Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдеусіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Өндіріс процесінде өнімдердің микроқұрылымын басқару үшін селективті лазерлік балқытуға негізделген жаңа механизм ұсынылды. Механизм күрделі қарқындылық модуляцияланған лазерлік сәулелендіру арқылы балқытылған бассейнде жоғары қарқынды ультрадыбыстық толқындардың пайда болуына негізделген. Эксперименттік зерттеулер мен сандық модельдеу бұл басқару механизмінің техникалық тұрғыдан мүмкін екенін және заманауи селективті лазерлік балқыту машиналарын жобалауға тиімді түрде енгізілуі мүмкін екенін көрсетеді.
Соңғы онжылдықтарда күрделі пішінді бөлшектерді қоспа өндірісі (АӨ) айтарлықтай өсті. Дегенмен, селективті лазерлік балқыту (SLM)1,2,3, тікелей лазерлік металды тұндыру4,5,6, электронды сәулелік балқыту7,8 және басқалары9,10 сияқты қоспа өндіріс процестерінің алуан түрлілігіне қарамастан, бөлшектер ақаулы болуы мүмкін. Бұл негізінен жоғары термиялық градиенттермен, жоғары салқындату жылдамдығымен және балқыту және қайта балқыту материалдарындағы қыздыру циклдерінің күрделілігімен11 байланысты, бұл эпитаксиалды түйіршіктердің өсуіне және айтарлықтай кеуектілікке12,13 әкеледі. Нәтижелер көрсеткендей, , жұқа тең осьті түйіршік құрылымдарына қол жеткізу үшін термиялық градиенттерді, салқындату жылдамдығын және қорытпа құрамын бақылау немесе әртүрлі қасиеттерге ие сыртқы өрістер (мысалы, ультрадыбыс) арқылы қосымша физикалық соққыларды қолдану қажет.
Көптеген басылымдар дәстүрлі құю процестеріндегі дірілдеу өңдеуінің қатаю процесіне әсеріне қатысты14,15. Дегенмен, көлемді балқымаларға сыртқы өрісті қолдану қажетті материалдық микроқұрылымды тудырмайды. Егер сұйық фазаның көлемі аз болса, жағдай күрт өзгереді. Бұл жағдайда сыртқы өріс қатаю процесіне айтарлықтай әсер етеді. Электромагниттік әсерлер қарқынды акустикалық өрістер16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, доғаны араластыру28 және тербеліс29, импульсті плазма доғалары30,31 және басқа әдістер32 кезінде қарастырылды. Сыртқы жоғары қарқынды ультрадыбыстық көзді (20 кГц жиілікте) пайдаланып, субстратқа бекітіңіз. Ультрадыбыстық әсер ететін дәнді тазарту температура градиентінің төмендеуіне және кавитация арқылы жаңа кристаллиттерді жасау үшін ультрадыбыстық күшейтуге байланысты құрамдық суыту аймағының жоғарылауына байланысты.
Бұл жұмыста біз балқытылған бассейнді балқытушы лазердің өзі тудыратын дыбыс толқындарымен ультрадыбыстық өңдеу арқылы аустениттік тот баспайтын болаттардың түйіршік құрылымын өзгерту мүмкіндігін зерттедік. Жарық сіңіретін ортаға түсетін лазерлік сәулеленудің қарқындылығын модуляциялау материалдың микроқұрылымын өзгертетін ультрадыбыстық толқындардың пайда болуына әкеледі. Лазерлік сәулеленудің бұл қарқындылығын модуляциялауды қолданыстағы SLM 3D принтерлеріне оңай біріктіруге болады. Бұл жұмыстағы тәжірибелер беттері қарқындылығы модуляцияланған лазерлік сәулеленуге ұшыраған тот баспайтын болат пластиналарда жүргізілді. Сонымен, техникалық тұрғыдан лазерлік бетті өңдеу жүргізіледі. Дегенмен, егер мұндай лазерлік өңдеу әр қабаттың бетінде қабат-қабат жиналу кезінде жүргізілсе, бүкіл көлемге немесе көлемнің таңдалған бөліктеріне әсер етеді. Басқаша айтқанда, егер бөлшек қабат-қабат құрастырылса, әр қабаттың лазерлік бетін өңдеу «лазерлік көлемді өңдеуге» тең.
Ал ультрадыбыстық мүйізге негізделген ультрадыбыстық терапияда тұрған дыбыс толқынының ультрадыбыстық энергиясы компонент бойынша таралады, ал лазермен индукцияланған ультрадыбыстық қарқындылық лазер сәулеленуі жұтылатын нүктеге жақын жерде жоғары концентрацияланған. SLM ұнтақ қабатын балқыту машинасында ультрадыбыстық құрылғыны пайдалану күрделі, себебі лазер сәулеленуіне ұшыраған ұнтақ қабатының үстіңгі беті қозғалмайтын күйде қалуы керек. Сонымен қатар, бөлшектің үстіңгі бетінде механикалық кернеу болмайды. Сондықтан акустикалық кернеу нөлге жақын және бөлшектердің жылдамдығы бөлшектің бүкіл үстіңгі бетінде максималды амплитудаға ие. Балқытылған бассейннің ішіндегі дыбыс қысымы дәнекерлеу басы тудыратын максималды қысымның 0,1%-нан аспауы керек, себебі тот баспайтын болаттағы жиілігі 20 кГц ультрадыбыстық толқындардың толқын ұзындығы \(\sim 0,3~\text {m}\), ал тереңдігі әдетте \(\sim 0,3~\text {mm}\-ден аз болады. Сондықтан ультрадыбыстың кавитацияға әсері аз болуы мүмкін.
Тікелей лазерлік металл тұндыру кезінде қарқындылығы модуляцияланған лазерлік сәулеленуді қолдану зерттеудің белсенді саласы болып табылатынын атап өткен жөн35,36,37,38.
Лазер сәулесінің ортаға түсетін жылулық әсері материалды өңдеуге арналған барлық дерлік лазерлік әдістердің 39, 40 негізі болып табылады, мысалы, кесу41, дәнекерлеу, шыңдау, бұрғылау42, бетті тазалау, бетті қорытпалау, бетті жылтырату43 және т.б. Лазердің өнертабысы материалдарды өңдеу техникасындағы жаңа жетістіктерді ынталандырды, ал алдын ала нәтижелер көптеген шолулар мен монографияларда44,45,46 қорытындыланған.
Айта кету керек, ортаға кез келген стационарлық емес әсер, соның ішінде сіңіргіш ортаға ұзақ мерзімді әсер ету, ондағы акустикалық толқындардың азды-көпті тиімділікпен қоздырылуына әкеледі. Бастапқыда негізгі назар сұйықтықтардағы толқындардың лазерлік қоздыруына және дыбыстың әртүрлі жылулық қоздыру механизмдеріне (жылулық кеңею, булану, фазалық ауысу кезіндегі көлемнің өзгеруі, жиырылу және т.б.) аударылды. 47, 48, 49. Көптеген монографияларда50, 51, 52 бұл процестің теориялық талдаулары және оның мүмкін болатын практикалық қолданылуы берілген.
Бұл мәселелер кейіннен әртүрлі конференцияларда талқыланды, ал ультрадыбыстық лазерлік қоздыру лазерлік технологияның өнеркәсіптік қолданбаларында да, медицинада да қолданылады53. Сондықтан импульсті лазерлік жарықтың сіңіргіш ортаға әсер ету процесінің негізгі тұжырымдамасы қалыптасты деп санауға болады. Лазерлік ультрадыбыстық тексеру SLM өндірген үлгілердің ақауларын анықтау үшін қолданылады55,56.
Лазермен жасалған соққы толқындарының материалдарға әсері лазерлік соққымен өңдеудің негізі болып табылады57,58,59, ол сонымен қатар қоспамен жасалған бөлшектердің бетін өңдеу үшін де қолданылады60. Дегенмен, лазерлік соққыны күшейту наносекундтық лазерлік импульстарда және механикалық жүктелген беттерде (мысалы, сұйықтық қабатымен)59 ең тиімді, себебі механикалық жүктеме шың қысымын арттырады.
Қатқан материалдардың микроқұрылымына әртүрлі физикалық өрістердің ықтимал әсерін зерттеу үшін тәжірибелер жүргізілді. Тәжірибелік қондырғының функционалдық диаграммасы 1-суретте көрсетілген. Еркін жұмыс режимінде жұмыс істейтін импульсті Nd:YAG қатты денелі лазері қолданылды (импульс ұзақтығы 150-150 мкм). Әрбір лазер импульсі бірқатар бейтарап тығыздық сүзгілері және сәуле бөлгіш пластина жүйесі арқылы өтеді. Бейтарап тығыздық сүзгілерінің комбинациясына байланысты нысанадағы импульс энергиясы 20-100 мкм аралығында өзгереді. Сәуле бөлгіштен шағылысқан лазер сәулесі бір мезгілде деректерді алу үшін фотодиодқа беріледі, ал нысанаға түсетін және одан шағылысатын сәулені анықтау үшін екі калориметр (ұзақ жауап беру уақыты 1-100 мкм-ден асатын фотодиодтар) және екі қуат өлшегіш (қысқа жауап беруі бар фотодиодтар) қолданылады. Түсетін және шағылысатын оптикалық қуатты анықтау үшін уақыт\(<10~\text {ns}\)). Калориметрлер мен қуат өлшегіштері Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 термопил детекторын және үлгі орнына орнатылған диэлектрлік айнаны пайдаланып абсолютті бірліктердегі мәндерді беру үшін калибрленді. Сәулені нысанаға линзаны (шағылысқа қарсы жабын \(1.06 \upmu \text {m}\), фокустық қашықтық \(160~\text {mm}\)) және нысана бетіндегі сәуле белін 60– \(100~\upmu\text {m}\) пайдаланып фокустаңыз.
Тәжірибелік қондырғының функционалдық схемасы: 1—лазер; 2—лазерлік сәуле; 3—бейтарап тығыздық сүзгісі; 4—синхрондалған фотодиод; 5—сәуле бөлгіш; 6—диафрагма; 7—түскен сәуленің калориметрі; 8—шағылысқан сәуленің калориметрі; 9—түскен сәуленің қуат өлшегіші; 10—шағылысқан сәуленің қуат өлшегіші; 11—фокустау линзасы; 12—айна; 13—үлгі; 14—кең жолақты пьезоэлектрлік түрлендіргіш; 15—2D түрлендіргіш; 16—позициялау микроконтроллері; 17—синхрондау блогы; 18—әртүрлі іріктеу жиіліктері бар көп арналы сандық алу жүйесі; 19—дербес компьютер.
Ультрадыбыстық өңдеу келесідей жүзеге асырылады. Лазер еркін жұмыс режимінде жұмыс істейді; сондықтан лазерлік импульстің ұзақтығы шамамен 1,5 МГц болатын бірнеше ұзақтықтан тұрады. Лазерлік импульстің уақытша пішіні және оның спектрі 2-суретте көрсетілгендей, орташа жиілігі шамамен 0,7 МГц болатын төмен жиілікті қабықшадан және жоғары жиілікті модуляциядан тұрады. Жиілік қабығы материалдың қыздырылуын және кейінгі балқуын және булануын қамтамасыз етеді, ал жоғары жиілікті компонент фотоакустикалық әсерге байланысты ультрадыбыстық тербелістерді қамтамасыз етеді. Лазер тудыратын ультрадыбыстық импульстің толқын формасы негізінен лазерлік импульс қарқындылығының уақыт формасымен анықталады. Ол \(7~\text {kHz}\)-ден \(2~\text {MHz}\)-ге дейін, ал орталық жиілік \(~ 0,7~\text {MHz}\). Фотоакустикалық әсерге байланысты акустикалық импульстар поливинилиден фторидті қабықшалардан жасалған кеңжолақты пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді пайдаланып жазылды. Жазылған толқын пішіні және оның спектрі 2-суретте көрсетілген. Лазер импульстарының пішіні еркін жұмыс істейтін режимдегі лазерге тән екенін атап өткен жөн.
Үлгінің артқы бетіндегі лазерлік импульс қарқындылығының (a) және дыбыс жылдамдығының уақытша таралуы (b), лазерлік импульстің (c) және ультрадыбыстық импульстің (d) спектрлері бір лазерлік импульс үшін 300-ден астам лазерлік импульсқа (қызыл қисық) орташаланған (көк қисық).
Лазерлік импульстің төмен жиілікті қабығына және жоғары жиілікті модуляцияға сәйкес келетін акустикалық өңдеудің төмен жиілікті және жоғары жиілікті компоненттерін анық ажырата аламыз. Лазерлік импульстік қабықша тудыратын акустикалық толқындардың толқын ұзындығы \(40~\text {cm}\)-ден асады; сондықтан акустикалық сигналдың кеңжолақты жоғары жиілікті компоненттерінің микроқұрылымға негізгі әсері күтіледі.
SLM-дегі физикалық процестер күрделі және әртүрлі кеңістіктік және уақыттық масштабтарда бір мезгілде жүреді. Сондықтан, SLM-ді теориялық талдау үшін көп масштабты әдістер ең қолайлы. Математикалық модельдер бастапқыда көп физикалық болуы керек. Инертті газ атмосферасымен әрекеттесетін көп фазалы ортаның «қатты-сұйық балқымасының» механикасы мен термофизикасын тиімді сипаттауға болады. SLM-дегі материалдық жылулық жүктемелердің сипаттамалары келесідей.
Қуат тығыздығы 10^{13}~\text {W} см}^2\) дейінгі локализацияланған лазерлік сәулеленуге байланысты қыздыру және салқындату жылдамдықтары 10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ дейін жетеді.
Балқу-қатайту циклі 1-ден 10 мс-ке дейін созылады, бұл салқындату кезінде балқу аймағының тез қатаюына ықпал етеді.
Үлгі бетін тез қыздыру беткі қабатта жоғары термосерпімді кернеулердің пайда болуына әкеледі. Ұнтақ қабатының жеткілікті бөлігі (20%-ға дейін) қатты буланады63, бұл лазерлік абляцияға жауап ретінде бетке қосымша қысым жүктемесін тудырады. Нәтижесінде, индукцияланған деформация бөлшек геометриясын, әсіресе жақын тіректерде және жұқа құрылымдық элементтерде айтарлықтай бұрмалайды. Импульсті лазерлік күйдірудегі жоғары қыздыру жылдамдығы бетінен негізге таралатын ультрадыбыстық деформация толқындарының пайда болуына әкеледі. Жергілікті кернеу мен деформацияның таралуы туралы дәл сандық деректерді алу үшін жылу мен масса алмасуымен байланысты серпімді деформация мәселесінің мезоскопиялық модельдеуі орындалады.
Модельдің басқарушы теңдеулеріне (1) жылу өткізгіштік фазалық күйге (ұнтақ, балқыма, поликристалл) және температураға тәуелді болатын тұрақсыз жылу алмасу теңдеулері, (2) континуум абляциясынан кейінгі серпімді деформацияның ауытқулары және термосерпімді кеңею теңдеуі кіреді. Шекаралық мән мәселесі эксперименттік жағдайлармен анықталады. Модуляцияланған лазер ағыны үлгі бетінде анықталады. Конвективті салқындату өткізгіш жылу алмасуды және булану ағынын қамтиды. Масса ағыны буланатын материалдың қаныққан бу қысымын есептеу негізінде анықталады. Термосерпімді кернеу температура айырмашылығына пропорционалды болған кезде эластопластикалық кернеу-деформация қатынасы қолданылады. Тиімді сәуле диаметрінің номиналды қуаты (300~\text {W}), жиілігі (10^5~\text {Hz}), үзіліс коэффициенті (100) және үзіліс коэффициенті (200~\upmu {m}) үшін.
3-суретте макроскопиялық математикалық модельді қолдана отырып, балқытылған аймақты сандық модельдеу нәтижелері көрсетілген. Балқу аймағының диаметрі 200 м (100 м) радиусы және 40 м тереңдігі. Модельдеу нәтижелері импульстік модуляцияның жоғары үзіліс коэффициентіне байланысты бет температурасы уақыт бойынша 100 м (100 м) өзгеретінін көрсетеді. Қыздыру және салқындату жылдамдықтары сәйкесінше 10 м (10 м) және 10 м (10 м) аралығында. Бұл мәндер біздің алдыңғы талдауымызбен жақсы сәйкес келеді. 10 м (10 м) және 10 м (10 м) арасындағы айырмашылық беткі қабаттың тез қызып кетуіне әкеледі, мұнда субстратқа жылу өткізгіштік жылуды кетіру үшін жеткіліксіз болады. Сондықтан, 1 м (2 м) кезінде бетінің температурасы шыңы 4800~K дейін жетеді. Материалдың қарқынды булануы үлгі бетінің шамадан тыс қысымға ұшырауына және қабыршақтануына әкелуі мүмкін.
316L үлгі пластинасындағы бір лазерлік импульсті күйдірудің балқу аймағының сандық модельдеу нәтижелері. Импульстің басынан балқытылған бассейннің тереңдігіне дейінгі уақыт максималды мәнге жету үшін \(180~\upmu\text {s}\). Изотерма \(T = T_L = 1723~\text {K}\) сұйық және қатты фазалар арасындағы шекараны білдіреді. Изобаралар (сары сызықтар) келесі бөлімде температураның функциясы ретінде есептелген ақу кернеуіне сәйкес келеді. Сондықтан, екі изосызық арасындағы доменде (изотермалар \(T=T_L\) және изобаралар \(sigma =\sigma_V(T)\)) қатты фаза күшті механикалық жүктемелерге ұшырайды, бұл микроқұрылымның өзгеруіне әкелуі мүмкін.
Бұл әсер 4a-суретте толығырақ түсіндірілген, мұнда балқытылған аймақтағы қысым деңгейі уақыт пен беттен қашықтық функциясы ретінде көрсетілген. Біріншіден, қысымның мінез-құлқы жоғарыдағы 2-суретте сипатталған лазерлік импульс қарқындылығының модуляциясымен байланысты. Шамамен 10-10 МПа максималды қысым шамамен 26-26 м³ кезінде байқалды. Екіншіден, басқару нүктесіндегі жергілікті қысымның ауытқуы 500-100 кГц жиілігімен бірдей тербеліс сипаттамаларына ие. Бұл ультрадыбыстық қысым толқындарының бетінде пайда болатынын және содан кейін субстратқа таралатынын білдіреді.
Балқу аймағының жанындағы деформация аймағының есептелген сипаттамалары 4b-суретте көрсетілген. Лазерлік абляция және термосерпімді кернеу негізге таралатын серпімді деформация толқындарын тудырады. Суреттен көрініп тұрғандай, кернеудің пайда болуының екі кезеңі бар. Бірінші фазада (t < 40~\upmu \text {s}) Мизес кернеуі беттік қысымға ұқсас модуляциямен (8~\text {MPa}) дейін көтеріледі. Бұл кернеу лазерлік абляцияға байланысты пайда болады және басқару нүктелерінде термосерпімді кернеу байқалмады, себебі бастапқы жылу әсер ететін аймақ тым кішкентай болды. Жылу негізге таралған кезде, басқару нүктесі (40~\text {MPa})-тан жоғары жоғары термосерпімді кернеу тудырады.
Алынған модуляцияланған кернеу деңгейлері қатты дене-сұйықтық интерфейсіне айтарлықтай әсер етеді және қатаю жолын басқаратын басқару механизмі болуы мүмкін. Деформация аймағының өлшемі балқу аймағының өлшемінен 2-3 есе үлкен. 3-суретте көрсетілгендей, балқу изотермасының орналасуы және ағындылық кернеуіне тең кернеу деңгейі салыстырылады. Бұл импульсті лазерлік сәулелендіру лездік уақытқа байланысты 300 және 800 м аралығындағы тиімді диаметрі бар жергілікті аймақтарда жоғары механикалық жүктемелерді қамтамасыз ететінін білдіреді.
Сондықтан, импульсті лазерлік күйдірудің күрделі модуляциясы ультрадыбыстық әсерге әкеледі. Микроқұрылымды таңдау жолы ультрадыбыстық жүктемесіз SLM-мен салыстырғанда өзгеше. Деформацияланған тұрақсыз аймақтар қатты фазада қысу мен созылудың мерзімді циклдеріне әкеледі. Осылайша, жаңа түйіршік шекаралары мен түйіршік асты шекараларының пайда болуы мүмкін болады. Сондықтан, төменде көрсетілгендей, микроқұрылымдық қасиеттерді әдейі өзгертуге болады. Алынған қорытындылар импульстік модуляциямен индукцияланған ультрадыбыстық басқарылатын SLM прототипін жобалау мүмкіндігін береді. Бұл жағдайда басқа жерде қолданылатын пьезоэлектрлік индуктор 26 алынып тасталуы мүмкін.
(a) Симметрия осі бойымен 0, 20 және 40 м бетінен әртүрлі қашықтықта есептелген уақыт функциясы ретіндегі қысым.(b) Уақытқа тәуелді Вон. Үлгі бетінен 70, 120 және 170 м қашықтықта есептелген қатты матрицадағы кернеу.
Тәжірибелер өлшемдері AISI 321H тот баспайтын болат пластиналарында жүргізілді (20 есе 20 есе 5 мм). Әрбір лазерлік импульстен кейін пластина 50 м қозғалады, ал нысана бетіндегі лазер сәулесінің белі шамамен 100 м құрайды. Өңделген материалды дәнді тазарту үшін қайта балқытуды тудыру үшін бір жол бойымен беске дейін сәуле өтуі орындалады. Барлық жағдайларда лазерлік сәулеленудің тербелмелі компонентіне байланысты қайта балқытылған аймақ ультрадыбыстық өңдеуден өтті. Бұл орташа дән ауданының 5 еседен астам азаюына әкеледі. 5-суретте лазермен балқытылған аймақтың микроқұрылымы кейінгі қайта балқыту циклдерінің (өтулерінің) санымен қалай өзгеретіні көрсетілген.
(a,d,g,j) және (b,e,h,k) қосалқы графиктері – лазерлік балқытылған аймақтардың микроқұрылымы, (c,f,i,l) қосалқы графиктері – түрлі-түсті түйіршіктердің аумақтық таралуы. Көлеңкелеу гистограмманы есептеу үшін пайдаланылатын бөлшектерді білдіреді. Түстер түйіршік аймақтарына сәйкес келеді (гистограмманың жоғарғы жағындағы түс жолағын қараңыз). Қосалқы графиктер (ac) өңделмеген тот баспайтын болатқа, ал (df), (gi), (jl) қосалқы графиктері 1, 3 және 5 қайта балқытуға сәйкес келеді.
Лазер импульсінің энергиясы кейінгі өтулер арасында өзгермейтіндіктен, балқытылған аймақтың тереңдігі бірдей болады. Осылайша, кейінгі арна алдыңғысын толығымен «жабады». Дегенмен, гистограмма орташа және медианалық түйіршік ауданының өтулер санының артуымен азаятынын көрсетеді. Бұл лазердің балқымаға емес, негізге әсер ететінін көрсетуі мүмкін.
Түйіршіктердің тазартылуы балқытылған бассейннің тез салқындауы салдарынан болуы мүмкін65. Тағы бір тәжірибелер жиынтығы жүргізілді, онда тот баспайтын болат пластиналардың (321H және 316L) беттері атмосферада (6-сурет) және вакуумда (7-сурет) үздіксіз толқынды лазер сәулеленуіне ұшырады. Лазердің орташа қуаты (сәйкесінше 300 Вт және 100 Вт) және балқытылған бассейннің тереңдігі Nd:YAG лазерінің еркін жүру режиміндегі тәжірибелік нәтижелеріне жақын. Дегенмен, типтік бағаналы құрылым байқалды.
Үздіксіз толқынды лазердің лазермен балқытылған аймағының микроқұрылымы (300 Вт тұрақты қуат, 200 мм/с сканерлеу жылдамдығы, AISI 321H тот баспайтын болат).
(a) Микроқұрылым және (b) үздіксіз толқынды лазермен (100 Вт тұрақты қуат, 200 мм/с сканерлеу жылдамдығы, AISI 316L тот баспайтын болат) вакуумдағы лазермен балқытылған аймақтың электронды кері шашыраудың дифракциялық кескіндері\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Сондықтан, лазерлік импульс қарқындылығының күрделі модуляциясы алынған микроқұрылымға айтарлықтай әсер ететіні анық көрсетілген. Біз бұл әсердің механикалық табиғаты бар және балқыманың сәулелендірілген бетінен үлгінің тереңіне таралатын ультрадыбыстық тербелістердің пайда болуына байланысты пайда болады деп санаймыз. Ұқсас нәтижелер 13, 26, 34, 66, 67 зерттеулерінде Ti-6Al-4V қорытпасы 26 және тот баспайтын болат 34 сияқты әртүрлі материалдарда жоғары қарқынды ультрадыбысты қамтамасыз ететін сыртқы пьезоэлектрлік түрлендіргіштер мен ультрадыбыстық тродтарды қолдану арқылы алынды. Мүмкін механизм келесідей болжанады. Қарқынды ультрадыбыс акустикалық кавитацияны тудыруы мүмкін, бұл ультра жылдам in situ синхротронды рентгендік бейнелеуде көрсетілген. Кавитация көпіршіктерінің құлауы өз кезегінде балқытылған материалда соққы толқындарын тудырады, олардың алдыңғы қысымы шамамен 100 МПа-ға жетеді. Мұндай соққы толқындары көлемді сұйықтықтарда критикалық өлшемді қатты фазалы ядролардың пайда болуына ықпал ететіндей күшті болуы мүмкін, бұл типтік бағаналы дән құрылымын бұзады. қабат-қабат қоспа өндірісі.
Мұнда біз қарқынды ультрадыбыспен құрылымдық модификацияға жауапты тағы бір механизмді ұсынамыз. Қатқаннан кейін бірден материал балқу температурасына жақын жоғары температурада болады және өте төмен шығымдылық кернеуіне ие. Қарқынды ультрадыбыстық толқындар пластикалық ағынның ыстық, жаңа ғана қатқан материалдың түйіршік құрылымын өзгертуіне әкелуі мүмкін. Дегенмен, шығымдылық кернеуінің температураға тәуелділігі туралы сенімді эксперименттік деректер \(T\lessim 1150~\text {K}\) мекенжайында қолжетімді (8-суретті қараңыз). Сондықтан, бұл гипотезаны тексеру үшін біз балқу температурасына жақын шығымдылық кернеуінің мінез-құлқын бағалау үшін AISI 316 L болатына ұқсас Fe-Cr-Ni құрамының молекулалық динамикасын (MD) модельдеуді жүргіздік. Шығымдылық кернеуін есептеу үшін біз 70, 71, 72, 73-те егжей-тегжейлі сипатталған MD ығысу кернеуін босаңсыту әдісін қолдандық. Атомаралық өзара әрекеттесу есептеулері үшін біз 74-тен алынған ендірілген атомдық модельді (EAM) қолдандық. MD модельдеулері LAMMPS 75,76 кодтарын пайдаланып орындалды. MD модельдеулерінің егжей-тегжейлері жарияланады. басқа жерде. Температураға байланысты ағындылық кернеуінің MD есептеу нәтижелері 8-суретте қолжетімді эксперименттік деректермен және басқа бағалаулармен бірге көрсетілген77,78,79,80,81,82.
AISI 316 аустениттік тот баспайтын болат үшін шығымдылық кернеуі және MD модельдеуіне арналған модель құрамының температураға қатыстылығы. Сілтемелерден алынған эксперименттік өлшеулер: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. қараңыз. (f)82 - лазерлік көмекші қоспа өндірісі кезінде сызықтық кернеуді өлшеу үшін шығымдылық кернеуі мен температураға тәуелділіктің эмпирикалық моделі. Бұл зерттеудегі ауқымды MD модельдеу нәтижелері ақаусыз шексіз монокристалл үшін \(\vartriangleft\) және Холл-Петч қатынасы Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\) арқылы орташа түйіршік өлшемін ескере отырып, шекті түйіршіктер үшін \(\vartriangleright\) деп белгіленеді.
Көрініп тұрғандай, \(T>1500~\text {K}\) кезінде беріліс кернеуі \(40~\text {MPa}\-ден төмен түседі. Екінші жағынан, бағалаулар лазермен жасалған ультрадыбыстық амплитуданың \(40~\text {MPa}\)-ден асатынын болжайды (4b-суретті қараңыз), бұл жаңа ғана қатқан ыстық материалда пластикалық ағынды тудыру үшін жеткілікті.
SLM кезінде 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) аустениттік тот баспайтын болаттың микроқұрылымының түзілуі күрделі қарқындылық модуляцияланған импульсті лазер көзін пайдаланып эксперименталды түрде зерттелді.
Лазердің балқу аймағындағы түйіршік өлшемінің азаюы 1, 3 немесе 5 рет қайта балқытудан кейін үздіксіз лазерлік қайта балқыту нәтижесінде анықталды.
Макроскопиялық модельдеу ультрадыбыстық деформацияның қатаю фронтына оң әсер етуі мүмкін аймақтың болжамды өлшемі \(1~\text {mm}\) дейін екенін көрсетеді.
Микроскопиялық MD моделі AISI 316 аустениттік тот баспайтын болаттың беріктігінің балқу температурасына жақын жерде \(40~\text {MPa}\) дейін айтарлықтай төмендейтінін көрсетеді.
Алынған нәтижелер күрделі модуляцияланған лазерлік өңдеуді қолдана отырып, материалдардың микроқұрылымын басқару әдісін ұсынады және импульсті SLM техникасының жаңа модификацияларын жасауға негіз бола алады.
Liu, Y. және т.б. Лазерлік селективті балқыту арқылы in situ TiB2/AlSi10Mg композиттерінің микроқұрылымдық эволюциясы және механикалық қасиеттері [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. және т.б. 316L тот баспайтын болатты лазерлік селективті балқытудың дән шекарасын қайта кристалдау [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Лазермен балқытылған титан қорытпаларын лазермен қайта қыздыру арқылы икемділігі жоғары сэндвич микроқұрылымдарын in situ әзірлеу. science. Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. және т.б. Ti-6Al-4V бөлшектерін лазерлік металл тұндыру (LMD) арқылы қоспалы түрде өндіру: процесс, микроқұрылым және механикалық қасиеттер. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. және т.б. 718 қорытпасын лазерлік металл ұнтағымен бағытталған энергиямен тұндырудың микроқұрылымдық модельдеуі. Өндіріске қосу.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. және т.б. Лазерлік соққымен өңделген қоспалы түрде өндірілген үлгілердің параметрлік нейтронды Брэгг жиектерін бейнелеуді зерттеу. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Х. және т.б. Электронды сәулелік балқыту арқылы қосымша түрде жасалған Ti-6Al-4V градиенттік микроқұрылымы және механикалық қасиеттері. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).