תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא עיצוב ו-JavaScript.
מוצע מנגנון חדש המבוסס על התכת לייזר סלקטיבית לשליטה במיקרו-מבנה של מוצרים בתהליך הייצור. המנגנון מסתמך על יצירת גלי קול בעוצמה גבוהה בבריכת המותך על ידי הקרנת לייזר מורכבת בעלת עוצמה מווסתת. מחקרים ניסויים וסימולציות מספריות מראים כי מנגנון בקרה זה בר ביצוע מבחינה טכנית וניתן לשלבו ביעילות בתכנון של מכונות התכת לייזר סלקטיביות מודרניות.
ייצור תוסף (AM) של חלקים בעלי צורות מורכבות גדל משמעותית בעשורים האחרונים. עם זאת, למרות מגוון תהליכי הייצור התוסף, כולל התכה סלקטיבית בלייזר (SLM)1,2,3, שיקוע מתכת בלייזר ישיר4,5,6, התכת קרן אלקטרונים7,8 ואחרים9,10, החלקים עשויים להיות פגומים. זאת בעיקר בשל המאפיינים הספציפיים של תהליך התמצקות מאגר המותך הקשורים לגרדיאנטים תרמיים גבוהים, קצבי קירור גבוהים ומורכבות מחזורי החימום בחומרים להיתוך ולהתכה מחדש11, המובילים לצמיחת גרגירים אפיטקסיאליים ולנקבוביות משמעותית12,13. התוצאות מראות כי יש צורך לשלוט בגרדיאנטים תרמיים, קצבי קירור ובהרכב הסגסוגת, או להפעיל זעזועים פיזיים נוספים דרך שדות חיצוניים בעלי תכונות שונות (למשל, אולטרסאונד) כדי להשיג מבני גרגירים שווים עדינים.
פרסומים רבים עוסקים בהשפעת טיפול ברטט על תהליך ההתמצקות בתהליכי יציקה קונבנציונליים14,15. עם זאת, הפעלת שדה חיצוני על חומרים מותכים בתפזורת אינה מייצרת את המיקרו-מבנה הרצוי של החומר. אם נפח הפאזה הנוזלית קטן, המצב משתנה באופן דרמטי. במקרה זה, השדה החיצוני משפיע באופן משמעותי על תהליך ההתמצקות. השפעות אלקטרומגנטיות נשקלו במהלך שדות אקוסטיים עזים16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, ערבוב קשת28 ותנודה29, קשתות פלזמה פעימות30,31 ושיטות אחרות32. חיבור למצע באמצעות מקור אולטרסאונד חיצוני בעוצמה גבוהה (ב-20 קילוהרץ). עידון הגרעינים המושרה על ידי אולטרסאונד מיוחס לאזור קירור משנה מוגבר עקב הפחתת גרדיאנט הטמפרטורה ושיפור האולטרסאונד ליצירת גבישים חדשים באמצעות קוויטציה.
בעבודה זו, חקרנו את האפשרות לשנות את מבנה הגרעינים של פלדות אל חלד אוסטניטיות על ידי עיבוד קולי של הבריכה המותכת באמצעות גלי קול שנוצרו על ידי הלייזר המותך עצמו. אפנון עוצמת קרינת הלייזר הפוגעת במדיום סופג האור גורם ליצירת גלי קול, אשר משנים את המיקרו-מבנה של החומר. אפנון עוצמה זה של קרינת הלייזר ניתן לשילוב בקלות במדפסות תלת-ממד SLM קיימות. הניסויים בעבודה זו בוצעו על לוחות פלדת אל-חלד שפני השטח שלהם נחשפו לקרינת לייזר מווסתת עוצמה. לכן, מבחינה טכנית, מתבצע טיפול פני שטח בלייזר. עם זאת, אם טיפול לייזר כזה מבוצע על פני השטח של כל שכבה, במהלך בנייה שכבה אחר שכבה, מושגות השפעות על כל הנפח או על חלקים נבחרים של הנפח. במילים אחרות, אם החלק בנוי שכבה אחר שכבה, טיפול פני השטח בלייזר של כל שכבה שווה ערך ל"טיפול נפח לייזר".
בעוד שבטיפול אולטרסאונד מבוסס קרן אולטרסאונד, אנרגיית האולטרסאונד של גל הקול העומד מתפזרת בכל הרכיב, בעוד שעוצמת האולטרסאונד המושרה על ידי לייזר מרוכזת מאוד ליד הנקודה שבה נספגת קרינת הלייזר. שימוש בסונוטרודה במכונת היתוך אבקת SLM הוא מסובך מכיוון שהמשטח העליון של משטח האבקה החשוף לקרינת הלייזר צריך להישאר נייח. בנוסף, אין לחץ מכני על המשטח העליון של החלק. לכן, הלחץ האקוסטי קרוב לאפס ומהירות החלקיקים בעלת משרעת מקסימלית על פני כל המשטח העליון של החלק. לחץ הקול בתוך כל בריכת ההיתוך אינו יכול לעלות על 0.1% מהלחץ המקסימלי שנוצר על ידי ראש הריתוך, מכיוון שאורך הגל של גלי אולטרסאונד בתדר של 20 קילוהרץ בפלדת אל-חלד הוא 0.3~ מטר, והעומק בדרך כלל קטן מ-0.3~ מ"מ. לכן, השפעת האולטרסאונד על קוויטציה עשויה להיות קטנה.
יש לציין כי השימוש בקרינת לייזר מווסתת עוצמה בשיקוע מתכת בלייזר ישיר הוא תחום מחקר פעיל35,36,37,38.
ההשפעה התרמית של קרינת לייזר הפוגעת בתווך היא הבסיס כמעט לכל טכניקות הלייזר 39, 40 לעיבוד חומרים, כגון חיתוך 41, ריתוך, הקשייה, קידוח 42, ניקוי משטחים, סגסוגת משטחים, ליטוש משטחים 43 וכו'. המצאת הלייזר עוררה פיתוחים חדשים בטכניקות עיבוד חומרים, ותוצאות ראשוניות סוכמו בסקירות ובמונוגרפיות רבות 44,45,46.
יש לציין כי כל פעולה לא סטציונרית על התווך, כולל פעולת לייזר על התווך הסופג, גורמת לעירור גלים אקוסטיים בו ביעילות רבה יותר או פחות. בתחילה, המוקד העיקרי היה על עירור גלים בלייזר בנוזלים ומנגנוני העירור התרמי השונים של צליל (התפשטות תרמית, אידוי, שינוי נפח במהלך מעבר פאזה, התכווצות וכו') 47, 48, 49. מונוגרפיות רבות 50, 51, 52 מספקות ניתוחים תיאורטיים של תהליך זה ויישומיו המעשיים האפשריים.
נושאים אלה נדונו לאחר מכן בכנסים שונים, ולעירור לייזר של אולטרסאונד יש יישומים הן ביישומים תעשייתיים של טכנולוגיית לייזר53 והן ברפואה54. לכן, ניתן להסיק כי הרעיון הבסיסי של התהליך שבו אור לייזר פועם פועל על תווך סופג נקבע. בדיקת אולטרסאונד בלייזר משמשת לגילוי פגמים בדגימות המיוצרות על ידי SLM55,56.
השפעת גלי הלם הנוצרים בלייזר על חומרים היא הבסיס להלחמת הלם בלייזר57,58,59, המשמשת גם לטיפול פני השטח של חלקים המיוצרים באופן אדיטיבי60. עם זאת, חיזוק הלם בלייזר יעיל ביותר על פולסי לייזר של ננו-שנייה ומשטחים עמוסים מכנית (למשל, עם שכבת נוזל)59 מכיוון שעומס מכני מגביר את לחץ השיא.
נערכו ניסויים כדי לחקור את ההשפעות האפשריות של שדות פיזיקליים שונים על המיקרו-מבנה של חומרים מוצקים. הדיאגרמה הפונקציונלית של מערך הניסוי מוצגת באיור 1. נעשה שימוש בלייזר מצב מוצק Nd:YAG פעמו הפועל במצב ריצה חופשית (משך הפעימה 150~s). כל פעימת לייזר מועברת דרך סדרה של מסנני צפיפות ניטרלית ומערכת לוחות מפצל קרן. בהתאם לשילוב של מסנני צפיפות ניטרלית, אנרגיית הפעימה על המטרה משתנה מ-E_L 20~mJ ל-E_L 100~mJ. קרן הלייזר המוחזרת ממפצל הקרן מוזנת לפוטודיודה לאיסוף נתונים בו זמנית, ושני קלורימטרים (פוטודיודות עם זמן תגובה ארוך העולה על 1ms) משמשים לקביעת הפגיעה במטרה והמוחזרת ממנה, ושני מדי הספק (פוטודיודות עם תגובה קצרה). כפול (<10~\text {ns}\)) כדי לקבוע את ההספק האופטי הפוגע והמוחזר. קלורימטרים ומד הספק כוילו כדי לתת ערכים ביחידות מוחלטות באמצעות גלאי תרמופיל Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ומראה דיאלקטרית המותקנת במיקום הדגימה. מיקוד הקרן על המטרה באמצעות עדשה (ציפוי נגד השתקפות ב-\(1.06 \upmu \text {m}\), אורך מוקד \(160~\text {mm}\)) ומותן קרן על פני המטרה 60–\(100~\upmu \text {m}\).
תרשים סכמטי פונקציונלי של מערך הניסוי: 1 - לייזר; 2 - קרן לייזר; 3 - מסנן צפיפות ניטרלי; 4 - פוטודיודה מסונכרנת; 5 - מפצל קרן; 6 - דיאפרגמה; 7 - קלורימטר של קרן הפוגעת; 8 - קלורימטר של קרן מוחזרת; 9 - מד הספק קרן הפוגעת; 10 - מד הספק קרן מוחזרת; 11 - עדשת מיקוד; 12 - מראה; 13 - דגימה; 14 - מתמר פיאזואלקטרי רחב פס; 15 - ממיר דו-ממדי; 16 - מיקרו-בקר מיקום; 17 - יחידת סנכרון; 18 - מערכת רכישה דיגיטלית רב-ערוצית עם קצבי דגימה שונים; 19 - מחשב אישי.
טיפול אולטרסאונד מתבצע באופן הבא. הלייזר פועל במצב ריצה חופשית; לכן משך פעימת הלייזר הוא 150~ שניות, המורכב ממשכי זמן מרובים של כ-1.5~ שניות כל אחד. הצורה הזמנית של פעימת הלייזר והספקטרום שלו מורכבים ממעטפת בתדר נמוך ומאפנון בתדר גבוה, עם תדר ממוצע של כ-0.7~ מגה-הרץ, כפי שמוצג באיור 2. מעטפת התדר מספקת את החימום ולאחר מכן את ההיתוך והאידוי של החומר, בעוד שרכיב התדר הגבוה מספק את התנודות האולטרסאונד עקב האפקט הפוטו-אקוסטי. צורת הגל של פעימת האולטרסאונד שנוצרת על ידי הלייזר נקבעת בעיקר על ידי צורת הזמן של עוצמת פעימת הלייזר. זה נע בין \(7~\text {kHz}\) ל \(2~\text {MHz}\), ותדר המרכז הוא \(~ 0.7~\text {MHz}\). פולסים אקוסטיים עקב האפקט הפוטו-אקוסטי נרשמו באמצעות מתמרים פיאזואלקטריים רחבי פס העשויים מסרטי פוליווינילידן פלואוריד. צורת הגל המוקלטת והספקטרום שלה מוצגים באיור 2. יש לציין כי צורת פולסי הלייזר אופיינית ללייזר במצב תנועה חופשית.
התפלגות זמנית של עוצמת פולס הלייזר (א) ומהירות הקול במשטח האחורי של הדגימה (ב), ספקטרום של פולס לייזר (ג) ופולס אולטרסאונד (ד) בממוצע מעל 300 פולסי לייזר (עקומה אדומה) עבור פולס לייזר יחיד (עקומה כחולה).
אנו יכולים להבחין בבירור בין רכיבי התדר הנמוך והתדר הגבוה של הטיפול האקוסטי, התואמים למעטפת התדר הנמוך של פעימת הלייזר ולמודולציה בתדר הגבוה, בהתאמה. אורכי הגל של הגלים האקוסטיים הנוצרים על ידי מעטפת פעימת הלייזר עולים על \(40~\text {cm}\); לכן, ההשפעה העיקרית של רכיבי התדר הגבוה פס רחב של האות האקוסטי על המיקרו-מבנה צפויה.
התהליכים הפיזיקליים ב-SLM הם מורכבים ומתרחשים בו זמנית בקני מידה מרחביים וזמניים שונים. לכן, שיטות רב-ממדיות מתאימות ביותר לניתוח תיאורטי של SLM. מודלים מתמטיים צריכים להיות בתחילה רב-פיזיקליים. לאחר מכן ניתן לתאר ביעילות את המכניקה והתרמופיזיקה של תווך רב-פאזי "התכה מוצקה-נוזלית" המקיים אינטראקציה עם אטמוספירת גז אינרטי. המאפיינים של עומסים תרמיים של חומרים ב-SLM הם כדלקמן.
קצב חימום וקירור של עד 10⁶⁶ קלווין/שניות / שניות עקב קרינת לייזר מקומית עם צפיפות הספק של עד 10⁶⁶ וואט לסמ"ר.
מחזור ההיתוך-התמצקות נמשך בין 1 ל-10 אלפיות השנייה, דבר התורם להתמצקות מהירה של אזור ההיתוך במהלך הקירור.
חימום מהיר של פני השטח של הדגימה גורם להיווצרות מאמצים תרמו-אלסטיים גבוהים בשכבת פני השטח. חלק מספיק (עד 20%) משכבת ​​האבקה מתאדה בחוזקה63, מה שמביא לעומס לחץ נוסף על פני השטח בתגובה לאבלציה בלייזר. כתוצאה מכך, המאמץ המושרה מעוות באופן משמעותי את גיאומטריית החלק, במיוחד ליד תומכים ואלמנטים מבניים דקים. קצב החימום הגבוה בחישול לייזר פועם גורם ליצירת גלי מאמץ אולטרסאונד המתפשטים מהפני השטח למצע. על מנת לקבל נתונים כמותיים מדויקים על התפלגות המאמץ והמאמץ המקומית, מבוצעת סימולציה מזוסקופית של בעיית העיוות האלסטי בשילוב עם העברת חום ומסה.
המשוואות המנהלות את המודל כוללות (1) משוואות העברת חום לא יציבות שבהן מוליכות תרמית תלויה במצב הפאזה (אבקה, מותך, רב-גבישי) ובטמפרטורה, (2) תנודות בעיוות אלסטי לאחר אבלציה רציפה ומשוואת התפשטות תרמו-אלסטית. בעיית ערך הגבול נקבעת על ידי תנאי ניסוי. שטף הלייזר המווסת מוגדר על פני הדגימה. קירור קונבקטיבי כולל חילופי חום מוליך ושטף אידוי. שטף המסה מוגדר על סמך חישוב לחץ האדים הרווי של החומר המתאדה. יחסי מאמץ-מעוות אלסטופלסטיים משמשים כאשר המאמץ התרמו-אלסטי פרופורציונלי להפרש הטמפרטורה. עבור הספק נומינלי (300~W), תדר (10^5~Hz), מקדם לסירוגין 100 ו- (200~m) של קוטר הקרן האפקטיבי.
איור 3 מציג את תוצאות הסימולציה הנומרית של אזור ההיתוך באמצעות מודל מתמטי מקרוסקופי. קוטר אזור ההיתוך הוא 200~ מ' (רדיוס 100~ מ') ועומק 40~ מ'. תוצאות הסימולציה מראות שטמפרטורת פני השטח משתנה באופן מקומי עם הזמן כ-100~K עקב גורם הסירוגין הגבוה של אפנון הפולסים. קצב החימום (V_h) והקירור (V_c) הם בסדר גודל של (10^7) ו-(10^6~K/s), בהתאמה. ערכים אלה תואמים היטב את הניתוח הקודם שלנו. הפרש בסדר גודל בין (V_h) ל-(V_c) גורם להתחממות יתר מהירה של שכבת פני השטח, כאשר הולכת תרמית למצע אינה מספיקה כדי להסיר את החום. לכן, ב-t=26~ טמפרטורת פני השטח מגיעה לשיא של 4800 מעלות צלזיוס. אידוי חזק של החומר עלול לגרום ללחץ מוגזם על פני הדגימה ולהתקלף.
תוצאות סימולציה נומרית של אזור התכה של חישול פעימת לייזר יחידה על צלחת דגימה 316L. הזמן מתחילת הפעימה ועד לעומק בריכת המותכת שמגיעה לערך המקסימלי הוא 180°C. האיזותרמה (T = T_L = 1723~K) מייצגת את הגבול בין הפאזות הנוזליות למוצקות. האיזוברים (קווים צהובים) תואמים למאמץ הכניעה המחושב כפונקציה של הטמפרטורה בסעיף הבא. לכן, בתחום שבין שני קווי האיזו (איזותרמות (T=T_L) ואיזוברים (sigma = V(T))), הפאזה המוצקה נתונה לעומסים מכניים חזקים, אשר עלולים להוביל לשינויים במיקרו-מבנה.
השפעה זו מוסברת ביתר פירוט באיור 4a, שם רמת הלחץ באזור המותך מוצגת כפונקציה של זמן ומרחק מפני השטח. ראשית, התנהגות הלחץ קשורה לוויסות עוצמת פולס הלייזר המתואר באיור 2 לעיל. לחץ מקסימלי של כ-10 MPa נצפה בסביבות t=26 upmu. שנית, לתנודת הלחץ המקומי בנקודת הבקרה יש את אותם מאפייני תנודה כמו לתדר של 500 kHz. משמעות הדבר היא שגלי לחץ אולטרסאונד נוצרים על פני השטח ולאחר מכן מתפשטים אל תוך המצע.
המאפיינים המחושבים של אזור העיוות ליד אזור ההיתוך מוצגים באיור 4b. אבלציה בלייזר ומאמץ תרמו-אלסטי מייצרים גלי עיוות אלסטיים המתפשטים לתוך המצע. כפי שניתן לראות מהאיור, ישנם שני שלבים של יצירת מאמץ. במהלך השלב הראשון של \(t < 40~\upmu \text {s}\), מאמץ המיזס עולה ל \(8~\text {MPa}\) עם אפנון דומה ללחץ פני השטח. מאמץ זה מתרחש עקב אבלציה בלייזר, ולא נצפה מאמץ תרמו-אלסטי בנקודות הבקרה מכיוון שהאזור הראשוני המושפע מחום היה קטן מדי. כאשר חום מתפזר לתוך המצע, נקודת הבקרה מייצרת מאמץ תרמו-אלסטי גבוה מעל \(40~\text {MPa}\).
לרמות המאמץ המווסתות המתקבלות יש השפעה משמעותית על הממשק בין מוצק לנוזל, ועשויות לשמש כמנגנון הבקרה המווסת את נתיב ההתמצקות. גודל אזור העיוות גדול פי 2 עד 3 מגודל אזור ההיתוך. כפי שמוצג באיור 3, מושווים מיקום האיזותרמה של ההיתוך ורמת המאמץ השווה למאמץ הכניעה. משמעות הדבר היא שקרינת הלייזר הפועם מספקת עומסים מכניים גבוהים באזורים מקומיים בקוטר אפקטיבי בין 300 ל-800 מטר, תלוי בזמן הרגעי.
לכן, המודולציה המורכבת של חישול לייזר פועם מובילה לאפקט אולטרסאונד. מסלול בחירת המיקרו-מבנה שונה בהשוואה ל-SLM ללא עומס אולטרסאונד. אזורים מעוותים ולא יציבים מובילים למחזורים תקופתיים של דחיסה ומתיחה בשלב המוצק. לפיכך, היווצרות של גבולות גרגירים ותת-גרעינים חדשים הופכת לאפשרית. לכן, ניתן לשנות את התכונות המיקרו-מבניות באופן מכוון, כפי שמוצג להלן. המסקנות שהתקבלו מספקות את האפשרות לתכנן אב טיפוס של SLM המונע על ידי אולטרסאונד המושרה על ידי אפנון פעימות. במקרה זה, ניתן לשלול את המשרן הפיאזואלקטרי 26 המשמש במקום אחר.
(א) לחץ כפונקציה של זמן, מחושב במרחקים שונים מהמשטח 0, 20 ו-40 מ' לאורך ציר הסימטריה. (ב) מאמץ פון מייזס תלוי-זמן המחושב במטריצה ​​מוצקה במרחקים 70, 120 ו-170 מ' ממשטח הדגימה.
ניסויים בוצעו על לוחות פלדת אל-חלד AISI 321H במידות של 20 כפול 20 כפול 5 מ"מ. לאחר כל פולס לייזר, הפלטה זזה 50 מטר, ומותן קרן הלייזר על פני השטח של המטרה היא כ-100 מטר. עד חמש מעברי קרן עוקבים מבוצעים לאורך אותו מסלול כדי לגרום להתכה מחדש של החומר המעובד לצורך עידון הגרעינים. בכל המקרים, האזור המותך מחדש עבר סוניקציה, בהתאם לרכיב התנודתי של קרינת הלייזר. התוצאה היא הפחתה של יותר מפי 5 בשטח הגרעינים הממוצע. איור 5 מראה כיצד המיקרו-מבנה של האזור המותך בלייזר משתנה עם מספר מחזורי ההיתוך (מעברים) העוקבים.
תתי-גרפים (a,d,g,j) ו-(b,e,h,k) – מיקרו-מבנה של אזורים שהותכו בלייזר, תתי-גרפים (c,f,i,l) – התפלגות שטח של גרגירים צבעוניים. הצללה מייצגת את החלקיקים ששימשו לחישוב ההיסטוגרמה. צבעים תואמים לאזורי גרגירים (ראה את סרגל הצבעים בראש ההיסטוגרמה). תתי-גרפים (ac) תואמים לפלדת אל-חלד לא מטופלת, ותתי-גרפים (df), (gi), (jl) תואמים ל-1, 3 ו-5 התכות חוזרות.
מכיוון שאנרגיית פולס הלייזר אינה משתנה בין מעברים עוקבים, עומק האזור המותך זהה. לפיכך, הערוץ הבא "מכסה" לחלוטין את הקודם. עם זאת, ההיסטוגרמה מראה ששטח הגרעינים הממוצע והחציוני פוחת עם מספר המעברים הגדל. זה עשוי להצביע על כך שהלייזר פועל על המצע ולא על החומר המותך.
עידון גרגירים עשוי להיגרם על ידי קירור מהיר של מאגר המותך65. בוצעה סדרה נוספת של ניסויים שבהם נחשפו משטחי לוחות נירוסטה (321H ו-316L) לקרינת לייזר גל רציפה באטמוספירה (איור 6) ובוואקום (איור 7). עוצמת הלייזר הממוצעת (300 וואט ו-100 וואט, בהתאמה) ועומק מאגר המותך קרובים לתוצאות הניסוי של לייזר Nd:YAG במצב ריצה חופשית. עם זאת, נצפה מבנה עמודי טיפוסי.
מיקרו-מבנה של האזור המותך בלייזר של לייזר גל רציף (הספק קבוע 300 וואט, מהירות סריקה 200 מ"מ/שנייה, פלדת אל-חלד AISI 321H).
(א) מיקרו-מבנה ו-(ב) תמונות דיפרקציה של פיזור אלקטרונים אחורי של האזור המותך בלייזר בוואקום עם לייזר גל רציף (הספק קבוע של 100 וואט, מהירות סריקה של 200 מ"מ/שנייה, פלדת אל-חלד AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
לכן, מוכח בבירור כי המודולציה המורכבת של עוצמת פולס הלייזר משפיעה באופן משמעותי על המיקרו-מבנה המתקבל. אנו מאמינים כי השפעה זו היא מכנית באופייה ומתרחשת עקב יצירת תנודות אולטרסאונד המתפשטות מהמשטח המוקרן של החומר המותך עמוק לתוך הדגימה. תוצאות דומות התקבלו ב-13, 26, 34, 66, 67 באמצעות מתמרים פיזואלקטריים חיצוניים וסונוטרודות המספקים אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בחומרים שונים, כולל סגסוגת Ti-6Al-4V 26 ופלדת אל-חלד 34 כתוצאה מכך. המנגנון האפשרי משוער כדלקמן. אולטרסאונד עוצמתי יכול לגרום לקביטציה אקוסטית, כפי שהודגם בהדמיית רנטגן סינכרוטרון מהירה במיוחד באתר. קריסת בועות הקביטציה בתורה מייצרת גלי הלם בחומר המותך, שלחץ החזית שלו מגיע לכ-\(100~\text {MPa}\)69. גלי הלם כאלה עשויים להיות חזקים מספיק כדי לקדם היווצרות של גרעינים בגודל קריטי בשלב מוצק בנוזלים בתפזורת, תוך שיבוש מבנה הגרעינים העמודי הטיפוסי של תוסף שכבה אחר שכבה. ייצור.
כאן, אנו מציעים מנגנון נוסף האחראי לשינוי מבני על ידי סוניקציה אינטנסיבית. מיד לאחר ההתמצקות, החומר נמצא בטמפרטורה גבוהה קרוב לנקודת ההיתוך ובעל מתח כניעה נמוך ביותר. גלי אולטרסאונד עזים יכולים לגרום לזרימה פלסטית לשנות את מבנה הגרעינים של החומר החם, שזה עתה התמצק. עם זאת, נתונים ניסיוניים אמינים על תלות הטמפרטורה של מתח כניעה זמינים ב- \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ראה איור 8). לכן, כדי לבחון השערה זו, ביצענו סימולציות דינמיקה מולקולרית (MD) של הרכב Fe-Cr-Ni הדומה לפלדת AISI 316 L על מנת להעריך את התנהגות מתח הכניעה ליד נקודת ההיתוך. כדי לחשב את מתח הכניעה, השתמשנו בטכניקת הרלקסציית מתח גזירה MD המפורטת ב-70, 71, 72, 73. עבור חישובי האינטראקציה הבין-אטומית, השתמשנו במודל האטומי המשובץ (EAM) מ-74. סימולציות MD בוצעו באמצעות קודי LAMMPS 75,76. פרטים על סימולציות MD יפורסמו במקום אחר. תוצאות חישוב MD של ניצול מאמץ כפונקציה של טמפרטורה מוצגים באיור 8 יחד עם נתונים ניסויים זמינים והערכות אחרות 77,78,79,80,81,82.
מאמץ כניעה עבור פלדת אל-חלד אוסטניטית AISI דרגה 316 והרכב המודל לעומת הטמפרטורה עבור סימולציות MD. מדידות ניסיוניות מהמקורות: (א) 77, (ב) 78, (ג) 79, (ד) 80, (ה) 81. ראה. (ו)82 הוא מודל אמפירי של תלות מאמץ כניעה-טמפרטורה עבור מדידת מאמץ בקו במהלך ייצור תוסף בסיוע לייזר. תוצאות סימולציות ה-MD בקנה מידה גדול במחקר זה מסומנות כ- \(\vartriangleleft\) עבור גביש יחיד אינסופי ללא פגמים ו- \(\vartriangleright\) עבור גרגירים סופיים תוך התחשבות בגודל הגרגירים הממוצע באמצעות יחס הול-פיץ'. מידות\(d = 50~\upmu \text {m}\).
ניתן לראות שב- \(T>1500~\text {K}\) מאמץ הכניעה יורד מתחת ל- \(40~\text {MPa}\). מצד שני, הערכות צופות כי משרעת האולטרסאונד הנוצרת על ידי הלייזר עולה על \(40~\text {MPa}\) (ראה איור 4b), וזה מספיק כדי לגרום לזרימה פלסטית בחומר החם שזה עתה התמצק.
היווצרות המיקרו-מבנה של פלדת אל-חלד אוסטניטית 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) במהלך SLM נחקרה בניסוי באמצעות מקור לייזר פולסים מורכב בעל עוצמה מווסתת.
נמצאה הפחתה בגודל הגרגירים באזור ההיתוך בלייזר עקב התכה מחדש רציפה בלייזר לאחר 1, 3 או 5 מעברים.
מידול מקרוסקופי מראה כי הגודל המשוער של האזור שבו דפורמציה אולטרסאונד עשויה להשפיע באופן חיובי על חזית ההתמצקות הוא עד 1 מ"מ.
מודל MD המיקרוסקופי מראה שחוזק הכניעה של פלדת אל-חלד אוסטניטית AISI 316 מצטמצם משמעותית ל-\(40~\text {MPa}\) קרוב לנקודת ההיתוך.
התוצאות שהתקבלו מצביעות על שיטה לשליטה במיקרו-מבנה של חומרים באמצעות עיבוד לייזר מורכב ומווסת, ויכולות לשמש כבסיס ליצירת שינויים חדשים בטכניקת SLM בפעמים.
Liu, Y. et al. אבולוציה מיקרו-מבנית ותכונות מכניות של מרוכבים TiB2/AlSi10Mg באתר על ידי התכה סלקטיבית בלייזר [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. הנדסת גבולות גרגירים של התכה סלקטיבית בלייזר של פלדת אל-חלד 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. פיתוח באתר של מיקרו-מבנים מסוג סנדוויץ' עם משיכות משופרת על ידי חימום מחדש בלייזר של סגסוגות טיטניום המותכות בלייזר. science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
אזארניה, א. ואחרים. ייצור תוסף של חלקי Ti-6Al-4V על ידי שקיעת מתכת בלייזר (LMD): תהליך, מיקרו-מבנה ותכונות מכניות. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. מידול מיקרו-מבני של שקיעת אנרגיה מכוונת אבקת מתכת בלייזר של סגסוגת 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. מחקר הדמיית קצה בראג פרמטרי של נויטרונים של דגימות שיוצרו באופן אדיטיבי שטופלו על ידי לייזר הלם פיינינג. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
טאן, X. ואחרים. מיקרו-מבנה גרדיאנט ותכונות מכניות של Ti-6Al-4V המיוצר באופן אדיטיבי על ידי התכת קרן אלקטרונים. כתב העת Alma Mater. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).