a diverse distanze dalla superficie 0, 20 e \(40~\upmu \text {m}\) lungo l'asse di simmetria. (b) Tensione di Von Mises dipendente dal tempo calcolata in una matrice solida a distanze 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) dalla superficie del campione.
Sono stati condotti esperimenti su piastre di acciaio inossidabile AISI 321H con dimensioni di \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Dopo ogni impulso laser, la piastra si sposta di \(50~\upmu \text {m}\), e il punto focale del fascio laser sulla superficie del bersaglio è di circa \(100~\upmu \text {m}\). Vengono eseguiti fino a cinque passaggi successivi del fascio lungo lo stesso percorso per indurre la rifusione del materiale lavorato per l'affinamento del grano. In tutti i casi, la zona rifusa è stata sonicata, a seconda della componente oscillante della radiazione laser. Ciò si traduce in una riduzione di oltre 5 volte dell'area media del grano. La Figura 5 mostra come la microstruttura della regione fusa dal laser cambia con il numero di cicli di rifusione (passaggi) successivi.
I sottografi (a,d,g,j) e (b,e,h,k) rappresentano la microstruttura delle regioni fuse al laser; i sottografi (c,f,i,l) rappresentano la distribuzione dell'area dei grani colorati. L'ombreggiatura rappresenta le particelle utilizzate per calcolare l'istogramma. I colori corrispondono alle regioni dei grani (vedere la barra dei colori nella parte superiore dell'istogramma). I sottografi (ac) corrispondono all'acciaio inossidabile non trattato, mentre i sottografi (df), (gi), (jl) corrispondono a 1, 3 e 5 rifusioni.
Poiché l'energia dell'impulso laser non cambia tra passaggi successivi, la profondità della zona fusa rimane la stessa. Pertanto, il canale successivo "copre" completamente quello precedente. Tuttavia, l'istogramma mostra che l'area media e mediana dei grani diminuisce con l'aumentare del numero di passaggi. Ciò potrebbe indicare che il laser agisce sul substrato piuttosto che sul fuso.
L'affinamento del grano può essere causato dal rapido raffreddamento del bagno fuso65. Un altro set di esperimenti è stato condotto in cui le superfici di piastre di acciaio inossidabile (321H e 316L) sono state esposte a radiazione laser a onda continua in atmosfera (Fig. 6) e sotto vuoto (Fig. 7). La potenza media del laser (300 W e 100 W, rispettivamente) e la profondità del bagno fuso sono vicine ai risultati sperimentali del laser Nd:YAG in modalità a funzionamento libero. Tuttavia, è stata osservata una tipica struttura colonnare.
Microstruttura della regione fusa dal laser mediante un laser a onda continua (potenza costante di 300 W, velocità di scansione di 200 mm/s, acciaio inossidabile AISI 321H).
(a) Microstruttura e (b) immagini di diffrazione di elettroni retrodiffusi della regione fusa al laser sotto vuoto con un laser a onda continua (potenza costante di 100 W, velocità di scansione di 200 mm/s, acciaio inossidabile AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Pertanto, è chiaramente dimostrato che la complessa modulazione dell'intensità dell'impulso laser ha un effetto significativo sulla microstruttura risultante. Riteniamo che questo effetto sia di natura meccanica e si verifichi a causa della generazione di vibrazioni ultrasoniche che si propagano dalla superficie irradiata del fuso in profondità nel campione. Risultati simili sono stati ottenuti in 13, 26, 34, 66, 67 utilizzando trasduttori piezoelettrici esterni e sonotrodi che forniscono ultrasuoni ad alta intensità in vari materiali tra cui la lega Ti-6Al-4V 26 e l'acciaio inossidabile 34. Il possibile meccanismo è ipotizzato come segue. Gli ultrasuoni intensi possono causare cavitazione acustica, come dimostrato nell'imaging a raggi X di sincrotrone in situ ultraveloce. Il collasso delle bolle di cavitazione a sua volta genera onde d'urto nel materiale fuso, la cui pressione frontale raggiunge circa \(100~\text {MPa}\)69. Tali onde d'urto possono essere abbastanza forti da promuovere la formazione di nuclei di fase solida di dimensioni critiche nei liquidi di massa, interrompendo la tipica struttura a grani colonnari di strato per strato produzione additiva.
Qui proponiamo un altro meccanismo responsabile della modifica strutturale mediante sonicazione intensa. Subito dopo la solidificazione, il materiale si trova ad un'alta temperatura vicina al punto di fusione e ha una tensione di snervamento estremamente bassa. Le onde ultrasoniche intense possono causare un flusso plastico che altera la struttura dei grani del materiale caldo appena solidificato. Tuttavia, sono disponibili dati sperimentali affidabili sulla dipendenza dalla temperatura della tensione di snervamento a \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (vedere Figura 8). Pertanto, per testare questa ipotesi, abbiamo eseguito simulazioni di dinamica molecolare (MD) di una composizione Fe-Cr-Ni simile all'acciaio AISI 316 L al fine di valutare il comportamento della tensione di snervamento vicino al punto di fusione. Per calcolare la tensione di snervamento, abbiamo utilizzato la tecnica di rilassamento della tensione di taglio MD dettagliata in 70, 71, 72, 73. Per i calcoli dell'interazione interatomica, abbiamo utilizzato l'Embedded Atomic Model (EAM) da 74. Le simulazioni MD sono state eseguite utilizzando i codici LAMMPS 75,76. Dettagli di Le simulazioni MD saranno pubblicate altrove. I risultati del calcolo MD della tensione di snervamento in funzione della temperatura sono mostrati in Fig. 8 insieme ai dati sperimentali disponibili e ad altre valutazioni77,78,79,80,81,82.
Tensione di snervamento per acciaio inossidabile austenitico AISI grado 316 e composizione del modello in funzione della temperatura per simulazioni MD. Misurazioni sperimentali dai riferimenti: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Fare riferimento a. (f)82 è un modello empirico della dipendenza della tensione di snervamento dalla temperatura per la misurazione della tensione in linea durante la produzione additiva assistita da laser. I risultati delle simulazioni MD su larga scala in questo studio sono indicati come \(\vartriangleleft\) per un monocristallo infinito privo di difetti e \(\vartriangleright\) per grani finiti tenendo conto della dimensione media del grano tramite la relazione di Hall-Petch Dimensioni\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Si può notare che a \(T>1500~\text {K}\) la tensione di snervamento scende al di sotto di \(40~\text {MPa}\). D'altra parte, le stime prevedono che l'ampiezza ultrasonica generata dal laser superi \(40~\text {MPa}\) (vedi Fig. 4b), il che è sufficiente a indurre un flusso plastico nel materiale caldo appena solidificato.
La formazione della microstruttura dell'acciaio inossidabile austenitico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante il processo SLM è stata studiata sperimentalmente utilizzando una sorgente laser pulsata a intensità modulata complessa.
È stata riscontrata una riduzione della dimensione dei grani nella zona di fusione laser a seguito della rifusione laser continua dopo 1, 3 o 5 passaggi.
La modellazione macroscopica mostra che la dimensione stimata della regione in cui la deformazione ultrasonica può influenzare positivamente il fronte di solidificazione è fino a \(1~\text {mm}\).
Il modello MD microscopico mostra che la resistenza allo snervamento dell'acciaio inossidabile austenitico AISI 316 si riduce significativamente a \(40~\text {MPa}\) vicino al punto di fusione.
I risultati ottenuti suggeriscono un metodo per controllare la microstruttura dei materiali utilizzando una complessa elaborazione laser modulata e potrebbero servire come base per la creazione di nuove modifiche della tecnica SLM pulsata.
Liu, Y. et al. Evoluzione microstrutturale e proprietà meccaniche di compositi TiB2/AlSi10Mg in situ mediante fusione selettiva laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Ingegneria del bordo di grano di ricristallizzazione della fusione selettiva laser dell'acciaio inossidabile 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Sviluppo in situ di microstrutture a sandwich con duttilità migliorata mediante riscaldamento laser di leghe di titanio fuse al laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al.Produzione additiva di componenti in Ti-6Al-4V mediante deposizione laser di metallo (LMD): processo, microstruttura e proprietà meccaniche.J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al.Modellazione microstrutturale della deposizione di energia diretta di polvere metallica laser della lega 718.Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Studio di imaging parametrico del bordo di Bragg neutronico di campioni fabbricati con tecniche di produzione additiva e trattati con pallinatura laser. science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Microstruttura a gradiente e proprietà meccaniche del Ti-6Al-4V fabbricato mediante fusione a fascio di elettroni. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).