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製造工程における製品の微細構造を制御するための、選択的レーザー溶融に基づく新しいメカニズムが提案されている。このメカニズムは、複雑な強度変調レーザー照射によって溶融池内に高強度超音波を発生させることに基づいている。実験的研究と数値シミュレーションにより、この制御メカニズムは技術的に実現可能であり、最新の選択的レーザー溶融装置の設計に効果的に組み込むことができることが示されている。
複雑な形状の部品の積層造形（AM）は、ここ数十年で著しく成長しました。しかし、選択的レーザー溶融（SLM）1,2,3、直接レーザー金属堆積4,5,6、電子ビーム溶融7,8、その他9,10など、さまざまな積層造形プロセスがあるにもかかわらず、部品に欠陥が生じる可能性があります。これは主に、溶融および再溶融材料における高い温度勾配、高い冷却速度、および加熱サイクルの複雑さに関連する溶融プール凝固プロセスの特定の特性によるものであり11、エピタキシャル粒成長と大きな多孔性12,13につながります。結果から、微細な等軸粒構造を実現するには、温度勾配、冷却速度、および合金組成を制御するか、さまざまな特性の外部場（たとえば超音波）を介して追加の物理的衝撃を適用する必要があることがわかります。
振動処理が従来の鋳造プロセスにおける凝固プロセスに及ぼす影響については、数多くの出版物で取り上げられています14,15。しかし、バルク溶融物に外部場を印加しても、望ましい材料の微細構造は得られません。液相の体積が小さい場合、状況は劇的に変化します。この場合、外部場は凝固プロセスに大きな影響を与えます。電磁効果は、強烈な音響場16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27、アーク攪拌28および振動29、パルスプラズマアーク30,31、その他の方法32において検討されています。外部の高強度超音波源（20 kHz）を使用して基板に取り付けます。超音波による結晶粒微細化は、温度勾配の減少による組成過冷却領域の増加と、キャビテーションによる新しい結晶粒の生成を促進する超音波の強化によるものと考えられます。
この研究では、溶融レーザー自体によって生成された音波で溶融プールを超音波処理することにより、オーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒構造を変化させる可能性を調査しました。光吸収媒体に入射するレーザー放射の強度変調により、材料の微細構造を変化させる超音波が発生します。このレーザー放射の強度変調は、既存のSLM 3Dプリンターに容易に統合できます。この研究の実験は、強度変調されたレーザー放射に表面がさらされたステンレス鋼板で行われました。したがって、技術的には、レーザー表面処理が行われます。ただし、層ごとに構築される各層の表面にこのようなレーザー処理を実行すると、ボリューム全体またはボリュームの選択された部分に対する効果が得られます。言い換えると、部品が層ごとに構築される場合、各層のレーザー表面処理は「レーザーボリューム処理」に相当します。
超音波ホーンを用いた超音波療法では、定在音波の超音波エネルギーは部品全体に分布するのに対し、レーザー誘起超音波強度はレーザー光が吸収される点付近に高度に集中します。SLM粉末床溶融装置でソノトロードを使用することは、レーザー光にさらされる粉末床の上面が静止している必要があるため複雑です。さらに、部品の上面には機械的応力がかかりません。そのため、音響応力はほぼゼロで、粒子速度は部品の上面全体で最大振幅を持ちます。ステンレス鋼中の周波数20kHzの超音波の波長は約0.3mであり、深さは通常約0.3mm未満であるため、溶融プール全体の内部の音圧は溶接ヘッドによって発生する最大圧力の0.1%を超えることはできません。そのため、超音波がキャビテーションに及ぼす影響は小さい可能性があります。
直接レーザー金属堆積における強度変調レーザー光の使用は、活発な研究分野であることに留意すべきである35,36,37,38。
レーザー光が媒体に照射される際の熱効果は、切断41、溶接、焼入れ、穴あけ42、表面洗浄、表面合金化、表面研磨43など、材料加工のためのほぼすべてのレーザー技術39、40の基礎となっている。レーザーの発明は材料加工技術の新たな発展を促し、予備的な結果は数多くのレビューやモノグラフ44、45、46にまとめられている。
吸収媒体に対するレーザー作用を含む、媒体に対する非定常作用は、多かれ少なかれ効率よく媒体内の音波の励起をもたらすことに留意すべきである。当初、主な焦点は液体中の波のレーザー励起と音のさまざまな熱励起メカニズム（熱膨張、蒸発、相転移中の体積変化、収縮など）47、48、49であった。多数のモノグラフ50、51、52は、このプロセスの理論的分析と可能な実用的応用を提供している。
これらの問題はその後、さまざまな会議で議論され、超音波のレーザー励起は、レーザー技術の産業応用53と医療54の両方で応用されています。したがって、パルスレーザー光が吸収媒体に作用するプロセスの基本概念が確立されたと考えることができます。レーザー超音波検査は、SLMで製造されたサンプルの欠陥検出に使用されます55,56。
レーザーで生成された衝撃波が材料に及ぼす影響は、レーザー衝撃ピーニング57,58,59の基礎であり、これは積層造形部品の表面処理60にも使用されています。しかし、レーザー衝撃強化は、ナノ秒レーザーパルスと機械的に負荷のかかった表面（例えば、液体の層がある）59に対して最も効果的です。これは、機械的負荷によってピーク圧力が増加するためです。
凝固材料の微細構造に対する様々な物理場の影響を調べるために実験を行った。実験装置の機能図を図1に示す。パルスNd:YAG固体レーザーを自由発振モードで動作させた（パルス幅τ_L～150μs）。各レーザーパルスは、一連のニュートラルデンシティフィルターとビームスプリッタープレートシステムを通過する。ニュートラルデンシティフィルターの組み合わせによって、ターゲット上のパルスエネルギーはE_L～20mJ～100mJの範囲で変化する。ビームスプリッターで反射されたレーザービームは、同時データ取得のためにフォトダイオードに入力され、2つのカロリメーター（応答時間が1msを超えるフォトダイオード）を用いてターゲットへの入射光と反射光を測定し、2つのパワー入射光パワーと反射光パワーを測定するために、カロリメータ（応答時間が短いフォトダイオード）を使用します。カロリメータとパワーメータは、サーモパイル検出器 Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 とサンプル位置に取り付けられた誘電体ミラーを使用して、絶対単位で値が得られるように校正されました。レンズ（反射防止コーティング \(1.06 \upmu \text {m}\)、焦点距離 \(160~\text {mm}\)）とターゲット表面でのビームウエスト 60~ \(100~\upmu\text {m}\)を使用して、ビームをターゲットに集束します。
実験装置の機能概略図：1—レーザー；2—レーザービーム；3—中性濃度フィルター；4—同期フォトダイオード；5—ビームスプリッター；6—絞り；7—入射ビームのカロリメーター；8—反射ビームのカロリメーター；9—入射ビームパワーメーター；10—反射ビームパワーメーター；11—集束レンズ；12—ミラー；13—サンプル；14—広帯域圧電トランスデューサ；15—2Dコンバーター；16—位置決めマイクロコントローラ；17—同期ユニット；18—様々なサンプリングレートのマルチチャンネルデジタル取得システム；19—パーソナルコンピュータ。
超音波処理は次のように行われます。レーザーは自由発振モードで動作するため、レーザーパルスの持続時間は \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) であり、これはそれぞれ約 \(1.5~\upmu \text {s } \) の複数の持続時間から構成されます。レーザーパルスの時間形状とそのスペクトルは、図 2 に示すように、平均周波数が約 \(0.7~\text {MHz}\) の低周波エンベロープと高周波変調から構成されます。周波数エンベロープは材料の加熱とそれに続く溶融および蒸発をもたらし、高周波成分は光音響効果による超音波振動をもたらします。レーザーによって生成される超音波パルスの波形は、主にレーザーパルス強度の時間形状によって決定されます。周波数範囲は 7 kHz から 2 MHz で、中心周波数は約 0.7 MHz です。光音響効果による音響パルスは、ポリフッ化ビニリデンフィルム製の広帯域圧電トランスデューサを使用して記録されました。記録された波形とそのスペクトルを図 2 に示します。レーザーパルスの形状は、自由発振モードレーザーに典型的なものであることに注意してください。
レーザーパルス強度の時間分布（a）と試料裏面での音速（b）、単一のレーザーパルス（青線）について300回のレーザーパルス（赤線）で平均化したレーザーパルス（c）と超音波パルス（d）のスペクトル。
レーザーパルスの低周波エンベロープと高周波変調に対応する音響処理の低周波成分と高周波成分を明確に区別することができます。レーザーパルスエンベロープによって生成される音波の波長は \(40~\text {cm}\) を超えているため、音響信号の広帯域高周波成分が微細構造に及ぼす主な影響が期待されます。
SLMにおける物理プロセスは複雑であり、異なる空間スケールおよび時間スケールで同時に発生します。したがって、マルチスケール法はSLMの理論的解析に最も適しています。数学モデルは、まずマルチフィジカルである必要があります。不活性ガス雰囲気と相互作用する多相媒体「固体-液体溶融物」の力学と熱物理学を効果的に記述することができます。SLMにおける材料の熱負荷の特性は次のとおりです。
最大 \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) の出力密度を持つ局所的なレーザー照射により、最大 \(10^{13}~\text {W} cm}^2\) の加熱および冷却速度が得られます。
溶融凝固サイクルは1～10msの間で続き、冷却中の溶融ゾーンの急速な凝固に寄与する。
試料表面の急速加熱により、表面層に高い熱弾性応力が発生します。粉末層の十分な部分（最大20％）が強く蒸発し、レーザーアブレーションに応じて表面に追加の圧力負荷がかかります。その結果、誘起されたひずみにより、特に支持部や薄い構造要素付近で部品の形状が大きく歪みます。パルスレーザーアニーリングの高い加熱速度により、表面から基板に伝播する超音波ひずみ波が発生します。局所的な応力とひずみの分布に関する正確な定量的データを取得するために、熱と物質移動と連動した弾性変形問題のメソスコピックシミュレーションが実行されます。
モデルの支配方程式には、(1) 熱伝導率が相状態 (粉末、溶融、多結晶) と温度に依存する非定常熱伝達方程式、(2) 連続体アブレーション後の弾性変形の変動と熱弾性膨張方程式が含まれます。境界値問題は実験条件によって決定されます。変調されたレーザーフラックスはサンプル表面で定義されます。対流冷却には伝導熱交換と蒸発フラックスが含まれます。質量フラックスは、蒸発する材料の飽和蒸気圧の計算に基づいて定義されます。熱弾性応力が温度差に比例する弾塑性応力-ひずみ関係が使用されます。公称出力 \(300~\text {W}\)、周波数 \(10^5~\text {Hz}\)、間欠係数 100、有効ビーム径 \(200~\upmu \text {m}\ ) の場合。
図3は、巨視的な数学モデルを用いた溶融ゾーンの数値シミュレーションの結果を示しています。溶融ゾーンの直径は200μm（半径100μm）、深さは40μmです。シミュレーション結果によると、パルス変調の断続性が高いため、表面温度は時間とともに局所的に100Kずつ変化します。加熱速度Vhと冷却速度Vcは、それぞれ10⁷K/sと10⁶K/sのオーダーです。これらの値は、以前の解析64とよく一致しています。VhとVcの間に1桁の差があると、表面層が急速に過熱し、基板への熱伝導が熱を除去するには不十分です。そのため、\(t=26~\upmu \text {s}\)では表面温度が4800~\text {K}までピークに達します。材料の激しい蒸発により、サンプルの表面に過度の圧力がかかり、剥離する可能性があります。
316L サンプルプレート上の単一レーザーパルスアニーリングの溶融ゾーンの数値シミュレーション結果。パルスの開始から溶融プールの深さが最大値に達するまでの時間は 180 μs です。等温線 T = T_L = 1723 K は、液体相と固体相の境界を表します。等圧線 (黄色の線) は、次のセクションで温度の関数として計算された降伏応力に対応します。したがって、2 つの等値線 (等温線 T = T_L と等圧線 σ = σ_V(T)) の間の領域では、固体相は強い機械的負荷を受け、微細構造の変化につながる可能性があります。
この効果は図4aでさらに詳しく説明されており、溶融ゾーンの圧力レベルが時間と表面からの距離の関数としてプロットされています。まず、圧力の挙動は、上記の図2で説明したレーザーパルス強度の変調に関連しています。約t=26μmで、最大圧力約10MPaが観測されました。次に、制御点における局所圧力の変動は、周波数500kHzと同じ振動特性を持っています。これは、超音波圧力波が表面で発生し、その後基板に伝播することを意味します。
溶融ゾーン近傍の変形ゾーンの計算された特性を図 4b に示す。レーザーアブレーションと熱弾性応力により、基板に伝播する弾性変形波が発生する。図からわかるように、応力発生には 2 つの段階がある。最初のフェーズ \(t < 40~\upmu \text {s}\) では、ミーゼス応力が表面圧力と同様の変調で \(8~\text {MPa}\) まで上昇する。この応力はレーザーアブレーションによって発生し、初期の熱影響ゾーンが小さすぎたため、制御点では熱弾性応力は観測されなかった。熱が基板に放散されると、制御点では \(40~\text {MPa}\) を超える高い熱弾性応力が発生する。
得られた変調応力レベルは固液界面に大きな影響を与え、凝固経路を制御するメカニズムとなる可能性がある。変形領域のサイズは溶融領域の2～3倍である。図3に示すように、溶融等温線の位置と降伏応力に等しい応力レベルを比較する。これは、パルスレーザー照射により、瞬間的な時間に応じて有効直径が300～800μmの局所領域に高い機械的負荷がかかることを意味する。
したがって、パルスレーザーアニーリングの複雑な変調により超音波効果が生じる。超音波負荷のないSLMと比較すると、微細構造の選択経路が異なる。変形した不安定領域により、固相内で圧縮と伸張の周期的なサイクルが生じる。これにより、新しい粒界と亜粒界の形成が可能になる。したがって、以下に示すように、微細構造特性を意図的に変更することができる。得られた結論は、パルス変調誘起超音波駆動SLMプロトタイプの設計の可能性を提供する。この場合、他の場所で使用されている圧電インダクタ26は除外できる。
(a) 対称軸に沿って表面から 0、20、40 μm の異なる距離で計算された、時間の関数としての圧力。(b) サンプル表面から 70、120、170 μm の距離で計算された固体マトリックス内の時間依存フォンミーゼス応力。
実験は寸法 \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) の AISI 321H ステンレス鋼板で行われた。レーザーパルスごとに、板は \(50~\upmu \text {m}\) 移動し、ターゲット表面上のレーザービームのウエストは約 \(100~\upmu \text {m}\) である。加工された材料の再溶融を誘発して結晶粒を微細化するために、同じトラックに沿って最大 5 回連続してビームが通過する。すべての場合において、レーザー放射の振動成分に応じて、再溶融領域は超音波処理された。これにより、平均結晶粒面積が 5 倍以上減少する。図 5 は、レーザー溶融領域の微細構造が、連続する再溶融サイクル (パス) の数によってどのように変化するかを示している。
サブプロット (a,d,g,j) および (b,e,h,k) – レーザー溶融領域の微細構造、サブプロット (c,f,i,l) – 着色粒子の面積分布。陰影はヒストグラムの計算に使用された粒子を表します。色は粒子領域に対応します (ヒストグラム上部のカラーバーを参照)。サブプロット (ac) は未処理のステンレス鋼に対応し、サブプロット (df)、(gi)、(jl) は 1 回、3 回、5 回の再溶融に対応します。
レーザーパルスエネルギーは連続するパス間で変化しないため、溶融ゾーンの深さは同じです。したがって、次のチャネルは前のチャネルを完全に「覆います」。しかし、ヒストグラムは、平均および中央値の結晶粒面積がパス数の増加とともに減少することを示しています。これは、レーザーが溶融物ではなく基板に作用していることを示している可能性があります。
溶融プールの急速冷却により結晶粒微細化が起こる可能性がある65。別の実験では、ステンレス鋼板（321Hおよび316L）の表面を大気中（図6）および真空中（図7）で連続波レーザー光にさらした。平均レーザー出力（それぞれ300Wおよび100W）と溶融プールの深さは、自由運転モードのNd:YAGレーザーの実験結果に近い。しかし、典型的な柱状構造が観察された。
連続波レーザー（出力300W、走査速度200mm/s、AISI 321Hステンレス鋼）によるレーザー溶融領域の微細構造。
(a) 真空中で連続波レーザー（100 W 定出力、200 mm/s スキャン速度、AISI 316L ステンレス鋼）を用いてレーザー溶融した領域の微細構造と (b) 電子後方散乱回折像（約 2 mbar）。
したがって、レーザーパルス強度の複雑な変調が、結果として生じる微細構造に大きな影響を与えることが明確に示されています。この効果は機械的な性質のものであり、溶融物の照射面から試料深部まで伝播する超音波振動の発生によって生じると考えられます。同様の結果は、外部圧電トランスデューサとソノトロードを用いて、Ti-6Al-4V合金26やステンレス鋼34などの様々な材料に高強度の超音波を照射した研究13、26、34、66、67でも得られています。考えられるメカニズムは次のように推測されます。高強度の超音波は、超高速in situシンクロトロンX線イメージングで実証されているように、音響キャビテーションを引き起こす可能性があります。キャビテーション気泡の崩壊は、溶融物中に衝撃波を発生させ、その前面圧力は約100MPaに達します69。このような衝撃波は、バルク液体中に臨界サイズの固相核の形成を促進し、溶融物を破壊します。層状積層造形における典型的な柱状結晶構造。
ここでは、強力な超音波照射による構造変化の原因となる別のメカニズムを提案する。凝固直後、材料は融点に近い高温状態にあり、降伏応力は極めて低い。強力な超音波は塑性流動を引き起こし、高温で凝固したばかりの材料の結晶粒構造を変化させる可能性がある。しかし、降伏応力の温度依存性に関する信頼できる実験データは、\(T\lesssim 1150~\text {K}\)でしか得られていない（図8参照）。そこで、この仮説を検証するために、融点付近での降伏応力挙動を評価するため、AISI 316 L鋼に類似したFe-Cr-Ni組成の分子動力学（MD）シミュレーションを行った。降伏応力の計算には、文献70、71、72、73に詳述されているMDせん断応力緩和法を用いた。原子間相互作用の計算には、文献74の埋め込み原子モデル（EAM）を用いた。MDシミュレーションは、LAMMPSコード75、76を用いて行った。MDの詳細については、以下に示す。シミュレーション結果は別の場所で発表される予定です。降伏応力の温度関数としてのMD計算結果を、入手可能な実験データおよび他の評価77,78,79,80,81,82とともに図8に示します。
AISI グレード 316 オーステナイト系ステンレス鋼の降伏応力と、MD シミュレーションにおけるモデル組成の温度依存性。参考文献からの実験測定値: (a) 77、(b) 78、(c) 79、(d) 80、(e) 81。参照。(f) 82 は、レーザー支援積層造形中のインライン応力測定における降伏応力-温度依存性の経験的モデルである。本研究における大規模 MD シミュレーションの結果は、欠陥のない無限単結晶の場合は \(\vartriangleleft\)、ホール-ペッチ関係式による平均粒径を考慮した有限粒の場合は \(\vartriangleright\) と表記される。寸法\(d = 50~\upmu \text {m}\)。
\(T>1500~\text {K}\)では降伏応力が\(40~\text {MPa}\)を下回ることがわかります。一方、推定ではレーザーによって生成された超音波振幅が\(40~\text {MPa}\)を超えると予測されており（図4b参照）、これは凝固したばかりの高温材料に塑性流動を誘発するのに十分です。
SLMプロセス中の12Cr18Ni10Ti（AISI 321H）オーステナイト系ステンレス鋼の微細構造形成を、複雑な強度変調パルスレーザー光源を用いて実験的に調査した。
レーザー溶融ゾーンにおける結晶粒径の減少は、1回、3回、または5回のレーザー照射後の連続的な再溶融によって生じたことがわかった。
巨視的モデリングによると、超音波変形が凝固界面にプラスの影響を与える可能性のある領域の推定サイズは最大で \(1~\text {mm}\) です。
微視的なMDモデルは、AISI 316オーステナイト系ステンレス鋼の降伏強度が融点付近で40MPaまで大幅に低下することを示している。
得られた結果は、複雑な変調レーザー加工を用いて材料の微細構造を制御する方法を示唆しており、パルスSLM技術の新たな改良版を生み出す基礎となる可能性がある。
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