Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдештирбестен жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Өндүрүш процессинде продукциянын микроструктурасын башкаруу үчүн тандалма лазердик эритүүгө негизделген жаңы механизм сунушталууда. Механизм татаал интенсивдүүлүк модуляцияланган лазердик нурлануу аркылуу эритилген бассейнде жогорку интенсивдүүлүктөгү ультраүн толкундарын пайда кылууга негизделген. Эксперименталдык изилдөөлөр жана сандык симуляциялар бул башкаруу механизми техникалык жактан мүмкүн экенин жана заманбап тандалма лазердик эритүүчү машиналарды долбоорлоого натыйжалуу интеграцияланышы мүмкүн экенин көрсөтүп турат.
Акыркы он жылдыктарда татаал формадагы тетиктерди кошумча өндүрүш (АӨ) бир топ өстү. Бирок, кошумча өндүрүш процесстеринин ар түрдүүлүгүнө, анын ичинде тандалма лазердик эритүү (SLM)1,2,3, түз лазердик металл чөктүрүү4,5,6, электрондук нур эрүү7,8 жана башкалар9,10 карабастан, тетиктер кемчиликтүү болушу мүмкүн. Бул негизинен эритилген бассейндин катуулануу процессинин жогорку жылуулук градиенттери, жогорку муздатуу ылдамдыгы жана эритүү жана кайра эритүү материалдарындагы ысытуу циклдеринин татаалдыгы11 менен байланышкан өзгөчөлүктөрүнө байланыштуу, бул эпитаксиалдык дандардын өсүшүнө жана олуттуу тешиктүүлүккө алып келет12,13. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, майда тең октуу дан структураларына жетүү үчүн жылуулук градиенттерин, муздатуу ылдамдыктарын жана эритменин курамын көзөмөлдөө же ар кандай касиеттеги тышкы талаалар (мисалы, УЗИ) аркылуу кошумча физикалык соккуларды колдонуу зарыл.
Көптөгөн басылмалар кадимки куюу процесстеринде катуулануу процессине вибрация менен иштетүүнүн таасири жөнүндө маселелерди козгошот14,15. Бирок, көлөмдүү эритмелерге тышкы талааны колдонуу каалаган материалдык микроструктураны түзбөйт. Эгерде суюк фазанын көлөмү аз болсо, кырдаал кескин өзгөрөт. Бул учурда, тышкы талаа катуулануу процессине олуттуу таасир этет. Электромагниттик эффекттер интенсивдүү акустикалык талааларда16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, дого аралаштырууда28 жана термелүүдө29, импульстук плазма доголорунда30,31 жана башка ыкмаларда32 каралган. Сырткы жогорку интенсивдүү УЗИ булагын (20 кГц жыштыкта) колдонуп, субстратка бекитилет. УЗИнин таасири менен дандын такталышы температура градиентинин төмөндөшүнөн жана кавитация аркылуу жаңы кристаллиттерди пайда кылуу үчүн УЗИнин жакшырышынан улам курамдык муздатуу зонасынын көбөйүшүнөн улам келип чыгат.
Бул иште биз эритүүчү лазердин өзү тарабынан пайда болгон үн толкундары менен эритилген көлмөнү үн менен иштетүү аркылуу аустениттик дат баспас болоттордун дан структурасын өзгөртүү мүмкүнчүлүгүн изилдедик. Жарыкты сиңирүүчү чөйрөгө түшкөн лазердик нурлануунун интенсивдүүлүгүн модуляциялоо материалдын микроструктурасын өзгөрткөн ультраүн толкундарынын пайда болушуна алып келет. Лазердик нурлануунун бул интенсивдүүлүгүн модуляциялоону учурдагы SLM 3D принтерлерине оңой интеграциялоого болот. Бул иштеги эксперименттер беттери интенсивдүүлүк модуляцияланган лазердик нурланууга дуушар болгон дат баспас болоттон жасалган пластиналарда жүргүзүлдү. Ошентип, техникалык жактан лазердик бетти иштетүү жүргүзүлөт. Бирок, эгерде мындай лазердик иштетүү ар бир катмардын бетинде, катмар-катмар куруу учурунда жүргүзүлсө, бүт көлөмгө же көлөмдүн тандалган бөлүктөрүнө таасир этет. Башкача айтканда, эгерде бөлүк катмар-катмар курулса, ар бир катмардын лазердик бетин иштетүү "лазердик көлөмдүк иштетүүгө" барабар.
Ал эми ультраүн мүйүзүнө негизделген ультраүн терапиясында турган үн толкунунун ультраүн энергиясы компонент боюнча бөлүштүрүлөт, ал эми лазер менен индукцияланган ультраүн интенсивдүүлүгү лазердик нурлануу сиңген чекитке жакын жерде жогорку концентрацияда болот. SLM порошок катмарын эритүүчү машинада сонотродду колдонуу татаал, анткени лазердик нурланууга дуушар болгон порошок катмарынын үстүнкү бети кыймылсыз бойдон калышы керек. Мындан тышкары, тетиктин үстүнкү бетинде механикалык чыңалуу жок. Ошондуктан, акустикалык чыңалуу нөлгө жакын жана бөлүкчөлөрдүн ылдамдыгы тетиктин бүт үстүнкү бетинде максималдуу амплитудага ээ. Эритилген көлмөнүн ичиндеги үн басымы ширетүүчү баш тарабынан пайда болгон максималдуу басымдын 0,1% ашпашы керек, анткени дат баспас болоттон жасалган 20 кГц жыштыктагы ультраүн толкундарынын толкун узундугу 0,3 м дан аз, ал эми тереңдиги адатта 0,3 мм дан аз. Ошондуктан, кавитацияга ультраүндүн таасири аз болушу мүмкүн.
Белгилей кетүүчү нерсе, металлды түз лазердик чөктүрүүдө интенсивдүүлүк боюнча модуляцияланган лазердик нурланууну колдонуу изилдөөнүн активдүү багыты болуп саналат35,36,37,38.
Лазер нурлануусунун чөйрөгө түшкөн жылуулук таасири материалдарды иштетүү үчүн дээрлик бардык лазердик ыкмалардын 39, 40 негизи болуп саналат, мисалы, кесүү41, ширетүү, катуулоо, бургулоо42, бетти тазалоо, бетти легирлөө, бетти жылтыратуу43 ж.б. Лазердин ойлоп табылышы материалдарды иштетүү ыкмаларындагы жаңы өнүгүүлөргө түрткү болду жана алдын ала жыйынтыктар көптөгөн серептерде жана монографияларда44,45,46 жалпыланган.
Белгилей кетүүчү нерсе, чөйрөгө болгон ар кандай стационардык эмес таасир, анын ичинде сиңирүүчү чөйрөгө узакка созулган таасир, андагы акустикалык толкундардын аздыр-көптүр натыйжалуу дүүлүктүрүлүшүнө алып келет. Башында негизги көңүл суюктуктардагы толкундардын лазердик дүүлүктүрүлүшүнө жана үндүн ар кандай жылуулук дүүлүктүрүү механизмдерине (жылуулуктун кеңейиши, буулануу, фазалык өтүү учурунда көлөмдүн өзгөрүшү, кысылуу ж.б.) бурулган. Көптөгөн монографияларда50, 51, 52 бул процесстин теориялык анализдери жана анын мүмкүн болгон практикалык колдонулуштары берилген.
Бул маселелер кийинчерээк ар кандай конференцияларда талкууланган жана УЗИнин лазердик дүүлүктүрүүсү лазердик технологиянын өнөр жайлык колдонмолорунда53 жана медицинада54 колдонулат. Ошондуктан, импульстук лазердик жарыктын сиңирүүчү чөйрөгө таасир этүү процессинин негизги концепциясы түзүлгөн деп эсептесе болот. Лазердик УЗИ текшерүүсү SLM тарабынан өндүрүлгөн үлгүлөрдүн кемчиликтерин аныктоо үчүн колдонулат55,56.
Лазер менен пайда болгон сокку толкундарынын материалдарга тийгизген таасири лазердик сокку менен тазалоонун57,58,59 негизи болуп саналат, ал кошумча түрдө жасалган тетиктердин60 бетин иштетүү үчүн да колдонулат. Бирок, лазердик соккуну күчөтүү наносекунддук лазердик импульстарда жана механикалык жүктөлгөн беттерде (мисалы, суюктук катмары менен)59 эң натыйжалуу, анткени механикалык жүктөө чоку басымын жогорулатат.
Катууланган материалдардын микроструктурасына ар кандай физикалык талаалардын мүмкүн болгон таасирин изилдөө үчүн эксперименттер жүргүзүлдү. Эксперименталдык түзүлүштүн функционалдык диаграммасы 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. Эркин иштөө режиминде иштеген импульстук Nd:YAG катуу абалдагы лазери колдонулган (импульстун узактыгы 150-150 см). Ар бир лазердик импульс бир катар нейтралдуу тыгыздык чыпкалары жана нур бөлгүч пластина системасы аркылуу өткөрүлөт. Нейтралдуу тыгыздык чыпкаларынын айкалышына жараша, бутага тийген импульс энергиясы 20-100 смден 100 смге чейин өзгөрүп турат. Нур бөлгүчтөн чагылган лазер нуру бир эле учурда маалыматтарды алуу үчүн фотодиодго берилет жана бутага тийген жана андан чагылган эки калориметр (узак жооп берүү убактысы 1-10 смден ашкан фотодиоддор) жана эки кубаттуулук өлчөгүчтөрү (кыска жооп берүү фотодиоддору) колдонулат. түшкөн жана чагылган оптикалык кубаттуулукту аныктоо үчүн убакыттар\(<10~\text {ns}\)). Калориметрлер жана кубаттуулук өлчөгүчтөр Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 термопил детекторун жана үлгү жайгашкан жерге орнотулган диэлектрик күзгүсүн колдонуп, абсолюттук бирдиктерде маанилерди берүү үчүн калибрленген. Нурду бутага линзаны (чагылышууга каршы каптоо 1.06 м), фокустук аралык 160 мм) жана бута бетиндеги нурдун белин 60–100 м) колдонуп фокустаңыз.
Эксперименталдык түзүлүштүн функционалдык схемасы: 1—лазер; 2—лазердик нур; 3—нейтралдуу тыгыздык чыпкасы; 4—синхрондоштурулган фотодиод; 5—нур бөлгүч; 6—диафрагма; 7—түшүүчү нурдун калориметри; 8—чагылган нурдун калориметри; 9—түшүүчү нурдун кубаттуулук өлчөгүч; 10—чагылган нурдун кубаттуулук өлчөгүч; 11—фокустоочу линза; 12—күзгү; 13—үлгү; 14—кең тилкелүү пьезоэлектрдик өзгөрткүч; 15—2D конвертер; 16—позициялоочу микроконтроллер; 17—синхрондоштуруу блогу; 18—ар кандай үлгү алуу ылдамдыгы бар көп каналдуу санариптик алуу системасы; 19—жеке компьютер.
УЗИ менен иштетүү төмөнкүдөй жүргүзүлөт. Лазер эркин иштөө режиминде иштейт; ошондуктан лазердик импульстун узактыгы 150 мкм²/с²), ал ар бири болжол менен 1,5 мкм²/с² болгон бир нече узактыктан турат. Лазердик импульстун жана анын спектринин убакыттык формасы төмөнкү жыштыктагы кабыктан жана жогорку жыштыктагы модуляциядан турат, орточо жыштыгы 2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, болжол менен 0,7 мкм²/с². Жыштыктагы кабык материалдын ысышын жана андан кийинки эришин жана бууланышын камсыз кылат, ал эми жогорку жыштыктагы компонент фотоакустикалык эффекттен улам ультраүн термелүүлөрүн камсыз кылат. Лазер тарабынан пайда болгон ультраүн импульсунун толкун формасы негизинен лазердик импульстун интенсивдүүлүгүнүн убакыт формасы менен аныкталат. Ал �(7~\text {kHz}) дан �(2~\text {MHz}) га чейин, ал эми борбордук жыштык �(~ 0.7~\text {MHz}). Фотоакустикалык эффекттен улам пайда болгон акустикалык импульстар поливинилиден фторид пленкаларынан жасалган кең тилкелүү пьезоэлектрдик өзгөрткүчтөрдү колдонуу менен жазылган. Жазылган толкун формасы жана анын спектри 2-сүрөттө көрсөтүлгөн. Белгилей кетүүчү нерсе, лазердик импульстардын формасы эркин иштеген режимдеги лазерге мүнөздүү.
Үлгүнүн арткы бетиндеги лазердик импульстун интенсивдүүлүгүнүн (а) жана үн ылдамдыгынын убакыттык бөлүштүрүлүшү (b), лазердик импульстун (с) жана ультраүн импульсунун (d) спектрлери бир лазердик импульс үчүн 300дөн ашык лазердик импульстарды (кызыл ийри сызык) орточо эсеп менен түзгөн (көк ийри сызык).
Лазердик импульстун төмөнкү жыштыктагы кабыгына жана жогорку жыштыктагы модуляцияга туура келген акустикалык иштетүүнүн төмөнкү жыштыктагы жана жогорку жыштыктагы компоненттерин так айырмалай алабыз. Лазердик импульстук кабык тарабынан пайда болгон акустикалык толкундардын толкун узундуктары \(40~\текст {см}\) ашат; ошондуктан, акустикалык сигналдын кең тилкелүү жогорку жыштыктагы компоненттеринин микротүзүлүшкө негизги таасири күтүлүүдө.
SLMдеги физикалык процесстер татаал жана ар кандай мейкиндик жана убакыт масштабдарында бир эле учурда жүрөт. Ошондуктан, SLMди теориялык талдоо үчүн көп масштабдуу ыкмалар эң ылайыктуу. Математикалык моделдер башында көп физикалык болушу керек. Андан кийин инерттүү газ атмосферасы менен өз ара аракеттенген көп фазалуу чөйрөнүн "катуу-суюк эритменин" механикасы жана термофизикасы натыйжалуу сүрөттөлүшү мүмкүн. SLMдеги материалдык жылуулук жүктөрүнүн мүнөздөмөлөрү төмөнкүлөр.
Жергиликтүү лазердик нурлануунун натыйжасында кубаттуулук тыгыздыгы 10^{13}~\text {W} см}^2\) чейинки ысытуу жана муздатуу ылдамдыктары 10^{6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ чейин жетет.
Эрүү-катуу цикли 1ден 10 мсге чейин созулат, бул муздатуу учурунда эрүү зонасынын тез катып калышына өбөлгө түзөт.
Үлгү бетин тез ысытуу беттик катмарда жогорку термоэластикалык чыңалуулардын пайда болушуна алып келет. Порошок катмарынын жетиштүү бөлүгү (20% га чейин) күчтүү бууланат63, бул лазердик абляцияга жооп катары бетке кошумча басым жүктөмүн пайда кылат. Натыйжада, индукцияланган деформация бөлүктүн геометриясын, айрыкча жакын таянычтарда жана жука структуралык элементтерде олуттуу бурмалайт. Импульстук лазердик күйгүзүүдөгү жогорку ысытуу ылдамдыгы беттен субстратка тараган ультраүн деформация толкундарынын пайда болушуна алып келет. Жергиликтүү чыңалуу жана деформациянын бөлүштүрүлүшү боюнча так сандык маалыматтарды алуу үчүн жылуулук жана масса алмашуу менен байланышкан серпилгич деформация маселесинин мезоскопиялык симуляциясы жүргүзүлөт.
Моделдин башкаруучу теңдемелерине төмөнкүлөр кирет: (1) жылуулук өткөрүмдүүлүгү фазалык абалга (порошок, эритме, поликристалл) жана температурага көз каранды болгон туруксуз жылуулук өткөрүмдүүлүк теңдемелери, (2) континуум абляциясынан кийинки серпилгич деформациянын флуктуациялары жана термо-серпилгич кеңейүү теңдемеси. Чек ара маселеси эксперименталдык шарттар менен аныкталат. Модуляцияланган лазер агымы үлгүнүн бетинде аныкталат. Конвективдик муздатуу өткөргүч жылуулук алмашууну жана буулануучу агымды камтыйт. Масса агымы буулануучу материалдын каныккан буу басымын эсептөөнүн негизинде аныкталат. Термо-серпилгич чыңалуу температуранын айырмасына пропорционалдуу болгон жерде эластопластикалык чыңалуу-деформация байланышы колдонулат. Эффективдүү нурдун диаметринин номиналдык кубаттуулугу (300~\text {W}), жыштыгы (10^5~\text {Hz}), үзгүлтүктүү коэффициент 100 жана (200~\upmu \text {m}) үчүн.
3-сүрөттө макроскопиялык математикалык моделди колдонуу менен эритилген зонанын сандык симуляциясынын жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Эритме зонасынын диаметри 200 м (100 м) радиусу жана 40 м тереңдиги. Моделдөөнүн жыйынтыктары импульстук модуляциянын жогорку үзгүлтүктүү факторунан улам жер бетинин температурасы убакыттын өтүшү менен 100 м (100 м) аралыкта өзгөрөрүн көрсөтүп турат. Ысытуу жана муздатуу ылдамдыктары тиешелүүлүгүнө жараша 10 7 м (10 7 м) жана 10 6 м (10 6 м) аралыкта. Бул маанилер мурунку анализибизге жакшы дал келет64. 10 0 м (10 0 м) жана 10 0 м (10 0 м) ортосундагы чоңдук айырмасы жер бетинин катмарынын тез ысып кетишине алып келет, мында субстратка жылуулук өткөрүү жылуулукту кетирүү үчүн жетишсиз. Ошондуктан, 10 0 м (200 м) болгондо беттин температурасы 4800~K чейин жетет. Материалдын катуу бууланышы үлгүнүн бетинин ашыкча басымга жана сыйрылып кетишине алып келиши мүмкүн.
316L үлгү пластинасындагы бир лазердик импульстук күйгүзүүнүн эрүү зонасынын сандык симуляциясынын жыйынтыктары. Импульстун башталышынан эриген көлмөнүн тереңдигине чейинки максималдуу мааниге жеткенге чейинки убакыт \(180~\upmu\text {s}\). Изотерма \(T = T_L = 1723~\text {K}\) суюк жана катуу фазалардын ортосундагы чек араны билдирет. Изобаралар (сары сызыктар) кийинки бөлүмдө температуранын функциясы катары эсептелген агып чыгуу чыңалуусуна туура келет. Ошондуктан, эки изолайндын (изотермалар \(T=T_L\) жана изобаралар \(sigma =\sigma_V(T)\)) ортосундагы доменде катуу фаза күчтүү механикалык жүктөмдөргө дуушар болот, бул микроструктуранын өзгөрүшүнө алып келиши мүмкүн.
Бул эффект 4a-сүрөттө кененирээк түшүндүрүлөт, анда эриген зонадагы басым деңгээли убакыттын жана беттен аралыктын функциясы катары көрсөтүлгөн. Биринчиден, басымдын жүрүм-туруму жогорудагы 2-сүрөттө сүрөттөлгөн лазердик импульстун интенсивдүүлүгүнүн модуляциясына байланыштуу. Болжол менен 10-10 МПа максималдуу басым болжол менен 26-26 м³ жогору болгондо байкалган. Экинчиден, башкаруу чекитиндеги жергиликтүү басымдын термелүүсү 500-100 кГц жыштыгы менен бирдей термелүү мүнөздөмөлөрүнө ээ. Бул ультраүн басым толкундары бетте пайда болуп, андан кийин субстратка тарай турганын билдирет.
Эрүү зонасынын жанындагы деформация зонасынын эсептелген мүнөздөмөлөрү 4b-сүрөттө көрсөтүлгөн. Лазердик абляция жана термоэластикалык чыңалуу негизге тараган серпилгичтүү деформация толкундарын пайда кылат. Сүрөттөн көрүнүп тургандай, чыңалуу пайда болушунун эки этабы бар. t < 40~\upmu \text {s}\ биринчи фазасында Мизес чыңалуусу беттик басымга окшош модуляция менен 8~\text {MPa}\ чейин көтөрүлөт. Бул чыңалуу лазердик абляциядан улам пайда болот жана башкаруу чекиттеринде термоэластикалык чыңалуу байкалган эмес, анткени баштапкы жылуулук таасир эткен зона өтө кичинекей болгон. Жылуулук негизге тараганда, башкаруу чекити 40~\text {MPa}\\ жогору жогорку термоэластикалык чыңалууну пайда кылат.
Алынган модуляцияланган чыңалуу деңгээлдери катуу зат-суюктук интерфейсине олуттуу таасир этет жана катуулануу жолун жөнгө салуучу башкаруу механизми болушу мүмкүн. Деформация зонасынын өлчөмү эрүү зонасынын өлчөмүнөн 2-3 эсе чоң. 3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эрүү изотермасынын жайгашкан жери жана агып чыгуу чыңалуусуна барабар чыңалуу деңгээли салыштырылат. Бул импульстук лазердик нурлануу локалдашкан жерлерде жогорку механикалык жүктөмдөрдү камсыз кылаарын билдирет, ал эми эффективдүү диаметри заматта убакытка жараша 300 жана 800 м ортосунда болот.
Ошондуктан, импульстук лазердик күйгүзүүнүн татаал модуляциясы ультраүн эффектине алып келет. Микроструктураны тандоо жолу ультраүн жүктөөсүз SLMге салыштырмалуу башкача. Деформацияланган туруксуз аймактар ​​катуу фазада кысуунун жана созулуунун мезгилдүү циклдерине алып келет. Ошентип, жаңы дан чек араларынын жана дан астындагы чек аралардын пайда болушу мүмкүн болуп калат. Ошондуктан, төмөндө көрсөтүлгөндөй, микроструктуралык касиеттерди атайылап өзгөртүүгө болот. Алынган тыянактар ​​импульстук модуляция менен индукцияланган ультраүн менен башкарылуучу SLM прототибин иштеп чыгууга мүмкүнчүлүк берет. Бул учурда, башка жерде колдонулган пьезоэлектрдик индуктор 26 алынып салынышы мүмкүн.
(а) Убакыттын функциясы катары басым, симметрия огу боюнча 0, 20 жана 40 м аралыктагы беттен ар кандай аралыкта эсептелген.(б) Убакытка көз каранды Вон Мизес чыңалуусу үлгүнүн бетинен 70, 120 жана 170 м аралыкта катуу матрицада эсептелген.
Эксперименттер AISI 321H дат баспас болоттон жасалган өлчөмдөрдө жүргүзүлдү, алардын өлчөмү (20 эсе 20 эсе 5 мм) болду. Ар бир лазердик импульстан кийин пластина (50 м) жылат, ал эми лазердик нурдун максаттуу беттеги бели болжол менен (100 м) болот. Данды тазалоо үчүн иштетилген материалды кайра эритүү үчүн ошол эле жол менен бешке чейин кийинки нур өтүүлөрү аткарылат. Бардык учурларда, лазердик нурлануунун термелүүчү компонентине жараша кайра эриген зона ультраүн менен иштетилген. Бул дандын орточо аянтынын 5 эседен ашык кыскарышына алып келет. 5-сүрөттө лазер менен эриген аймактын микроструктурасы кийинки кайра эритүү циклдеринин (өтүүлөрдүн) саны менен кандайча өзгөрөрү көрсөтүлгөн.
(a, d, g, j) жана (b, e, h, k) кошумча графиктери – лазер менен эритилген аймактардын микротүзүлүшү, (c, f, i, l) кошумча графиктери – түстүү бүртүкчөлөрдүн аянттык бөлүштүрүлүшү. Көлөкө түшүрүү гистограмманы эсептөө үчүн колдонулган бөлүкчөлөрдү билдирет. Түстөр бүртүкчөлөрдүн аймактарына туура келет (гистограмманын жогору жагындагы түс тилкесин караңыз. (ac) кошумча графиктери иштетилбеген дат баспас болотко, ал эми (df), (gi), (jl) кошумча графиктери 1, 3 жана 5 кайра эритүүгө туура келет.
Лазердин импульс энергиясы кийинки өтүүлөрдө өзгөрбөгөндүктөн, эритилген зонанын тереңдиги бирдей. Ошентип, кийинки канал мурункусун толугу менен "жаап" калат. Бирок, гистограмма орточо жана медианалык бүртүкчөлөрдүн аянты өтүүлөр санынын көбөйүшү менен азайып баратканын көрсөтүп турат. Бул лазер эритмеге эмес, негизге таасир этип жатканын көрсөтүшү мүмкүн.
Дандын тазаланышы эритилген көлмөнүн тез муздашынан келип чыгышы мүмкүн65. Дагы бир эксперименттер топтому жүргүзүлдү, анда дат баспас болоттон жасалган плиталардын (321H жана 316L) беттери атмосферада (6-сүрөт) жана вакуумда (7-сүрөт) үзгүлтүксүз толкундуу лазердик нурланууга дуушар болду. Лазердин орточо кубаттуулугу (тиешелүүлүгүнө жараша 300 Вт жана 100 Вт) жана эритилген көлмөнүн тереңдиги Nd:YAG лазеринин эркин иштөө режиминдеги эксперименталдык жыйынтыктарына жакын. Бирок, типтүү мамыча сымал түзүлүш байкалган.
Үзгүлтүксүз толкундуу лазердин лазер менен эритилген аймагынын микроструктурасы (300 Вт туруктуу кубаттуулук, 200 мм/с сканерлөө ылдамдыгы, AISI 321H дат баспас болоттон жасалган).
(а) Микроструктура жана (б) үзгүлтүксүз толкундуу лазер менен вакуумдагы лазер менен эритилген аймактын электрондук тескери чачыратуу дифракциясынын сүрөттөрү (100 Вт туруктуу кубаттуулук, 200 мм/с сканерлөө ылдамдыгы, AISI 316L дат баспас болоттон жасалган)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Ошондуктан, лазердик импульстун интенсивдүүлүгүнүн комплекстүү модуляциясы пайда болгон микроструктурага олуттуу таасир этери ачык көрсөтүлгөн. Биз бул эффект механикалык мүнөзгө ээ жана эритменин нурланган бетинен үлгүнүн тереңине тараган ультраүн термелүүсүнүн пайда болушунан улам пайда болот деп эсептейбиз. Ушул сыяктуу жыйынтыктар 13, 26, 34, 66, 67-жылдары Ti-6Al-4V эритмеси 26 жана дат баспас болот 34 сыяктуу ар кандай материалдарда жогорку интенсивдүү ультраүндү камсыз кылган тышкы пьезоэлектрдик өзгөрткүчтөрдү жана ультраүндөрдү колдонуу менен алынган. Мүмкүн болгон механизм төмөнкүдөй божомолдонот. Интенсивдүү ультраүн акустикалык кавитацияны пайда кылышы мүмкүн, бул ультратез in situ синхротрондук рентген сүрөтүндө көрсөтүлгөн. Кавитация көбүкчөлөрүнүн кыйрашы өз кезегинде эриген материалда сокку толкундарын пайда кылат, алардын алдыңкы басымы болжол менен 100 ~ \text {MPa} \)69га жетет. Мындай сокку толкундары суюктуктарда критикалык өлчөмдөгү катуу фаза ядролорунун пайда болушуна өбөлгө түзүп, типтүү мамыча сымал дан структурасын бузушу мүмкүн. катмар-катмар кошумча өндүрүш.
Бул жерде биз интенсивдүү ультраүн менен структуралык модификациялоо үчүн жооптуу дагы бир механизмди сунуштайбыз. Катуудан кийин дароо эле материал эрүү температурасына жакын жогорку температурада болот жана өтө төмөн түшүү чыңалуусуна ээ. Интенсивдүү ультраүн толкундары пластик агымынын ысык, жаңы эле катып калган материалдын бүртүкчөлөрүнүн түзүлүшүн өзгөртүүсүнө алып келиши мүмкүн. Бирок, түшүү чыңалуусунун температурага көз карандылыгы боюнча ишенимдүү эксперименталдык маалыматтар \(T\lessim 1150~\text {K}\) дарегинде жеткиликтүү (8-сүрөттү караңыз). Ошондуктан, бул гипотезаны текшерүү үчүн, эрүү температурасына жакын түшүү чыңалуусунун жүрүм-турумун баалоо максатында AISI 316 L болотуна окшош Fe-Cr-Ni курамынын молекулярдык динамикасын (MD) симуляциялоону жүргүздүк. Өтүү чыңалуусун эсептөө үчүн, биз 70, 71, 72, 73-бөлүмдөрдө кеңири баяндалган MD жылышуу чыңалуусунун релаксация ыкмасын колдондук. Атомдор аралык өз ара аракеттенүү эсептөөлөрү үчүн биз 74-жылдан алынган камтылган атомдук моделди (EAM) колдондук. MD симуляциялары LAMMPS коддорун 75,76 колдонуу менен жүргүзүлдү. MD симуляцияларынын чоо-жайы жарыяланат. башка жерде. Температуранын функциясы катары түшүү стрессинин MD эсептөө жыйынтыктары 8-сүрөттө жеткиликтүү эксперименталдык маалыматтар жана башка баалоолор менен бирге көрсөтүлгөн77,78,79,80,81,82.
AISI 316 класстагы аустениттик дат баспас болоттун түшүмдүүлүк чыңалуусунун жана MD симуляциялары үчүн температурага салыштырмалуу моделдин курамы. Шилтемелерден алынган эксперименталдык өлчөөлөр: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. караңыз. (f)82 - лазердик жардам менен кошумча өндүрүш учурунда сызык ичиндеги чыңалууну өлчөө үчүн түшүмдүүлүк чыңалуусунан температурага көз карандылыктын эмпирикалык модели. Бул изилдөөдөгү ири масштабдуу MD симуляцияларынын жыйынтыктары кемчиликсиз чексиз монокристалл үчүн \(\vartriangleft\) жана Холл-Петч катышы Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\) аркылуу орточо дан өлчөмүн эске алуу менен чектүү дандар үчүн \(\vartriangleright\) деп белгиленет.
Көрүнүп тургандай, \(T>1500~\text {K}\) болгондо, кирүүчү чыңалуу \(40~\text {MPa}\) төмөн түшөт. Башка жагынан алганда, эсептөөлөр лазер менен түзүлгөн ультраүн амплитудасы \(40~\text {MPa}\) ашып кетет деп болжолдойт (4b-сүрөттү караңыз), бул жаңы эле катып калган ысык материалда пластик агымын пайда кылуу үчүн жетиштүү.
SLM учурунда 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) аустениттик дат баспас болоттун микроструктурасынын пайда болушу татаал интенсивдүүлүк модуляцияланган импульстук лазер булагын колдонуу менен эксперименталдык түрдө изилденген.
Лазердик эрүү зонасындагы бүртүкчөлөрдүн өлчөмүнүн азайышы 1, 3 же 5 жолу өткөндөн кийин лазердик кайра эрүүнүн үзгүлтүксүздүгүнөн улам аныкталган.
Макроскопиялык моделдөө көрсөткөндөй, ультраүн деформациясы катуулануу фронтуна оң таасирин тийгизиши мүмкүн болгон аймактын болжолдуу өлчөмү \(1~\text {мм}\) чейин.
Микроскопиялык MD модели AISI 316 аустениттик дат баспас болотунун ийилүү бекемдиги эрүү температурасына жакын жерде \(40~\text {MPa}\) чейин бир кыйла төмөндөй турганын көрсөтөт.
Алынган жыйынтыктар татаал модуляцияланган лазердик иштетүүнү колдонуу менен материалдардын микроструктурасын башкаруу ыкмасын сунуштайт жана импульстук SLM ыкмасынын жаңы модификацияларын түзүү үчүн негиз боло алат.
Liu, Y. жана башкалар. Лазердик селективдүү эритүү менен in situ TiB2/AlSi10Mg композиттеринин микроструктуралык эволюциясы жана механикалык касиеттери [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. жана башкалар. 316L дат баспас болотту лазер менен тандап эритүүнүн дан чек араларын кайра кристаллдаштыруу инженериясы [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Лазер менен эритилген титан эритмелерин лазер менен кайра ысытуу аркылуу ийкемдүүлүгү жогорулаган сэндвич микроструктураларын in situ иштеп чыгуу. science. Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. жана башкалар. Ti-6Al-4V бөлүктөрүн лазердик металл чөктүрүү (LMD) жолу менен кошумча түрдө өндүрүү: процесс, микроструктура жана механикалык касиеттер. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. жана башкалар. 718 эритмесин лазердик металл порошогу менен багытталган энергия менен чөктүрүүнүн микроструктуралык моделдөөсү. Кошуу. өндүрүш.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. жана башкалар. Лазердик шок менен иштетилген кошумча жол менен өндүрүлгөн үлгүлөрдүн параметрдик нейтрондук Брэгг четин сүрөткө тартуу изилдөөсү. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Х. жана башкалар. Электрондук нур эритүү жолу менен кошумча түрдө жасалган Ti-6Al-4V градиенттик микроструктурасы жана механикалык касиеттери. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).