Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, vietne tiks attēlota bez stiliem un JavaScript.
Tiek piedāvāts jauns mehānisms, kas balstīts uz selektīvu lāzera kausēšanu, lai kontrolētu produktu mikrostruktūru ražošanas procesā. Mehānisms balstās uz augstas intensitātes ultraskaņas viļņu ģenerēšanu izkausētā masā, izmantojot sarežģītu intensitātes modulētu lāzera starojumu. Eksperimentāli pētījumi un skaitliskās simulācijas liecina, ka šis vadības mehānisms ir tehniski iespējams un to var efektīvi integrēt modernu selektīvo lāzera kausēšanas iekārtu konstrukcijā.
Pēdējās desmitgadēs ir ievērojami pieaugusi sarežģītas formas detaļu aditīvā ražošana (AM). Tomēr, neskatoties uz aditīvās ražošanas procesu daudzveidību, tostarp selektīvo lāzera kausēšanu (SLM)1,2,3, tiešo lāzera metāla pārnesi4,5,6, elektronu staru kausēšanu7,8 un citiem9,10, detaļām var būt defekti. Tas galvenokārt ir saistīts ar kausējuma baseina sacietēšanas procesa specifiskajām īpašībām, kas saistītas ar augstiem termiskajiem gradientiem, augstu dzesēšanas ātrumu un sildīšanas ciklu sarežģītību materiāla kausēšanas un pārkausēšanas laikā11, kas noved pie epitaksiālas graudu augšanas un ievērojamas porainības.12,13 parādīja, ka ir nepieciešams kontrolēt termiskos gradientus, dzesēšanas ātrumu un sakausējuma sastāvu vai pielietot papildu fiziskus triecienus ar dažādu īpašību ārējiem laukiem, piemēram, ultraskaņu, lai sasniegtu smalkas, vienāda ass graudu struktūras.
Daudzas publikācijas ir veltītas vibrācijas apstrādes ietekmei uz sacietēšanas procesu tradicionālajos liešanas procesos14,15. Tomēr ārēja lauka pielietošana masas kausējumam nerada vēlamo materiāla mikrostruktūru. Ja šķidrās fāzes tilpums ir mazs, situācija krasi mainās. Šajā gadījumā ārējais lauks būtiski ietekmē sacietēšanas procesu. Ir apsvērti intensīvi skaņas lauki16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, loka maisīšana28 un svārstības29, elektromagnētiskie efekti pulsējošu plazmas loku laikā30,31 un citas metodes32. Piestipriniet pie substrāta, izmantojot ārēju augstas intensitātes ultraskaņas avotu (20 kHz frekvencē). Ultraskaņas izraisītā graudu smalkināšana tiek attiecināta uz palielinātu konstitutīvo subdzesēšanas zonu samazināta temperatūras gradienta un ultraskaņas pastiprinājuma dēļ, lai radītu jaunus kristalītus, izmantojot kavitāciju.
Šajā darbā mēs pētījām iespēju mainīt austenīta nerūsējošā tērauda graudu struktūru, apstrādājot izkausēto vannu ar skaņas viļņiem, ko ģenerē pats kausēšanas lāzers. Lāzera starojuma intensitātes modulācija, kas nonāk uz gaismu absorbējošas vides, rada ultraskaņas viļņu ģenerēšanu, kas maina materiāla mikrostruktūru. Šo lāzera starojuma intensitātes modulāciju var viegli integrēt esošajos SLM 3D printeros. Šī darba eksperimenti tika veikti ar nerūsējošā tērauda plāksnēm, kuru virsmas tika pakļautas intensitātes modulētam lāzera starojumam. Tātad tehniski tiek veikta lāzera virsmas apstrāde. Tomēr, ja šāda lāzera apstrāde tiek veikta uz katra slāņa virsmas, slāni pa slānim veidojoties, tiek panākta ietekme uz visu tilpumu vai uz atsevišķām tilpuma daļām. Citiem vārdiem sakot, ja detaļa tiek konstruēta slāni pa slānim, katra slāņa lāzera virsmas apstrāde ir līdzvērtīga "lāzera tilpuma apstrādei".
Turpretī ultraskaņas terapijā, kuras pamatā ir ultraskaņas rags, stāvošā skaņas viļņa ultraskaņas enerģija tiek sadalīta visā komponentā, savukārt lāzera inducētā ultraskaņas intensitāte ir ļoti koncentrēta netālu no punkta, kur lāzera starojums tiek absorbēts. Sonotroda izmantošana SLM pulvera slāņa kausēšanas iekārtā ir sarežģīta, jo pulvera slāņa augšējai virsmai, kas pakļauta lāzera starojumam, jāpaliek nekustīgai. Turklāt detaļas augšējai virsmai nav mehāniska sprieguma. Tāpēc akustiskais spriegums ir tuvu nullei, un daļiņu ātrumam ir maksimālā amplitūda visā detaļas augšējā virsmā. Skaņas spiediens visā kausējuma vannā nedrīkst pārsniegt 0,1% no metināšanas galviņas radītā maksimālā spiediena, jo ultraskaņas viļņu viļņa garums ar frekvenci 20 kHz nerūsējošajā tēraudā ir \(\sim 0,3~\text {m}\), un dziļums parasti ir mazāks par \(\sim 0,3~\text {mm}\). Tāpēc ultraskaņas ietekme uz kavitāciju var būt neliela.
Jāatzīmē, ka intensitātes modulēta lāzera starojuma izmantošana tiešā lāzera metālu uzklāšanā ir aktīva pētījumu joma35,36,37,38.
Lāzera starojuma termiskā iedarbība uz vidi ir pamatā gandrīz visām materiālu apstrādes lāzertehnikām 39, 40, piemēram, griešanai 41, metināšanai, rūdīšanai, urbšanai 42, virsmas tīrīšanai, virsmas leģēšanai, virsmas pulēšanai 43 utt., materiālu apstrādes tehnoloģijai un apkopotiem provizoriskajiem rezultātiem daudzos pārskatos un monogrāfijās 44, 45, 46.
Jāatzīmē, ka jebkura nestacionāra iedarbība uz vidi, tostarp lāzera iedarbība uz absorbējošo vidi, izraisa akustisko viļņu ierosināšanu tajā ar lielāku vai mazāku efektivitāti. Sākotnēji galvenā uzmanība tika pievērsta viļņu lāzera ierosināšanai šķidrumos un dažādiem skaņas termiskās ierosināšanas mehānismiem (termiskā izplešanās, iztvaikošana, tilpuma izmaiņas fāzes pārejas laikā, saraušanās utt.) [47, 48, 49]. Daudzās monogrāfijās [50, 51, 52] ir sniegta šī procesa un tā iespējamo praktisko pielietojumu teorētiska analīze.
Šie jautājumi vēlāk tika apspriesti dažādās konferencēs, un ultraskaņas lāzera ierosināšanai ir pielietojums gan lāzertehnoloģiju rūpnieciskajos pielietojumos53, gan medicīnā54. Tādēļ var uzskatīt, ka ir izveidota impulsa lāzera gaismas iedarbības uz absorbējošu vidi procesa pamatkoncepcija. Lāzera ultraskaņas pārbaude tiek izmantota SLM ražotu paraugu defektu noteikšanai55,56.
Lāzera ģenerētu triecienviļņu ietekme uz materiāliem ir lāzera triecienviļņu pastiprināšanas pamatā,57,58,59 ko izmanto arī aditīvi ražotu detaļu virsmas apstrādei60. Tomēr lāzera triecienviļņu pastiprināšana ir visefektīvākā uz nanosekundes lāzera impulsiem un mehāniski noslogotām virsmām (piemēram, ar šķidruma slāni)59, jo mehāniskā slodze palielina maksimālo spiedienu.
Tika veikti eksperimenti, lai izpētītu dažādu fizikālo lauku iespējamo ietekmi uz sacietējušu materiālu mikrostruktūru. Eksperimentālās iekārtas funkcionālā shēma ir parādīta 1. attēlā. Tika izmantots impulsa Nd:YAG cietvielu lāzers, kas darbojas brīvgaitas režīmā (impulsa ilgums \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Katrs lāzera impulss tiek izvadīts caur neitrāla blīvuma filtru sēriju un staru sadalītāja plākšņu sistēmu. Atkarībā no neitrāla blīvuma filtru kombinācijas impulsa enerģija uz mērķi mainās no \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) līdz \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). No staru sadalītāja atstarotais lāzera stars tiek padots uz fotodiodi vienlaicīgai datu iegūšanai, un divi kalorimetri (fotodiodes ar ilgu reakcijas laiku, kas pārsniedz \(1~\text {ms}\)) tiek izmantoti, lai noteiktu uz mērķi krītošo un no tā atstaroto staru, un divi jaudas mērītāji (fotodiodes ar īsu reakcijas laiku reizes\(<10~\text {ns}\)), lai noteiktu krītošo un atstaroto optisko jaudu. Kalorimetri un jaudas mērītāji tika kalibrēti, lai iegūtu vērtības absolūtās vienībās, izmantojot termoelementu detektoru Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 un dielektrisko spoguli, kas uzstādīts parauga atrašanās vietā. Staru fokusēja uz mērķi, izmantojot lēcu (pretatstarošanas pārklājums pie \(1,06 \upmu \text {m}\), fokusa attālums \(160~\text {mm}\)) un stara vidukli pie mērķa virsmas 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Eksperimentālās iekārtas funkcionālā shematiska diagramma: 1 — lāzers; 2 — lāzera stars; 3 — neitrālā blīvuma filtrs; 4 — sinhronizēta fotodiode; 5 — stara sadalītājs; 6 — diafragma; 7 — krītošā stara kalorimetrs; 8 — atstarotā stara kalorimetrs; 9 — krītošā stara jaudas mērītājs; 10 — atstarotā stara jaudas mērītājs; 11 — fokusēšanas lēca; 12 — spogulis; 13 — paraugs; 14 — platjoslas pjezoelektriskais pārveidotājs; 15 — 2D pārveidotājs; 16 — pozicionēšanas mikrokontrolleris; 17 — sinhronizācijas bloks; 18 — daudzkanālu digitālā iegūšanas sistēma ar dažādām izlases frekvencēm; 19 — personālais dators.
Ultraskaņas apstrāde tiek veikta šādi. Lāzers darbojas brīvgaitas režīmā; tāpēc lāzera impulsa ilgums ir \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), kas sastāv no vairākiem aptuveni \(1,5~\upmu \text {s} \) ilguma periodiem. Lāzera impulsa laika forma un tā spektrs sastāv no zemfrekvences aploksnes un augstfrekvences modulācijas ar vidējo frekvenci aptuveni \(0,7~\text {MHz}\), kā parādīts 2. attēlā. Frekvences aploksne nodrošina materiāla uzsilšanu un sekojošu kušanu un iztvaikošanu, savukārt augstfrekvences komponente nodrošina ultraskaņas vibrācijas fotoakustiskā efekta dēļ. Lāzera ģenerētā ultraskaņas impulsa viļņu formu galvenokārt nosaka lāzera impulsa intensitātes laika forma. Tas ir no \(7~\text {kHz}\) līdz \(2~\text {MHz}\), un centrālā frekvence ir \(~ 0,7~\text {MHz}\). Fotoakustiskā efekta radītie akustiskie impulsi tika reģistrēti, izmantojot platjoslas pjezoelektriskos pārveidotājus, kas izgatavoti no polivinilidēna fluorīda plēvēm. Ierakstītā viļņu forma un tās spektrs ir parādīti 2. attēlā. Jāatzīmē, ka lāzera impulsu forma ir raksturīga brīvgaitas režīma lāzeram.
Lāzera impulsa intensitātes (a) un skaņas ātruma (b) laika sadalījums uz parauga aizmugurējās virsmas, viena lāzera impulsa (c) un ultraskaņas impulsa (d) spektri (zilā līkne), kas vidēji aprēķināti 300 lāzera impulsiem (sarkanā līkne).
Mēs varam skaidri atšķirt akustiskās apstrādes zemfrekvences un augstfrekvences komponentes, kas atbilst attiecīgi lāzera impulsa zemfrekvences aploksnei un augstfrekvences modulācijai. Lāzera impulsa aploksnes ģenerēto akustisko viļņu viļņu garumi pārsniedz \(40~\text {cm}\); tāpēc sagaidāma akustiskā signāla platjoslas augstfrekvences komponentu galvenā ietekme uz mikrostruktūru.
Fizikālie procesi SLM ir sarežģīti un notiek vienlaicīgi dažādos telpiskajos un laika mērogos. Tāpēc daudzpakāpju metodes ir vispiemērotākās SLM teorētiskai analīzei. Matemātiskajiem modeļiem sākotnēji jābūt daudzfizikāliem. Pēc tam var efektīvi aprakstīt daudzfāžu vides "cietvielas-šķidruma kausējuma" mehāniku un termofiziku, kas mijiedarbojas ar inertas gāzes atmosfēru. Materiālu termisko slodžu raksturlielumi SLM ir šādi.
Uzsilšanas un dzesēšanas ātrums līdz \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ lokalizēta lāzera starojuma dēļ ar jaudas blīvumu līdz \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Kušanas-sacietēšanas cikls ilgst no 1 līdz 10 ms, kas veicina kušanas zonas ātru sacietēšanu dzesēšanas laikā.
Parauga virsmas strauja uzsildīšana izraisa augstu termoelastīgo spriegumu veidošanos virsmas slānī. Pietiekama (līdz 20%) pulvera slāņa daļa tiek spēcīgi iztvaicēta63, kas rada papildu spiediena slodzi uz virsmu, reaģējot uz lāzera ablāciju. Līdz ar to inducētais deformācijas efekts ievērojami izkropļo detaļas ģeometriju, īpaši balstu un plānu konstrukcijas elementu tuvumā. Augstais sildīšanas ātrums impulsa lāzera atkvēlināšanas laikā izraisa ultraskaņas deformācijas viļņu ģenerēšanu, kas izplatās no virsmas uz substrātu. Lai iegūtu precīzus kvantitatīvus datus par lokālo sprieguma un deformācijas sadalījumu, tiek veikta elastīgās deformācijas problēmas mezoskopiska simulācija, kas saistīta ar siltuma un masas pārnesi.
Modeļa vadošie vienādojumi ietver (1) nestacionārus siltuma pārneses vienādojumus, kur siltumvadītspēja ir atkarīga no fāzes stāvokļa (pulveris, kausējums, polikristālisks) un temperatūras, (2) elastīgās deformācijas svārstības pēc nepārtrauktas ablācijas un termoelastīgās izplešanās vienādojumu. Robežvērtību problēmu nosaka eksperimentālie apstākļi. Modulētā lāzera plūsma ir definēta uz parauga virsmas. Konvektīvā dzesēšana ietver vadošu siltumapmaiņu un iztvaikošanas plūsmu. Masas plūsma ir definēta, pamatojoties uz iztvaikojošā materiāla piesātinātā tvaika spiediena aprēķinu. Tiek izmantota elastoplastiskā sprieguma-deformācijas attiecība, kur termoelastīgais spriegums ir proporcionāls temperatūras starpībai. Nominālajai jaudai \(300~\text {W}\), frekvencei \(10^5~\text {Hz}\), intermitējošajam koeficientam 100 un \(200~\upmu \text {m}\) efektīvā stara diametra.
3. attēlā parādīti izkausētās zonas skaitliskās simulācijas rezultāti, izmantojot makroskopisku matemātisko modeli. Sakušanas zonas diametrs ir \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) rādiuss) un \(40~\upmu \text {m}\) dziļums. Simulācijas rezultāti liecina, ka virsmas temperatūra lokāli mainās laikā kā \(100~\text {K}\) impulsa modulācijas augstā intermitējošā faktora dēļ. Sildīšanas \(V_h\) un dzesēšanas \(V_c\) ātrumi ir attiecīgi \(10^7\) un \(10^6~\text {K}/\text {s}\) robežās. Šīs vērtības labi atbilst mūsu iepriekšējai analīzei64. Lieluma kārta starp \(V_h\) un \(V_c\) izraisa virsmas slāņa strauju pārkaršanu, kur siltumvadītspēja uz substrātu nav pietiekama, lai noņemtu siltumu. Tāpēc pie \(t=26~\upmu \text {s}\) virsmas temperatūra sasniedz pat \(4800~\text {K}\).Spēcīga materiāla iztvaikošana var izraisīt pārmērīga spiediena iedarbināšanu uz parauga virsmu un tās lobīšanos.
Viena lāzera impulsa atkvēlināšanas kušanas zonas skaitliskās simulācijas rezultāti uz 316L parauga plāksnes. Laiks no impulsa sākuma līdz izkausētās vannas dziļuma maksimālajai vērtībai ir \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma \(T = T_L = 1723~\text {K}\) attēlo robežu starp šķidro un cieto fāzi. Izobāras (dzeltenās līnijas) atbilst tecēšanas robežai, kas aprēķināta kā temperatūras funkcija nākamajā sadaļā. Tāpēc apgabalā starp divām izolīnijām (izotermas \(T = T_L\) un izobāras \(sigma = \sigma _V(T)\)) cietā fāze tiek pakļauta spēcīgām mehāniskām slodzēm, kas var izraisīt izmaiņas mikrostruktūrā.
Šis efekts ir sīkāk izskaidrots 4.a attēlā, kur spiediena līmenis izkausētajā zonā ir attēlots kā laika un attāluma no virsmas funkcija. Pirmkārt, spiediena uzvedība ir saistīta ar lāzera impulsa intensitātes modulāciju, kas aprakstīta 2. attēlā iepriekš. Maksimālais spiediens aptuveni 10⁻⁸ MPa tika novērots aptuveni t = 26⁻¹/min temperatūrā. Otrkārt, lokālā spiediena svārstībām kontroles punktā ir tādas pašas svārstību īpašības kā frekvencei 500⁻¹ kHz. Tas nozīmē, ka uz virsmas tiek ģenerēti ultraskaņas spiediena viļņi, kas pēc tam izplatās substrātā.
Deformācijas zonas aprēķinātās raksturlielumi kušanas zonas tuvumā ir parādīti 4.b attēlā. Lāzera ablācija un termoelastīgais spriegums rada elastīgus deformācijas viļņus, kas izplatās substrātā. Kā redzams attēlā, ir divi sprieguma ģenerēšanas posmi. Pirmajā fāzē (t < 40~\upmu \text {s}\) Mises spriegums palielinās līdz (8~\text {MPa}\) ar modulāciju, kas ir līdzīga virsmas spiedienam. Šis spriegums rodas lāzera ablācijas dēļ, un kontroles punktos netika novērots termoelastīgais spriegums, jo sākotnējā termiski ietekmētā zona bija pārāk maza. Kad siltums tiek izkliedēts substrātā, kontroles punkts rada augstu termoelastīgo spriegumu virs (40~\text {MPa}\).
Iegūtajiem modulētajiem sprieguma līmeņiem ir būtiska ietekme uz cietvielas un šķidruma saskarni, un tie var būt kontroles mehānisms, kas regulē sacietēšanas ceļu. Deformācijas zonas izmērs ir 2 līdz 3 reizes lielāks nekā kušanas zonas izmērs. Kā parādīts 3. attēlā, tiek salīdzināta kušanas izotermas atrašanās vieta un sprieguma līmenis, kas vienāds ar tecēšanas robežu. Tas nozīmē, ka impulsa lāzera starojums nodrošina lielas mehāniskās slodzes lokalizētās zonās ar efektīvo diametru no 300 līdz 800 ~ m atkarībā no momentānā laika.
Tāpēc impulsa lāzera atkvēlināšanas sarežģītā modulācija rada ultraskaņas efektu. Mikrostruktūras atlases ceļš atšķiras no SLM bez ultraskaņas slodzes. Deformēti nestabili apgabali noved pie periodiskiem saspiešanas un stiepšanās cikliem cietajā fāzē. Tādējādi kļūst iespējama jaunu graudu robežu un apakšgraudu robežu veidošanās. Tādēļ mikrostruktūras īpašības var apzināti mainīt, kā parādīts zemāk. Iegūtie secinājumi sniedz iespēju izstrādāt impulsa modulācijas izraisītu ultraskaņas vadītu SLM prototipu. Šajā gadījumā var izslēgt citur izmantoto pjezoelektrisko induktoru 26.
(a) Spiediens kā laika funkcija, aprēķināta dažādos attālumos no virsmas 0, 20 un ∫₀ m pa simetrijas asi. (b) No laika atkarīgs fon Misesa spriegums, aprēķināts cietā matricā ∫₀, 120 un ∫₀ m attālumā no parauga virsmas.
Eksperimenti tika veikti ar AISI 321H nerūsējošā tērauda plāksnēm ar izmēriem \(20\x 20\x 5~\text {mm}\). Pēc katra lāzera impulsa plāksne pārvietojas \(50~\upmu \text {m}\), un lāzera stara viduklis uz mērķa virsmas ir aptuveni \(100~\upmu \text {m}\). Pa to pašu trajektoriju tiek veiktas līdz piecām secīgām stara caurlaidēm, lai izraisītu apstrādātā materiāla pārkausēšanu graudu smalkināšanai. Visos gadījumos pārkausētā zona tika apstrādāta ar ultraskaņu atkarībā no lāzera starojuma svārstību komponentes. Tā rezultātā vidējais graudu laukums samazinās vairāk nekā 5 reizes. 5. attēlā parādīts, kā mainās ar lāzeru kausētā apgabala mikrostruktūra atkarībā no secīgo pārkausēšanas ciklu (caurlaidēm) skaita.
Apakšdiagrammas (a, d, g, j) un (b, e, h, k) – lāzera kausēto reģionu mikrostruktūra, apakšdiagrammas (c, f, i, l) – krāsaino graudu laukuma sadalījums. Ēnojums attēlo daļiņas, kas izmantotas histogrammas aprēķināšanai. Krāsas atbilst graudu reģioniem (skatiet krāsu joslu histogrammas augšdaļā). Apakšdiagrammas (ac) atbilst neapstrādātam nerūsējošajam tēraudam, un apakšdiagrammas (df), (gi), (jl) atbilst 1, 3 un 5 atkārtotām kausēšanām.
Tā kā lāzera impulsa enerģija starp nākamajām caurlaidēm nemainās, izkausētās zonas dziļums ir vienāds. Tādējādi nākamais kanāls pilnībā "nosedz" iepriekšējo. Tomēr histogramma parāda, ka vidējais un mediānais graudu laukums samazinās, palielinoties caurlaidju skaitam. Tas var liecināt, ka lāzers iedarbojas uz substrātu, nevis uz kausējumu.
Graudu smalkumu var izraisīt izkausētās masas strauja atdzišana65. Tika veikta vēl viena eksperimentu kopa, kurā nerūsējošā tērauda plākšņu (321H un 316L) virsmas tika pakļautas nepārtraukta viļņa lāzera starojumam atmosfērā (6. att.) un vakuumā (7. att.). Vidējā lāzera jauda (attiecīgi 300 W un 100 W) un izkausētās masas dziļums ir tuvu Nd:YAG lāzera eksperimentālajiem rezultātiem brīvgaitas režīmā. Tomēr tika novērota tipiska kolonnveida struktūra.
Nepārtrauktas darbības lāzera lāzera kausētā apgabala mikrostruktūra (300 W nemainīga jauda, ​​200 mm/s skenēšanas ātrums, AISI 321H nerūsējošais tērauds).
(a) Vakuuma nepārtrauktā viļņa lāzera (nemainīgā jauda 100 W, skenēšanas ātrums 200 mm/s, AISI 316L nerūsējošais tērauds) lāzera kušanas zonas mikrostruktūra un (b) elektronu atstarotās difrakcijas attēls (\sim 2~\text {mbar }\).
Tādēļ ir skaidri parādīts, ka lāzera impulsa intensitātes sarežģītajai modulācijai ir būtiska ietekme uz iegūto mikrostruktūru. Mēs uzskatām, ka šis efekts ir mehānisks un rodas ultraskaņas vibrāciju ģenerēšanas dēļ, kas izplatās no kausējuma apstarotās virsmas dziļi paraugā. Līdzīgi rezultāti tika iegūti 13, 26, 34, 66, 67, izmantojot ārējos pjezoelektriskos pārveidotājus un sonotrodus, kas nodrošina augstas intensitātes ultraskaņu dažādos materiālos, tostarp Ti-6Al-4V sakausējumā 26 un nerūsējošajā tēraudā 34. Iespējamais mehānisms ir šāds. Intensīva ultraskaņa var izraisīt akustisku kavitāciju, kā parādīts īpaši ātrā in situ sinhrotrona rentgena attēlveidošanā. Kavitācijas burbuļu sabrukšana savukārt rada triecienviļņus izkausētajā materiālā, kuru frontālais spiediens sasniedz aptuveni 100 MPa 69. Šādi triecienviļņi var būt pietiekami spēcīgi, lai veicinātu kritiska izmēra cietfāzes kodolu veidošanos šķidrumos, izjaucot tipisko kolonnveida graudu struktūru slāni pa slānim aditīvajā ražošanā.
Šeit mēs piedāvājam vēl vienu mehānismu, kas atbild par struktūras modifikāciju, izmantojot intensīvu ultraskaņas apstrādi. Materiāls tūlīt pēc sacietēšanas atrodas augstā temperatūrā, tuvu kušanas temperatūrai, un tam ir ārkārtīgi zems tecēšanas spriegums. Intensīvi ultraskaņas viļņi var izraisīt plastmasas plūsmu, kas maina tikko sacietējušā karstā materiāla graudu struktūru. Tomēr ticami eksperimentāli dati par tecēšanas sprieguma atkarību no temperatūras ir pieejami vietnē \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (sk. 8. attēlu). Tāpēc, lai pārbaudītu hipotēzi, mēs veicām molekulārās dinamikas (MD) simulācijas Fe-Cr-Ni sastāvam, kas ir līdzīgs AISI 316 L tēraudam, lai novērtētu tecēšanas sprieguma uzvedību kušanas temperatūras tuvumā. Lai aprēķinātu tecēšanas spriegumu, mēs izmantojām MD bīdes sprieguma relaksācijas metodi, kas detalizēti aprakstīta 70, 71, 72, 73. Starpatomu mijiedarbības aprēķiniem mēs izmantojām iegulto atomu modeli (EAM) no 74. MD simulācijas tika veiktas, izmantojot LAMMPS kodus 75,76. Sīkāka informācija par MD simulāciju tiks publicēta citur. MD aprēķinu rezultāti tecēšanas spriegumam kā temperatūras funkcija ir parādīts 8. attēlā kopā ar pieejamajiem eksperimentālajiem datiem un citiem novērtējumiem77,78,79,80,81,82.
AISI 316. klases austenīta nerūsējošā tērauda tecēšanas robeža un modeļa sastāvs atkarībā no temperatūras MD simulācijām. Eksperimentāli mērījumi no atsaucēm: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Skatīt. (f) 82 ir empīrisks tecēšanas robežas un temperatūras atkarības modelis līnijas sprieguma mērījumiem lāzera asistētas aditīvās ražošanas laikā. Liela mēroga MD simulācijas rezultāti šajā pētījumā ir apzīmēti kā \(\vartriangleleft\) bezgalīgam monokristālam bez defektiem un \(\vartriangleright\) galīgiem graudiem, ņemot vērā vidējo graudu izmēru, izmantojot Hola-Peča sakarību. Izmēri \(d = 50~\upmu \text {m}\).
Var redzēt, ka pie \(T>1500~\text {K}\) tecēšanas robeža nokrītas zem \(40~\text {MPa}\). No otras puses, aprēķini paredz, ka lāzera ģenerētā ultraskaņas amplitūda pārsniedz \(40~\text {MPa}\) (sk. 4.b att.), kas ir pietiekami, lai tikko sacietējušā karstajā materiālā izraisītu plastisku plūsmu.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenīta nerūsējošā tērauda mikrostruktūras veidošanās SLM laikā tika eksperimentāli pētīta, izmantojot kompleksu intensitātes modulētu impulsa lāzera avotu.
Lāzera kausēšanas zonā tika konstatēta graudu izmēra samazināšanās nepārtrauktas lāzera pārkausēšanas dēļ pēc 1, 3 vai 5 caurlaidēm.
Makroskopiskā modelēšana rāda, ka paredzamais apgabala lielums, kurā ultraskaņas deformācija var pozitīvi ietekmēt sacietēšanas fronti, ir līdz \(1~\text {mm}\).
Mikroskopiskais MD modelis rāda, ka AISI 316 austenīta nerūsējošā tērauda tecēšanas robeža ir ievērojami samazināta līdz 40 MPa tuvu kušanas temperatūrai.
Iegūtie rezultāti liecina par metodi materiālu mikrostruktūras kontrolei, izmantojot sarežģītu modulētu lāzera apstrādi, un varētu kalpot par pamatu jaunu impulsa SLM tehnikas modifikāciju izveidei.
Liu, Y. et al. In situ TiB2/AlSi10Mg kompozītu mikrostruktūras evolūcija un mehāniskās īpašības, izmantojot lāzerselektīvu kausēšanu [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. 316L nerūsējošā tērauda lāzerselektīvās kausēšanas graudu robežu rekristalizācijas inženierija [J]. Alma Mater žurnāls. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. un Qiu, C. Sendviča mikrostruktūru ar uzlabotu plastiskumu izstrāde in situ, izmantojot lāzera atkārtotu uzsildīšanu no lāzera kausētiem titāna sakausējumiem. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Ti-6Al-4V detaļu aditīvā ražošana ar lāzera metāla uzklāšanu (LMD): process, mikrostruktūra un mehāniskās īpašības. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Lāzera metāla pulvera vadītas enerģijas uzklāšanas 718 sakausējuma mikrostrukturālā modelēšana. Pievienot.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Ar lāzera trieciena apstrādi apstrādātu aditīvi ražotu paraugu parametriskā neitronu Brega malu attēlveidošanas pētījums. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Ar elektronu kūļa kausēšanu aditīvi izgatavota Ti-6Al-4V gradienta mikrostruktūra un mehāniskās īpašības. Alma Mater Journal. 97, 1–16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).