Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, ënnerstëtzt CSS nëmmen op limitéiert Aart a Weis. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Styling a JavaScript uweisen.
E neie Mechanismus baséiert op selektivem Laserschmelz fir d'Mikrostruktur vu Produkter am Fabrikatiounsprozess ze kontrolléieren gëtt virgeschloen. De Mechanismus baséiert op der Generatioun vun héichintensiven Ultraschallwellen am Schmelzbad duerch komplex Intensitéitsmoduléiert Laserbestrahlung. Experimentell Studien an numeresch Simulatioune weisen datt dëse Kontrollmechanismus technesch machbar ass a kann effektiv an den Design vu modernen selektive Laserschmelzmaschinne integréiert ginn.
D'additiv Fabrikatioun (AM) vu komplex geformte Komponenten ass an de leschte Joerzéngten däitlech gewuess. Trotz der Villfalt vun additive Fabrikatiounsprozesser, dorënner selektiv Laserschmelzung (SLM)1,2,3, direkt Lasermetalloflagerung4,5,6, Elektronestrahlschmelz7,8 an anerer9,10, kënnen d'Komponenten defekt sinn. Dëst ass haaptsächlech wéinst de spezifesche Charakteristike vum Schmelzbad-Erstarrungsprozess, deen mat héijen thermesche Gradienten, héijen Ofkillraten an der Komplexitéit vun den Heizzyklen a Schmelz- a Wiederschmelzmaterialien11 verbonne ass, déi zu engem epitaktischen Kärwuesstum a bedeitender Porositéit12,13 féieren. D'Resultater weisen, datt et néideg ass, thermesch Gradienten, Ofkillraten an d'Legierungszesummesetzung ze kontrolléieren oder zousätzlech physikalesch Schocken duerch extern Felder mat verschiddenen Eegeschaften (z.B. Ultraschall) unzewenden, fir fein gläichgewiichteg Kärstrukturen z'erreechen.
Vill Publikatioune beschäftege sech mam Effekt vun der Vibratiounsbehandlung um Erstarrungsprozess a konventionelle Gossprozesser14,15. Wéi och ëmmer, d'Applikatioun vun engem externen Feld op Schmelzmaterial produzéiert net déi gewënschte Materialmikrostruktur. Wann de Volumen vun der flësseger Phas kleng ass, ännert sech d'Situatioun dramatesch. An dësem Fall beaflosst dat externt Feld de Erstarrungsprozess däitlech. Elektromagnetesch Effekter goufen während intensiven akustesche Felder16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, Bouréieren28 an Oszillatioun29, gepulste Plasmabéi30,31 an aner Methoden32 berücksichtegt. Befestegt um Substrat mat enger externer Héichintensitéits-Ultraschallquell (bei 20 kHz). Déi duerch Ultraschall induzéiert Käreverfeinerung gëtt op déi erhéicht Zesummesetzungs-Ënnerkillungszon zréckgefouert wéinst dem reduzéierten Temperaturgradient an der Ultraschallverbesserung fir nei Kristallitter duerch Kavitation ze generéieren.
An dëser Aarbecht hu mir d'Méiglechkeet ënnersicht, d'Kärestruktur vun austenitesche Stol ze änneren, andeems mir de geschmollte Pool mat Schallwellen, déi vum Schmelzlaser selwer generéiert ginn, sonikéieren. D'Intensitéitsmodulatioun vun der Laserstralung, déi op dat liichtabsorbéierend Medium fällt, féiert zu der Generatioun vun Ultraschallwellen, déi d'Mikrostruktur vum Material änneren. Dës Intensitéitsmodulatioun vun der Laserstralung kann einfach an existent SLM 3D-Drécker integréiert ginn. D'Experimenter an dëser Aarbecht goufen op Edelstahlplacke duerchgefouert, deenen hir Uewerflächen intensivmoduléierter Laserstralung ausgesat waren. Technesch gesinn gëtt also eng Laseroberflächenbehandlung duerchgefouert. Wann awer sou eng Laserbehandlung op der Uewerfläch vun all Schicht duerchgefouert gëtt, ginn während dem Schicht-fir-Schicht-Opbau Auswierkungen op dat ganzt Volumen oder op ausgewielten Deeler vum Volumen erreecht. Mat anere Wierder, wann den Deel Schicht fir Schicht konstruéiert gëtt, ass d'Laseroberflächenbehandlung vun all Schicht gläichwäerteg mat enger "Laservolumenbehandlung".
Während bei der Ultraschalltherapie op Hornbasis d'Ultraschallenergie vun der stänneger Schallwell iwwer de ganze Baudeel verdeelt gëtt, während d'Laser-induzéiert Ultraschallintensitéit staark konzentréiert ass no beim Punkt, wou d'Laserstralung absorbéiert gëtt. D'Benotzung vun enger Sonotrode an enger SLM-Pulverbett-Schmelzmaschinn ass komplizéiert, well d'Uewerfläch vum Pulverbett, déi der Laserstralung ausgesat ass, stationär bleiwe soll. Zousätzlech gëtt et keng mechanesch Belaaschtung op der Uewerfläch vum Deel. Dofir ass d'akustesch Belaaschtung no bei Null an d'Partikelgeschwindegkeet huet eng maximal Amplitude iwwer déi ganz Uewerfläch vum Deel. Den Schalldrock am ganze Schmelzbad däerf net méi wéi 0,1% vum maximalen Drock sinn, deen vum Schweesskapp generéiert gëtt, well d'Wellenlängt vun Ultraschallwellen mat enger Frequenz vun 20 kHz an Edelstol 0,3 m ass, an d'Déift normalerweis manner wéi 0,3 mm ass. Dofir kann den Effekt vum Ultraschall op d'Kavitation kleng sinn.
Et sollt een feststellen, datt d'Benotzung vun Intensitéitsmoduléierter Laserstralung bei der direkter Lasermetalloflagerung en aktiven Fuerschungsberäich ass35,36,37,38.
Den thermeschen Effekt vun der Laserstralung, déi op d'Medium afënnt, ass d'Basis fir bal all Lasertechniken 39, 40 fir d'Materialveraarbechtung, wéi Schnëtt41, Schweessen, Härten, Bueren42, Uewerflächenreinigung, Uewerflächenlegierung, Uewerflächenpoléierung43, etc. D'Erfindung vum Laser huet nei Entwécklungen an de Materialveraarbechtungstechniken stimuléiert, an d'Virresultater goufen a ville Rezensiounen a Monographien44,45,46 zesummegefaasst.
Et sollt een drop hiweisen, datt all net-stationär Aktioun um Medium, och d'Laseraktioun um absorbéierende Medium, zu enger méi oder manner Effizienz vun der Anregung vun akustesche Wellen dran féiert. Ufanks louch den Haaptfokus op der Laseranregung vu Wellen a Flëssegkeeten an de verschiddene thermeschen Anregungsmechanismen vum Schall (thermesch Expansioun, Verdampfung, Volumenännerung während dem Phaseniwwergang, Kontraktioun, etc.) 47, 48, 49. Vill Monographien 50, 51, 52 liwweren theoretesch Analysen vun dësem Prozess a senge méigleche prakteschen Uwendungen.
Dës Themen goufen duerno op verschiddene Konferenzen diskutéiert, an d'Lasererregung vum Ultraschall huet Uwendungen souwuel an industriellen Uwendungen vun der Lasertechnologie53 wéi och an der Medizin54. Dofir kann een dovun ausgoen, datt de Basiskonzept vum Prozess, duerch deen gepulst Laserliicht op en absorbéierend Medium wierkt, etabléiert ass. Laser-Ultraschallinspektioun gëtt fir d'Defektdetektioun vun SLM-hergestallte Proben55,56 benotzt.
Den Effekt vu lasergeneréierte Schockwellen op Materialien ass d'Basis vum Laserschockpeening57,58,59, wat och fir d'Uewerflächenbehandlung vun additiv hiergestallten Deeler60 benotzt gëtt. Wéi och ëmmer, d'Laserschockverstäerkung ass am effektivsten op Nanosekonne-Laserimpulser a mechanesch belaaschte Flächen (z.B. mat enger Flëssegkeetsschicht)59, well d'mechanesch Belaaschtung de Spëtzendrock erhéicht.
Experimenter goufen duerchgefouert fir déi méiglech Auswierkunge vu verschiddene physikalesche Felder op d'Mikrostruktur vu feste Materialien z'ënnersichen. Den funktionellen Diagramm vum experimentellen Opbau ass an der Figur 1 gewisen. E gepulsten Nd:YAG Festkierperlaser, deen am fräilafende Modus funktionéiert (Pulsdauer \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)), gouf benotzt. All Laserpuls gëtt duerch eng Serie vun Neutraldichtfilteren an e Stralesplitter-Plattesystem geleet. Ofhängeg vun der Kombinatioun vun Neutraldichtfilteren variéiert d'Pulsenergie um Zil vun \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) bis \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). De Laserstral, dee vum Stralesplitter reflektéiert gëtt, gëtt un eng Photodiod fir gläichzäiteg Datenerfassung geleet, an zwee Kalorimeter (Photodioden mat enger laanger Reaktiounszäit, déi \(1~\text {ms}\)) iwwerschreit, ginn benotzt fir den op d'Zil agefallten an dovun reflektéierten Effekt ze bestëmmen, an zwee Leeschtungsmiesser (Photodioden mat kuerzer Reaktiounszäit...) mol\(<10~\text {ns}\)) fir déi afal an reflektéiert optesch Leeschtung ze bestëmmen. Kalorimeter a Leeschtungsmiesser goufen kalibréiert fir Wäerter an absoluten Eenheeten ze ginn andeems en Thermopiledetektor Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 an engem dielektresche Spigel, deen op der Proufplaz montéiert ass, benotzt gouf. Fokusséiert de Stral op d'Zil mat enger Lëns (Antireflexbeschichtung bei \(1.06 \m}\), Brennwäit \(160~\text {mm}\)) an enger Straltaille op der Ziloberfläche 60– \(100~\m}\).
Funktional schematesch Duerstellung vum experimentellen Opbau: 1—Laser; 2—Laserstrahl; 3—Neutraldichtfilter; 4—Synchroniséiert Photodiod; 5—Stralensplitter; 6—Membran; 7—Kalorimeter vum afalenden Stral; 8—Kalorimeter vum reflektéierte Stral; 9—Leeschtungsmesser vum afalenden Stral; 10—Leeschtungsmesser vum reflektéierte Stral; 11—Fokussierlëns; 12—Spigel; 13—Prouf; 14—Breitband-piezoelektrischen Transducer; 15—2D-Konverter; 16—Positionéierungsmikrocontroller; 17—Synchroniséierungseenheet; 18—Multikanal-digital Acquisitiounssystem mat verschiddene Samplingraten; 19—Perséinleche Computer.
D'Ultraschallbehandlung gëtt wéi follegt duerchgefouert. De Laser funktionéiert am Fräilafmodus; dofir ass d'Dauer vum Laserpuls ≥ 150 s, déi aus verschiddene Dauer vun ongeféier 1,5 s besteet. Déi zäitlech Form vum Laserpuls a säi Spektrum bestinn aus enger Nidderfrequenz-Hülle an enger Héichfrequenz-Modulatioun, mat enger Duerchschnëttsfrequenz vu ronn 0,7 MHz, wéi an der Figur 2 gewisen. D'Frequenz-Hülle suergt fir d'Erhëtzung an d'spéider Schmelzen an d'Verdampfung vum Material, während d'Héichfrequenzkomponent d'Ultraschallvibratiounen duerch den photoakusteschen Effekt suergt. D'Wellenform vum Ultraschallpuls, deen vum Laser generéiert gëtt, gëtt haaptsächlech vun der Zäitform vun der Laserpulsintensitéit bestëmmt. Et ass vu (7~ kHz) bis (2~ MHz), an d'Mëttfrequenz ass (~ 0,7~ MHz). Akustesch Impulser wéinst dem photoakusteschen Effekt goufen mat Breitband-piezoelektresche Wandler aus Polyvinylidenfluoridfilmer opgeholl. Déi opgeholl Welleform an hire Spektrum sinn an der Figur 2 gewisen. Et sollt bemierkt ginn, datt d'Form vun de Laserimpulser typesch fir e fräilafende Laser ass.
Zäitlech Verdeelung vun der Laserpulsintensitéit (a) an der Schallgeschwindegkeet op der Récksäit vun der Prouf (b), Spektre vum Laserpuls (c) an dem Ultraschallpuls (d) hunn am Duerchschnëtt iwwer 300 Laserpulser (rout Kurve) fir een eenzege Laserpuls (blo Kurve) gemooss.
Mir kënnen déi niddreg- a héichfrequent Komponenten vun der akustescher Behandlung kloer ënnerscheeden, déi der niddregfrequenter Enveloppe vum Laserpuls respektiv der héichfrequenter Modulatioun entspriechen. D'Wellenlängte vun den akustesche Wellen, déi vum Laserpuls-Enveloppe generéiert ginn, iwwerschreiden \(40~\text {cm}\); dofir gëtt den Haapteffekt vun de breedbandhéichfrequent Komponenten vum akustesche Signal op d'Mikrostruktur erwaart.
Déi physikalesch Prozesser am SLM si komplex a geschéien gläichzäiteg op verschiddene raimlechen an zäitlechen Skalen. Dofir si Multi-Skala-Methoden am beschte gëeegent fir d'theoretesch Analyse vum SLM. Mathematesch Modeller sollten ufanks multiphysikalesch sinn. D'Mechanik an d'Thermophysik vun engem Méiphasmedium "Fest-Flësseg-Schmelz", dat mat enger Inertgasatmosphär interagéiert, kënnen dann effektiv beschriwwe ginn. D'Charakteristike vun de Materialthermbelaaschtungen am SLM sinn wéi follegt.
Heiz- a Killgeschwindegkeete bis zu \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ wéinst lokaliséierter Laserbestrahlung mat Leeschtungsdichten bis zu \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
De Schmelz- a Festigungszyklus dauert tëscht 1 an 10 ms, wat zu der schneller Festigung vun der Schmelzzon während dem Ofkille bäidréit.
Schnell Erhëtzung vun der Proufoberfläch féiert zur Bildung vun héijen thermoelastesche Spannungen an der Uewerflächenschicht. En ausreechenden (bis zu 20%) Deel vun der Pulverschicht gëtt staark verdampft63, wat zu enger zousätzlecher Drockbelaaschtung op der Uewerfläch als Äntwert op d'Laserablatioun féiert. Dofir verzerrt déi induzéiert Dehnung d'Geometrie vum Deel däitlech, besonnesch bei Ënnerstëtzer an dënnen Strukturelementer. Déi héich Erhëtzungsquote beim Pulslaserglühen féiert zur Generatioun vun Ultraschalldehnungswellen, déi sech vun der Uewerfläch op de Substrat ausbreeden. Fir präzis quantitativ Donnéeën iwwer d'lokal Spannungs- a Dehnungsverdeelung ze kréien, gëtt eng mesoskopesch Simulatioun vum elastesche Deformatiounsproblem a Verbindung mat Hëtzt- a Massentransfer duerchgefouert.
Déi gülteg Equatioune vum Modell enthalen (1) onbestänneg Wärmetransfer-Equatiounen, wou d'Wärmeleitfäegkeet vum Phasenzoustand (Pulver, Schmelz, polykristallin) an der Temperatur ofhänkt, (2) Schwankungen an der elastescher Deformatioun no der Kontinuumablatioun an der thermoelastescher Expansiounsgläichung. De Randwäertproblem gëtt duerch experimentell Konditioune bestëmmt. De moduléierte Laserflux gëtt op der Proufuewerfläch definéiert. Konvektiv Ofkillung enthält leedend Wärmeaustausch an evaporative Flux. De Massefluss gëtt op Basis vun der Berechnung vum gesättigte Dampdrock vum verdampfende Material definéiert. D'elastoplastesch Spannungs-Dehnungs-Bezéiung gëtt benotzt, wou d'thermoelastesch Spannung proportional zum Temperaturënnerscheed ass. Fir Nennleistung (300~W), Frequenz (105~Hz), intermittéierend Koeffizient (100) an (200~m) vum effektiven Stralduerchmiesser.
Figur 3 weist d'Resultater vun der numerescher Simulatioun vun der geschmollte Zon mat Hëllef vun engem makroskopesche mathematesche Modell. Den Duerchmiesser vun der Schmelzzon ass 200~m (100~m Radius) an 40~m Déift. D'Simulatiounsresultater weisen, datt d'Uewerflächentemperatur lokal mat der Zäit variéiert wéi 100K wéinst dem héijen intermittéierende Faktor vun der Pulsmodulatioun. D'Heizungs- (V_h) an d'Ofkillungsraten (V_c) sinn an der Gréisstenuerdnung vun (10^7) respektiv (10^6~K/s). Dës Wäerter stëmmen gutt mat eiser viregter Analyse iwwereneen64. En Ënnerscheed vun enger Gréisstenuerdnung tëscht (V_h) an (V_c) féiert zu enger schneller Iwwerhëtzung vun der Uewerflächenschicht, wou d'Wärmeleitung zum Substrat net ausreechend ass, fir d'Hëtzt ewechzehuelen. Dofir, bei (t=26~... D'Uewerflächentemperatur erreecht bis zu 4800 K. Eng staark Verdampfung vum Material kann dozou féieren, datt d'Proufuewerfläch engem exzessive Drock ausgesat ass a sech ofschielt.
Numeresch Simulatiounsresultater vun der Schmelzzon vun engem Eenzellaserpulsglühung op enger 316L Proufplack. D'Zäit vum Ufank vum Puls bis zur Déift vum geschmollte Pool, deen de maximale Wäert erreecht, ass \(180~\upmu\text {s}\). D'Isotherm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) representéiert d'Grenz tëscht der flësseger a fester Phas. D'Isobaren (giel Linnen) entspriechen der Streckgrenz, déi als Funktioun vun der Temperatur an der nächster Sektioun berechent gëtt. Dofir ass am Beräich tëscht den zwou Isolinnen (Isothermen\(T=T_L\) an Isobaren\(\sigma =\sigma _V(T)\)) déi fest Phas staarke mechanesche Belaaschtungen ausgesat, déi zu Verännerungen an der Mikrostruktur féiere kënnen.
Dësen Effekt gëtt weider an der Figur 4a erkläert, wou den Drockniveau an der geschmoltener Zon als Funktioun vun der Zäit an der Distanz vun der Uewerfläch duergestallt ass. Éischtens hänkt d'Drockverhalen mat der Modulatioun vun der Laserpulsintensitéit zesummen, déi an der Figur 2 uewen beschriwwe gëtt. En maximalen Drock \text{s}\) vun ongeféier \(10~\text {MPa}\) gouf bei ongeféier \(t=26~\upmu) observéiert. Zweetens huet d'Schwankung vum lokalen Drock um Kontrollpunkt déiselwecht Schwéngungseigenschaften wéi d'Frequenz vun \(500~\text {kHz}\). Dëst bedeit, datt Ultraschalldrockwellen un der Uewerfläch generéiert ginn an sech dann an de Substrat ausbreeden.
Déi berechent Charakteristike vun der Deformatiounszon no bei der Schmelzzon sinn an der Fig. 4b gewisen. Laserablatioun an thermoelastesch Spannung generéieren elastesch Deformatiounswellen, déi sech an de Substrat ausbreeden. Wéi aus der Figur ze gesinn ass, gëtt et zwou Etappen vun der Spannungsgeneratioun. Wärend der éischter Phase vun (t < 40~\upmu \text {s}) klëmmt d'Mises-Spannung op (8~\text {MPa}) mat enger Modulatioun ähnlech wéi den Uewerflächendrock. Dës Spannung entsteet wéinst der Laserablatioun, an et gouf keng thermoelastesch Spannung an de Kontrollpunkten observéiert, well déi initial Hëtzt-beaflosst Zon ze kleng war. Wann d'Hëtzt an de Substrat ofgeleet gëtt, generéiert de Kontrollpunkt eng héich thermoelastesch Spannung iwwer (40~\text {MPa}).
Déi kritt moduléiert Spannungsniveauen hunn e wesentlechen Afloss op d'Grenzfläche tëscht Feststoff a Flëssegkeet a kéinten de Kontrollmechanismus sinn, deen de Wee vun der Erstarrung reguléiert. D'Gréisst vun der Deformatiounszon ass 2 bis 3 Mol méi grouss wéi déi vun der Schmelzzon. Wéi an der Figur 3 gewisen, ginn d'Lag vun der Schmelzisotherm an de Spannungsniveau, deen der Streckgrenz gläich ass, verglach. Dëst bedeit, datt d'pulséiert Laserbestrahlung héich mechanesch Belaaschtungen a lokaliséierte Beräicher mat engem effektiven Duerchmiesser tëscht 300 an 800 m verursaacht, ofhängeg vun der momentaner Zäit.
Dofir féiert déi komplex Modulatioun vum gepulsten Laserglühen zum Ultraschalleffekt. De Mikrostrukturauswielwee ass anescht am Verglach mam SLM ouni Ultraschallbelaaschtung. Deforméiert onstabil Regiounen féieren zu periodesche Kompressiouns- a Streckzyklen an der fester Phas. Sou gëtt d'Bildung vun neie Kärengrenzen a Subkärengrenzen machbar. Dofir kënnen d'mikrostrukturell Eegeschafte bewosst geännert ginn, wéi hei ënnendrënner gewisen. Déi kritt Conclusiounen erméiglechen d'Méiglechkeet, e Pulsmodulatiounsinduzéierten Ultraschall-gedriwwenen SLM-Prototyp ze designen. An dësem Fall kann den piezoelektreschen Induktor 26, deen soss anzwousch benotzt gëtt, ausgeschloss ginn.
(a) Drock als Funktioun vun der Zäit, berechent op verschiddenen Distanzen vun der Uewerfläch 0, 20 an 40 m laanscht d'Symmetrieachs. (b) Zäitofhängeg Von Mises-Spannung berechent an enger fester Matrix op Distanzen 70, 120 an 170 m vun der Proufuewerfläch.
Experimenter goufen op Edelstahlplacke aus AISI 321H mat den Dimensiounen 20 x 20 x 5 mm duerchgefouert. No all Laserpuls beweegt sech d'Plack 50 m, an d'Laserstrahltaille op der Ziloberfläche ass ongeféier 100 m. Bis zu fënnef hannereneen Strahlduerchgäng ginn laanscht déiselwecht Streck duerchgefouert, fir d'Neimschmëlze vum veraarbechte Material fir d'Käreverfeinerung ze induzéieren. An alle Fäll gouf déi nei geschmolz Zon sonikéiert, ofhängeg vun der oszilléierender Komponent vun der Laserstralung. Dëst resultéiert an enger méi wéi 5-facher Reduktioun vun der duerchschnëttlecher Kärefläch. Figur 5 weist, wéi d'Mikrostruktur vun der lasergeschmolzter Regioun sech mat der Unzuel vun den duernofolgenden Neischmëlzzyklen (Duerchgäng) ännert.
Ënnerdiagrammer (a, d, g, j) an (b, e, h, k) – Mikrostruktur vu lasergeschmolzene Regiounen, Ënnerdiagrammer (c, f, i, l) – Flächenverdeelung vu faarwege Kären. D'Schattéierung representéiert d'Partikelen, déi fir d'Berechnung vum Histogramm benotzt goufen. D'Faarwe korrespondéieren mat de Kärregiounen (kuckt d'Faarfbalk uewen am Histogramm). Ënnerdiagrammer (ac) korrespondéieren mat onbehandeltem Edelstahl, an Ënnerdiagrammer (df), (gi), (jl) korrespondéieren mat 1, 3 an 5 Neischmëlzungen.
Well d'Energie vum Laserpuls sech net tëscht de spéideren Duerchgäng ännert, ass d'Déift vun der geschmollte Zon d'selwecht. Sou "deckt" de spéideren Kanal dee virdrun komplett of. Den Histogramm weist awer, datt déi duerchschnëttlech a median Kärfläch mat zunehmender Zuel vun de Duerchgäng ofhëlt. Dëst kéint drop hiweisen, datt de Laser um Substrat anstatt um Schmelz wierkt.
D'Käreverfeinerung kann duerch eng séier Ofkillung vum Schmelzbad verursaacht ginn65. Eng aner Rei vun Experimenter gouf duerchgefouert, bei deenen d'Uewerfläche vun Edelstahlplacken (321H an 316L) der kontinuéierlecher Wellenlaserstralung an der Atmosphär (Fig. 6) a Vakuum (Fig. 7) ausgesat goufen. Déi duerchschnëttlech Laserleistung (300 W respektiv 100 W) an d'Déift vum Schmelzbad sinn no bei den experimentellen Resultater vum Nd:YAG-Laser am fräilafende Modus. Wéi och ëmmer, gouf eng typesch Säulenstruktur observéiert.
Mikrostruktur vum lasergeschmolzene Beräich vun engem kontinuéierleche Wellelaser (300 W konstant Leeschtung, 200 mm/s Scangeschwindegkeet, Edelstahl AISI 321H).
(a) Mikrostruktur an (b) Elektronen-Réckstreuungsdiffraktiounsbiller vun der lasergeschmolzener Regioun am Vakuum mat engem kontinuéierleche Wellenlaser (100 W konstant Leeschtung, 200 mm/s Scangeschwindegkeet, Edelstahl AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Dofir ass et kloer gewise ginn, datt déi komplex Modulatioun vun der Laserpulsintensitéit en signifikanten Effekt op déi resultéierend Mikrostruktur huet. Mir gleewen, datt dësen Effekt mechanesch vun Natur ass a wéinst der Generatioun vun Ultraschallvibratiounen entsteet, déi sech vun der bestrahlter Uewerfläch vun der Schmelz déif an d'Prouf ausbreeden. Ähnlech Resultater goufen an 13, 26, 34, 66, 67 mat Hëllef vun externen piezoelektreschen Transduceren a Sonotroden kritt, déi héichintensiv Ultraschall a verschiddene Materialien, dorënner Ti-6Al-4V Legierung 26 an Edelstol 34, liwweren. De méigleche Mechanismus gëtt wéi follegt spekuléiert. Intensiv Ultraschall kann akustesch Kavitatioun verursaachen, wéi an der ultraschneller In-situ Synchrotron-Röntgenbildgebung demonstréiert. Den Zesummebroch vun de Kavitatiounsblosen generéiert dann Schockwellen am geschmoltenem Material, deem säin Frontdrock ongeféier \(100~\text {MPa}\)69 erreecht. Sou Schockwellen kënne staark genuch sinn, fir d'Bildung vu kritesch grouss Festphaskären a Groussflëssegkeeten ze förderen, wouduerch déi typesch säulenförmig Kärstruktur vun Schicht-fir-Schicht-Additiven ënnerbrach gëtt. Fabrikatioun.
Hei proposéiere mir en anere Mechanismus, deen fir strukturell Modifikatioun duerch intensiv Sonikéierung verantwortlech ass. Direkt no der Erstarrung ass d'Material op enger héijer Temperatur no beim Schmelzpunkt a weist eng extrem niddreg Streckgrenz. Intensiv Ultraschallwellen kënnen de plastesche Floss verursaachen, fir d'Kärstruktur vum waarmen, grad erstarrten Material ze änneren. Wéi och ëmmer, zouverlässeg experimentell Donnéeën iwwer d'Temperaturabhängegkeet vun der Streckgrenz sinn verfügbar ënner \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (kuckt Figur 8). Dofir, fir dës Hypothese ze testen, hu mir molekulare Dynamik (MD) Simulatiounen vun enger Fe-Cr-Ni Zesummesetzung ähnlech wéi AISI 316 L Stol duerchgefouert, fir d'Streckgrenzverhalen no beim Schmelzpunkt ze evaluéieren. Fir d'Streckgrenz ze berechnen, hu mir d'MD Scherspannungsrelaxatiounstechnik benotzt, déi an 70, 71, 72, 73 detailléiert ass. Fir d'interatomesch Interaktiounsberechnungen hu mir den Embedded Atomic Model (EAM) aus 74 benotzt. MD Simulatioune goufen mat LAMMPS Coden 75,76 duerchgefouert. Detailer vun den MD Simulatioune ginn soss anzwousch publizéiert. D'MD Berechnungsresultater vun der Streckgrenz Spannung als Funktioun vun der Temperatur sinn an der Fig. 8 zesumme mat verfügbaren experimentellen Donnéeën an aneren Evaluatiounen duergestallt77,78,79,80,81,82.
Streichspannung fir austenitischem Edelstahl AISI Grad 316 a Modellzesummesetzung géint Temperatur fir MD Simulatiounen. Experimentell Miessunge vu Referenzen: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. kuckt op. (f)82 ass en empirescht Modell vun der Streichspannungs-Temperaturabhängegkeet fir In-Line Spannungsmiessung während lasergestëtzter additiver Fabrikatioun. D'Resultater vun den MD Simulatiounen a grousser Skala an dëser Studie ginn als \(\vartriangleleft\) fir en defektfräien onendlechen Eenzelkristall a \(\vartriangleright\) fir endlech Kären bezeechent, andeems d'duerchschnëttlech Kärgréisst iwwer d'Hall-Petch Relatioun berécksiichtegt gëtt. Dimensiounen\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Et ass ze gesinn, datt bei \(T>1500~\text {K}\) d'Flëssspannung ënner \(40~\text {MPa}\) fällt. Op der anerer Säit prognostizéieren Schätzungen, datt d'lasergeneréiert Ultraschallamplitude \(40~\text {MPa}\) iwwerschreit (kuckt Abb. 4b), wat ausreechend ass, fir e plastesche Flëss am waarme Material, dat grad fest ginn ass, ze induzéieren.
D'Mikrostrukturbildung vun 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austeniteschem Edelstol während dem SLM gouf experimentell mat enger komplexer Intensitéitsmoduléierter gepulster Laserquell ënnersicht.
Eng Reduktioun vun der Käregréisst an der Laser-Schmëlzzon gouf wéinst der kontinuéierlecher Laser-Nei-Schmëlzung no 1, 3 oder 5 Duerchgäng festgestallt.
Makroskopesch Modelléierung weist, datt déi geschätzte Gréisst vun der Regioun, wou Ultraschalldeformatioun d'Erstarrungsfront positiv beaflosse kéint, bis zu 1 mm läit.
De mikroskopesche MD-Modell weist, datt d'Flëssgrenz vum austenitesche Edelstol AISI 316 däitlech op \(40~\text {MPa}\) no beim Schmelzpunkt reduzéiert gëtt.
Déi kritt Resultater suggeréieren eng Method fir d'Kontroll vun der Mikrostruktur vu Materialien mat Hëllef vun enger komplexer moduléierter Laserveraarbechtung a kéinten als Basis fir d'Schafung vun neie Modifikatioune vun der gepulster SLM-Technik déngen.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturell Evolutioun a mechanesch Eegeschafte vun in situ TiB2/AlSi10Mg Kompositen duerch laserselektiv Schmelzen [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rekristallisatiouns-Kärngrenztechnik vum Laserselektive Schmelzen vun 316L Edelstahl [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ Entwécklung vu Sandwich-Mikrostrukturen mat verbesserter Duktilitéit duerch Laser-Neiheizung vu lasergeschmoltenen Titanlegierungen. science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Additiv Fabrikatioun vun Ti-6Al-4V Deeler duerch Lasermetalloflagerung (LMD): Prozess, Mikrostruktur a mechanesch Eegeschaften. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturell Modelléierung vun der duerch Lasermetallpulver geriichter Energieoflagerung vun der Legierung 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametresch Neutronen-Bragg-Kantebildgebungsstudie vun additiv hiergestallte Proben, déi duerch Laserschockpeening behandelt goufen. science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradientmikrostruktur a mechanesch Eegeschafte vun Ti-6Al-4V, déi additiv duerch Elektronestrahlschmëlzung hiergestallt goufen. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).