Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad užtikrintumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodysime be stilių ir „JavaScript“.
Siūlomas naujas mechanizmas, pagrįstas selektyviu lazeriniu lydymu, skirtas gaminių mikrostruktūrai valdyti gamybos procese. Mechanizmas remiasi didelio intensyvumo ultragarso bangų generavimu išlydyto mišinio vonelėje, naudojant sudėtingą intensyvumo moduliuotą lazerio spinduliuotę. Eksperimentiniai tyrimai ir skaitmeniniai modeliavimai rodo, kad šis valdymo mechanizmas yra techniškai įmanomas ir gali būti efektyviai integruotas į šiuolaikinių selektyviojo lazerinio lydymo mašinų konstrukciją.
Pastaraisiais dešimtmečiais sudėtingų formų detalių adityvioji gamyba (AM) gerokai išaugo. Tačiau, nepaisant adityviosios gamybos procesų įvairovės, įskaitant selektyvųjį lazerinį lydymą (SLM)1,2,3, tiesioginį lazerinį metalo nusodinimą4,5,6, elektronų pluošto lydymą7,8 ir kitus9,10, detalės gali turėti defektų. Taip yra daugiausia dėl specifinių išlydyto vandens telkinio kietėjimo proceso savybių, susijusių su dideliais terminiais gradientais, dideliu aušinimo greičiu ir kaitinimo ciklų sudėtingumu lydant ir perlydant medžiagą11, dėl kurių atsiranda epitaksinis grūdelių augimas ir didelis poringumas.12,13 tyrimai parodė, kad norint gauti smulkias lygiaašes grūdelių struktūras, būtina kontroliuoti terminius gradientus, aušinimo greitį ir lydinio sudėtį arba taikyti papildomus fizinius smūgius išoriniais įvairių savybių laukais, tokiais kaip ultragarsas.
Daugybė publikacijų nagrinėja vibracinio apdorojimo poveikį kietėjimo procesui įprastiniuose liejimo procesuose14,15. Tačiau išorinio lauko taikymas biriam lydalui nesukuria norimos medžiagos mikrostruktūros. Jei skystosios fazės tūris yra mažas, situacija smarkiai pasikeičia. Šiuo atveju išorinis laukas daro didelę įtaką kietėjimo procesui. Buvo svarstomi intensyvūs garso laukai16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, lanko maišymas28 ir osciliacija29, elektromagnetiniai efektai impulsinių plazmos lankų metu30,31 ir kiti metodai32. Pritvirtinkite prie pagrindo naudodami išorinį didelio intensyvumo ultragarso šaltinį (20 kHz dažniu). Ultragarso sukeltas grūdelių smulkinimas priskiriamas padidėjusiai konstitucinei peršaldymo zonai dėl sumažėjusio temperatūros gradiento ir ultragarso sustiprinimo, kad kavitacijos būdu susidarytų nauji kristalitai.
Šiame darbe nagrinėjome galimybę pakeisti austenitinio nerūdijančiojo plieno grūdelių struktūrą, sonikuojant išlydytą vonią garso bangomis, kurias generuoja pats lydymo lazeris. Lazerio spinduliuotės, krintančios ant šviesą sugeriančios terpės, intensyvumo moduliacija sukuria ultragarso bangas, kurios keičia medžiagos mikrostruktūrą. Ši lazerio spinduliuotės intensyvumo moduliacija gali būti lengvai integruota į esamus SLM 3D spausdintuvus. Šio darbo eksperimentai buvo atlikti su nerūdijančio plieno plokštėmis, kurių paviršiai buvo veikiami moduliuoto intensyvumo lazerio spinduliuote. Taigi, techniškai atliekamas lazerinis paviršiaus apdorojimas. Tačiau jei toks lazerinis apdorojimas atliekamas kiekvieno sluoksnio paviršiuje, sluoksnis po sluoksnio formuojant, pasiekiamas poveikis visam tūriui arba pasirinktoms tūrio dalims. Kitaip tariant, jei detalė konstruojama sluoksnis po sluoksnio, kiekvieno sluoksnio lazerinis paviršiaus apdorojimas prilygsta „lazeriniam tūrio apdorojimui“.
Ultragarsinėje terapijoje, pagrįstoje raginiu ultragarsu, stovinčios garso bangos energija pasiskirsto visame komponente, o lazerio sukeltas ultragarso intensyvumas yra labai koncentruotas netoli taško, kuriame lazerio spinduliuotė sugeriama. Sonotrodo naudojimas SLM miltelių sluoksnio lydymo mašinoje yra sudėtingas, nes lazerio spinduliuotės veikiamas miltelių sluoksnio viršutinis paviršius turi likti nejudantis. Be to, detalės viršutiniame paviršiuje nėra mechaninio įtempio. Todėl akustinis įtempis yra artimas nuliui, o dalelių greitis turi maksimalią amplitudę per visą detalės viršutinį paviršių. Garso slėgis visame išlydyto metalo vonelėje negali viršyti 0,1 % maksimalaus suvirinimo galvutės sukuriamo slėgio, nes ultragarso bangų, kurių dažnis yra 20 kHz, bangos ilgis nerūdijančiame pliene yra \(\sim 0,3~\text {m}\), o gylis paprastai yra mažesnis nei \(\sim 0,3~\text {mm}\). Todėl ultragarso poveikis kavitacijai gali būti nedidelis.
Reikėtų pažymėti, kad intensyvumo moduliacijos lazerio spinduliuotės naudojimas tiesioginiame lazeriniame metalų nusodiname yra aktyvi tyrimų sritis35,36,37,38.
Lazerio spinduliuotės, krintančios į terpę, terminis poveikis yra beveik visų medžiagų apdirbimo lazerinių technikų 39, 40, tokių kaip pjovimas 41, suvirinimas, grūdinimas, gręžimas 42, paviršiaus valymas, paviršiaus legiravimas, paviršiaus poliravimas 43 ir kt., pagrindas. Medžiagų apdorojimo technologijos ir preliminarūs rezultatai apibendrinti daugelyje apžvalgų ir monografijų 44, 45, 46.
Reikėtų pažymėti, kad bet koks nestacionarus poveikis terpei, įskaitant lazerinį poveikį sugeriančiai terpei, daugiau ar mažiau efektyviai sužadina joje akustines bangas. Iš pradžių daugiausia dėmesio buvo skiriama lazeriniam bangų sužadinimui skysčiuose ir įvairiems garso terminio sužadinimo mechanizmams (šiluminis plėtimasis, garavimas, tūrio pokytis fazinio virsmo metu, susitraukimas ir kt.) [47, 48, 49]. Daugybėje monografijų [50, 51, 52] pateikiama teorinė šio proceso ir galimų praktinių pritaikymų analizė.
Šie klausimai vėliau buvo aptarti įvairiose konferencijose, o ultragarso sužadinimas lazeriu taikomas tiek pramoniniuose lazerių technologijų taikymuose53, tiek medicinoje54. Todėl galima laikyti, kad pagrindinė proceso, kuriuo impulsinė lazerio šviesa veikia sugeriančią terpę, koncepcija yra nustatyta. Lazerinis ultragarsinis patikrinimas naudojamas SLM pagamintų mėginių defektams aptikti55,56.
Lazeriu generuojamų smūginių bangų poveikis medžiagoms yra lazerinio smūginio sustiprinimo57,58,59 pagrindas, kuris taip pat naudojamas adityviu būdu pagamintų detalių paviršiaus apdorojimui60. Tačiau lazerinis smūginis sustiprinimas yra efektyviausias nanosekundžių lazerio impulsams ir mechaniškai apkrautiems paviršiams (pvz., su skysčio sluoksniu)59, nes mechaninis apkrovimas padidina maksimalų slėgį.
Buvo atlikti eksperimentai, siekiant ištirti galimą įvairių fizikinių laukų poveikį sukietėjusių medžiagų mikrostruktūrai. Eksperimentinės sistemos funkcinė schema parodyta 1 paveiksle. Buvo naudojamas impulsinis Nd:YAG kietojo kūno lazeris, veikiantis laisvuoju režimu (impulso trukmė \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Kiekvienas lazerio impulsas praleidžiamas per neutralaus tankio filtrų seriją ir spindulio daliklio plokščių sistemą. Priklausomai nuo neutralaus tankio filtrų derinio, impulso energija į taikinį svyruoja nuo \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) iki \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Nuo spindulio daliklio atsispindėjęs lazerio spindulys tiekiamas į fotodiodą vienu metu atliekamam duomenų rinkimui, o krintančiam ir nuo taikinio esančiam spinduliui nustatyti naudojami du kalorimetrai (fotodiodai, kurių atsako laikas viršija \(1~\text {ms}\)), o du galios matuokliai (fotodiodai, kurių atsako laikas trumpas kartų (<10~\text {ns}\)), siekiant nustatyti krintančią ir atspindėtą optinę galią. Kalorimetrai ir galios matuokliai buvo kalibruojami, kad būtų pateiktos vertės absoliučiais vienetais, naudojant termobazinį detektorių „Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0“ ir dielektrinį veidrodį, sumontuotą mėginio vietoje. Spindulis buvo sufokusuotas į taikinį naudojant lęšį (antirefleksinė danga ties \(1,06 \upmu \text {m}\), židinio nuotolis \(160 ~ \text {mm}\)) ir spindulio juosmens nuolydį taikinio paviršiuje 60– \(100 ~ \upmu\text {m}\).
Eksperimentinės įrangos funkcinė schema: 1 – lazeris; 2 – lazerio spindulys; 3 – neutralaus tankio filtras; 4 – sinchronizuotas fotodiodas; 5 – spindulio daliklis; 6 – diafragma; 7 – krintančio spindulio kalorimetras; 8 – atspindėto spindulio kalorimetras; 9 – krintančio spindulio galios matuoklis; 10 – atspindėto spindulio galios matuoklis; 11 – fokusuojantis lęšis; 12 – veidrodis; 13 – mėginys; 14 – plačiajuostis pjezoelektrinis keitiklis; 15 – 2D keitiklis; 16 – padėties nustatymo mikrovaldiklis; 17 – sinchronizavimo blokas; 18 – daugiakanalė skaitmeninė duomenų rinkimo sistema su įvairiais diskretizavimo dažniais; 19 – asmeninis kompiuteris.
Ultragarsinis apdorojimas atliekamas taip. Lazeris veikia laisvosios eigos režimu; todėl lazerio impulso trukmė yra \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), kuri susideda iš kelių maždaug \(1,5~\upmu \text {s} \) trukmės intervalų. Lazerio impulso ir jo spektro laikinė forma susideda iš žemo dažnio gaubtinės ir aukšto dažnio moduliacijos, kurios vidutinis dažnis yra apie \(0,7~\text {MHz}\), kaip parodyta 2 paveiksle. Dažnio gaubtinė užtikrina medžiagos kaitinimą, lydymą ir garavimą, o aukšto dažnio komponentas užtikrina ultragarsines vibracijas dėl fotoakustinio efekto. Lazerio generuojamo ultragarso impulso bangos formą daugiausia lemia lazerio impulso intensyvumo laikinė forma. Jis yra nuo \(7~\text {kHz}\) iki \(2~\text {MHz}\), o centrinis dažnis yra \(~~\text {MHz}\). Fotoakustinio efekto sukelti akustiniai impulsai buvo užfiksuoti naudojant plačiajuosčius pjezoelektrinius keitiklius, pagamintus iš polivinilidenfluorido plėvelių. Užfiksuota bangos forma ir jos spektras parodyti 2 paveiksle. Reikėtų pažymėti, kad lazerio impulsų forma būdinga laisvosios eigos lazeriui.
Lazerio impulso intensyvumo (a) ir garso greičio (b) laikinis pasiskirstymas ant mėginio galinio paviršiaus, vieno lazerio impulso (c) ir ultragarso impulso (d) spektrai (mėlyna kreivė), vidurkinti per 300 lazerio impulsų (raudona kreivė).
Akustiniame apdorojime aiškiai atskiriame žemo ir aukšto dažnio komponentus, atitinkamai atitinkančius lazerio impulso žemo dažnio gaubtinę ir aukšto dažnio moduliaciją. Lazerio impulso gaubtinės generuojamų akustinių bangų bangos ilgiai viršija 40 cm; todėl tikimasi, kad pagrindinis akustinio signalo plačiajuosčio aukšto dažnio komponentų poveikis mikrostruktūrai bus.
Fiziniai procesai SLM yra sudėtingi ir vyksta vienu metu skirtingais erdviniais ir laiko lygmenimis. Todėl daugiamačiai metodai labiausiai tinka teorinei SLM analizei. Matematiniai modeliai iš pradžių turėtų būti daugiafiziniai. Tada galima efektyviai aprašyti daugiafazės terpės „kietos-skystos lydalo“, sąveikaujančios su inertinių dujų atmosfera, mechaniką ir termofiziką. Medžiagų terminių apkrovų SLM charakteristikos yra tokios.
Šildymo ir vėsinimo greitis iki \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ dėl lokalizuoto lazerio spinduliavimo, kurio galios tankis siekia iki \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Lydymosi-stingimo ciklas trunka nuo 1 iki 10 ms, o tai prisideda prie greito lydymosi zonos sukietėjimo aušinimo metu.
Dėl greito bandinio paviršiaus kaitinimo paviršiaus sluoksnyje susidaro dideli termoelastiniai įtempiai. Pakankama (iki 20 %) miltelių sluoksnio dalis stipriai išgarinama63, todėl lazerinės abliacijos metu paviršiui tenka papildoma slėgio apkrova. Dėl to sukelta deformacija žymiai iškreipia detalės geometriją, ypač šalia atramų ir plonų konstrukcinių elementų. Didelis kaitinimo greitis impulsinio lazerinio atkaitinimo metu sukelia ultragarsinių deformacijos bangų, kurios sklinda nuo paviršiaus iki pagrindo, generavimą. Siekiant gauti tikslius kiekybinius duomenis apie vietinį įtempių ir deformacijų pasiskirstymą, atliekama mezoskopinė elastinės deformacijos problemos, susietos su šilumos ir masės perdavimu, modeliavimas.
Modelio valdančiosios lygtys apima (1) nestacionarias šilumos perdavimo lygtis, kur šilumos laidumas priklauso nuo fazinės būsenos (milteliai, lydalas, polikristalas) ir temperatūros, (2) elastinės deformacijos svyravimus po kontinuumo abliacijos ir termoelastinio plėtimosi lygtį. Ribinių verčių problema nustatoma eksperimentinėmis sąlygomis. Moduliuotas lazerio srautas apibrėžiamas ant mėginio paviršiaus. Konvekcinis aušinimas apima laidų šilumos mainus ir garavimo srautą. Masės srautas apibrėžiamas remiantis garuojančios medžiagos sočiųjų garų slėgio apskaičiavimu. Naudojama elastoplastinė įtempio ir deformacijos priklausomybė, kur termoelastinis įtempis yra proporcingas temperatūros skirtumui. Nominali galia \(300~\text {W}\), dažnis \(10^5~\text {Hz}\), pertraukimo koeficientas 100 ir efektyvusis spindulio skersmuo \(200~\upmu \text {m}\).
3 paveiksle pateikti išlydytos zonos skaitmeninio modeliavimo rezultatai, naudojant makroskopinį matematinį modelį. Sulydymo zonos skersmuo yra \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) spindulys) ir \(40~\upmu \text {m}\) gylis. Modeliavimo rezultatai rodo, kad paviršiaus temperatūra kinta lokaliai laikui bėgant pagal \(100~\text {K}\) dėl didelio impulsų moduliacijos periodiškumo koeficiento. Šildymo \(V_h\) ir aušinimo \(V_c\) greičiai yra atitinkamai \(10^7\) ir \(10^6~\text {K}/\text {s}\) eilės. Šios vertės gerai atitinka mūsų ankstesnę analizę64. Dydžio eilės skirtumas tarp \(V_h\) ir \(V_c\) lemia greitą paviršiaus sluoksnio perkaitimą, kai šilumos laidumas substratui yra nepakankamas šilumai pašalinti. Todėl, esant \(t=26~\upmu \text {s}\) paviršiaus temperatūra pasiekia net 4800 K. Dėl stipraus medžiagos garavimo mėginio paviršius gali būti per daug spaudžiamas ir atsilupa.
Vieno lazerinio impulso atkaitinimo lydymosi zonos skaitmeninio modeliavimo rezultatai ant 316L bandinio plokštės. Laikas nuo impulso pradžios iki išlydyto vandens telkinio gylio, pasiekiančio maksimalią vertę, yra \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma \(T = T_L = 1723~\text {K}\) žymi ribą tarp skystosios ir kietosios fazių. Izobaros (geltonos linijos) atitinka takumo ribą, apskaičiuotą kaip temperatūros funkciją kitame skyriuje. Todėl srityje tarp dviejų izolinijų (izotermos \(T = T_L\) ir izobaros \(sigma = \sigma _V(T)\)) kietoji fazė yra veikiama stiprių mechaninių apkrovų, kurios gali sukelti mikrostruktūros pokyčius.
Šis efektas išsamiau paaiškinamas 4a paveiksle, kuriame slėgio lygis išlydytoje zonoje pavaizduotas kaip laiko ir atstumo nuo paviršiaus funkcija. Pirma, slėgio elgsena yra susijusi su lazerio impulso intensyvumo moduliacija, aprašyta 2 paveiksle aukščiau. Didžiausias maždaug 10~MPa slėgis buvo pastebėtas maždaug ties t = 26~upmu. Antra, vietinio slėgio svyravimas kontroliniame taške turi tokias pačias virpesių charakteristikas kaip ir 500~kHz dažnis. Tai reiškia, kad paviršiuje susidaro ultragarsinės slėgio bangos, kurios sklinda į pagrindą.
Apskaičiuotos deformacijos zonos šalia lydymosi zonos charakteristikos parodytos 4b paveiksle. Lazerinė abliacija ir termoelastinis įtempis sukuria elastines deformacijos bangas, kurios sklinda į pagrindą. Kaip matyti iš paveikslo, yra du įtempio susidarymo etapai. Pirmojo etapo metu, kai \(t < 40~\upmu \text {s}\), Miseso įtempis padidėja iki \(8~\text {MPa}\), o moduliacija panaši į paviršiaus slėgį. Šis įtempis atsiranda dėl lazerinės abliacijos, o kontroliniuose taškuose termoelastinio įtempio nepastebėta, nes pradinė karščio paveikta zona buvo per maža. Kai šiluma išsisklaido į pagrindą, kontroliniame taške susidaro didelis termoelastinis įtempis, viršijantis \(40~\text {MPa}\).
Gauti moduliuoti įtempių lygiai daro didelę įtaką kietosios ir skystosios medžiagos sąsajai ir gali būti valdymo mechanizmas, valdantis stingimo kelią. Deformacijos zonos dydis yra 2–3 kartus didesnis nei lydymosi zonos. Kaip parodyta 3 paveiksle, lyginama lydymosi izotermos vieta ir įtempio lygis, lygus takumo įtempiui. Tai reiškia, kad impulsinis lazerio spinduliavimas sukuria dideles mechanines apkrovas lokalizuotose srityse, kurių efektyvus skersmuo yra nuo 300 iki 800 m, priklausomai nuo momentinio laiko.
Todėl sudėtinga impulsinio lazerinio atkaitinimo moduliacija sukelia ultragarsinį efektą. Mikrostruktūros atrankos kelias skiriasi, palyginti su SLM be ultragarsinio apkrovimo. Deformuoti nestabilūs regionai sukelia periodinius suspaudimo ir tempimo ciklus kietojoje fazėje. Taigi, tampa įmanomas naujų grūdelių ribų ir pogrūdžių ribų susidarymas. Todėl mikrostruktūros savybes galima sąmoningai keisti, kaip parodyta toliau. Gautos išvados suteikia galimybę suprojektuoti impulsinės moduliacijos sukeltą ultragarsu valdomą SLM prototipą. Šiuo atveju galima atmesti kitur naudojamą pjezoelektrinį induktorių 26.
a) Slėgis kaip laiko funkcija, apskaičiuotas skirtingais atstumais nuo paviršiaus 0, 20 ir 40~m išilgai simetrijos ašies. b) Nuo laiko priklausantis von Miseso įtempis, apskaičiuotas kietoje matricoje 70, 120 ir 170~m atstumais nuo mėginio paviršiaus.
Eksperimentai buvo atlikti su AISI 321H nerūdijančio plieno plokštėmis, kurių matmenys \(20 x 20 x 5 ~ \text {mm}\). Po kiekvieno lazerio impulso plokštė juda \(50~\upmu \text {m}\), o lazerio spindulio nuolydis taikinio paviršiuje yra apie \(100~\upmu \text {m}\). Tuo pačiu keliu atliekama iki penkių iš eilės spindulio perėjimų, kad būtų paskatintas apdorotos medžiagos perlydymas grūdelių smulkinimui. Visais atvejais perlydyta zona buvo sonikuojama, priklausomai nuo lazerio spinduliuotės osciliacinės komponentės. Dėl to vidutinis grūdelių plotas sumažėja daugiau nei 5 kartus. 5 paveiksle parodyta, kaip lazeriu išlydytos srities mikrostruktūra kinta priklausomai nuo vėlesnių perlydymo ciklų (perėjimų) skaičiaus.
Daliniai grafikai (a, d, g, j) ir (b, e, h, k) – lazeriu išlydytų sričių mikrostruktūra, daliniai grafikai (c, f, i, l) – spalvotų grūdelių plotų pasiskirstymas. Užtamsinimas žymi daleles, naudojamas histogramai apskaičiuoti. Spalvos atitinka grūdelių sritis (žr. spalvų juostą histogramos viršuje). Daliniai grafikai (ac) atitinka neapdorotą nerūdijantį plieną, o daliniai grafikai (df), (gi), (jl) atitinka 1, 3 ir 5 perlydymus.
Kadangi lazerio impulso energija tarp vėlesnių praėjimų nesikeičia, išlydytos zonos gylis išlieka toks pats. Taigi, vėlesnis kanalas visiškai „uždengia“ ankstesnįjį. Tačiau histograma rodo, kad vidutinis ir medianinis grūdelių plotas mažėja didėjant praėjimų skaičiui. Tai gali reikšti, kad lazeris veikia pagrindą, o ne lydalą.
Grūdelių smulkėjimą gali sukelti greitas išlydyto metalo aušinimas65. Buvo atliktas kitas eksperimentų rinkinys, kuriame nerūdijančio plieno plokščių (321H ir 316L) paviršiai buvo veikiami nuolatinės bangos lazerio spinduliuote atmosferoje (6 pav.) ir vakuume (7 pav.). Vidutinė lazerio galia (atitinkamai 300 W ir 100 W) ir išlydyto metalo gylis yra artimi Nd:YAG lazerio eksperimentiniams rezultatams laisvosios eigos režimu. Tačiau buvo pastebėta tipinė stulpelinė struktūra.
Nuolatinės bangos lazerio lazeriu išlydytos srities mikrostruktūra (300 W pastovi galia, 200 mm/s skenavimo greitis, AISI 321H nerūdijantis plienas).
(a) Vakuuminio nepertraukiamos bangos lazerio (pastovioji galia 100 W, skenavimo greitis 200 mm/s, AISI 316L nerūdijantis plienas) lazerio lydymosi zonos mikrostruktūra ir (b) elektronų atgalinės sklaidos difrakcijos vaizdas (\sim 2~\text {mbar }\).
Todėl aiškiai parodyta, kad sudėtinga lazerio impulso intensyvumo moduliacija daro didelę įtaką gaunamai mikrostruktūrai. Manome, kad šis poveikis yra mechaninio pobūdžio ir atsiranda dėl ultragarsinių virpesių, sklindančių iš apšvitinto lydalo paviršiaus giliai į mėginį, susidarymo. Panašūs rezultatai gauti 13, 26, 34, 66, 67 tyrimuose, naudojant išorinius pjezoelektrinius keitiklius ir sonotrodus, užtikrinančius didelio intensyvumo ultragarsą įvairiose medžiagose, įskaitant Ti-6Al-4V lydinį 26 ir nerūdijantį plieną 34. Galimas mechanizmas spėjamas taip. Intensyvus ultragarsas gali sukelti akustinę kavitaciją, kaip parodyta itin sparčiame in situ sinchrotroniniame rentgeno spindulių vaizdavime. Kavitacijos burbuliukų kolapsas savo ruožtu sukuria smūgines bangas išlydytoje medžiagoje, kurių priekinis slėgis siekia apie 100–69 MPa. Tokios smūginės bangos gali būti pakankamai stiprios, kad paskatintų kritinio dydžio kietosios fazės branduolių susidarymą dideliuose skysčiuose, sutrikdydamos tipinę stulpelinę grūdelių struktūrą sluoksnis po sluoksnio adityvinėje gamyboje.
Čia siūlome kitą mechanizmą, atsakingą už struktūros modifikavimą intensyviu ultragarsu. Medžiaga iškart po sukietėjimo yra aukštoje temperatūroje, artimoje lydymosi temperatūrai, ir jos takumo įtempis yra itin mažas. Intensyvios ultragarso bangos gali sukelti plastinį tekėjimą, kuris pakeis ką tik sukietėjusios karštos medžiagos grūdelių struktūrą. Tačiau patikimi eksperimentiniai duomenys apie takumo įtempio priklausomybę nuo temperatūros yra prieinami adresu \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (žr. 8 pav.). Todėl, norėdami patikrinti hipotezę, atlikome Fe-Cr-Ni sudėties, panašios į AISI 316 L plieną, molekulinės dinamikos (MD) modeliavimą, kad įvertintume takumo įtempio elgseną šalia lydymosi temperatūros. Takumo įtempiui apskaičiuoti naudojome MD šlyties įtempio relaksacijos techniką, išsamiai aprašytą 70, 71, 72, 73. Tarpatominės sąveikos skaičiavimams naudojome įterptąjį atominį modelį (EAM) iš 74. MD modeliavimas buvo atliktas naudojant LAMMPS kodus 75, 76. MD modeliavimo detalės bus paskelbtos kitur. MD takumo įtempio, kaip temperatūros funkcijos, skaičiavimo rezultatai yra šie: parodyta 8 paveiksle kartu su turimais eksperimentiniais duomenimis ir kitais vertinimais77,78,79,80,81,82.
AISI 316 klasės austenitinio nerūdijančiojo plieno takumo įtempis ir modelio sudėtis, priklausomai nuo temperatūros, MD modeliavimui. Eksperimentiniai matavimai iš nuorodų: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Žr. (f)82 yra empirinis takumo įtempio ir temperatūros priklausomybės modelis, skirtas matavimui lazeriu adityviosios gamybos metu. Didelio masto MD modeliavimo rezultatai šiame tyrime žymimi kaip \(\vartriangleleft\) bedefektiniam begaliniam monokristalui ir \(\vartriangleright\) baigtiniams grūdams, atsižvelgiant į vidutinį grūdelių dydį pagal Hall-Petch sąryšį. Matmenys \(d = 50~\upmu \text {m}\).
Matyti, kad esant \(T>1500~\text {K}\), takumo įtempis nukrenta žemiau \(40~\text {MPa}\). Kita vertus, skaičiavimai rodo, kad lazeriu generuojama ultragarso amplitudė viršija \(40~\text {MPa}\) (žr. 4b pav.), o to pakanka, kad ką tik sukietėjusioje karštoje medžiagoje sukeltų plastinį tekėjimą.
Austenitinio 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) nerūdijančio plieno mikrostruktūros formavimasis SLM metodu buvo eksperimentiškai tirtas naudojant kompleksinio intensyvumo moduliuoto impulsinio lazerio šaltinį.
Dėl nuolatinio lazerinio perlydymo po 1, 3 arba 5 praėjimų buvo nustatytas grūdelių dydžio sumažėjimas lazerio lydymo zonoje.
Makroskopinis modeliavimas rodo, kad numatomas srities, kurioje ultragarsinė deformacija gali teigiamai paveikti kietėjimo frontą, dydis yra iki \(1~\text {mm}\).
Mikroskopinis MD modelis rodo, kad AISI 316 austenitinio nerūdijančio plieno takumo riba yra žymiai sumažinta iki 40 MPa, artimos lydymosi temperatūrai.
Gauti rezultatai rodo metodą medžiagų mikrostruktūrai valdyti naudojant sudėtingą moduliuotą lazerinį apdorojimą ir galėtų būti pagrindu kuriant naujas impulsinės SLM technikos modifikacijas.
Liu, Y. ir kt. In situ TiB2/AlSi10Mg kompozitų mikrostruktūros evoliucija ir mechaninės savybės, nustatytos lazeriu selektyviai lydant [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. ir kt. 316L nerūdijančio plieno lazerinio selektyvaus lydymo grūdelių ribų rekristalizacijos inžinerija [J]. Alma Mater žurnalas. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. ir Qiu, C. Sumuštinių mikrostruktūrų su padidintu tąsumu kūrimas in situ lazeriu pakartotinai kaitinant lazeriu išlydytus titano lydinius. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. ir kt. Ti-6Al-4V detalių adityvinė gamyba lazerinio metalo nusodinimo (LMD) būdu: procesas, mikrostruktūra ir mechaninės savybės. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. ir kt. 718 lydinio lazerinio metalo miltelių kryptingo energijos nusodinimo mikrostruktūrinis modeliavimas. Papildymas gamybai. 25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. ir kt. Parametrinis neutronų-Brego kraštų vaizdinimo tyrimas su adityviai pagamintais mėginiais, apdorotais lazerinio smūgio efektu. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. ir kt. Ti-6Al-4V, pagaminto elektronų pluošto lydymo būdu, gradientinė mikrostruktūra ir mechaninės savybės. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).