Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS-ийн дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах). Энэ хооронд бид үргэлжлүүлэн дэмжлэг үзүүлэхийн тулд сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр харуулах болно.
Үйлдвэрлэлийн процесст бүтээгдэхүүний бичил бүтцийг хянах сонгомол лазер хайлуулахад суурилсан шинэ механизмыг санал болгож байна. Энэхүү механизм нь нарийн төвөгтэй эрчимтэй модуляцлагдсан лазер цацраг туяагаар хайлсан усан санд өндөр эрчимтэй хэт авианы долгион үүсгэхэд суурилдаг. Туршилтын судалгаа болон тоон симуляци нь энэхүү хяналтын механизм нь техникийн хувьд боломжтой бөгөөд орчин үеийн сонгомол лазер хайлуулах машинуудын дизайнд үр дүнтэй нэгтгэгдэж болохыг харуулж байна.
Сүүлийн хэдэн арван жилд нарийн төвөгтэй хэлбэрийн эд ангиудын нэмэлт үйлдвэрлэл (AM) мэдэгдэхүйц өссөн. Гэсэн хэдий ч сонгомол лазер хайлуулах (SLM)1,2,3, шууд лазер металл тунадасжуулалт4,5,6, электрон цацраг хайлуулах7,8 болон бусад9,10 зэрэг нэмэлт үйлдвэрлэлийн олон янзын процессууд байгаа хэдий ч эд ангиуд нь согогтой байж болно. Энэ нь голчлон өндөр дулааны градиент, өндөр хөргөлтийн хурд, хайлуулах болон дахин хайлуулах материалын халаалтын циклийн нарийн төвөгтэй байдал11-тэй холбоотой хайлсан усан сангийн хатууралтын үйл явцын өвөрмөц шинж чанаруудтай холбоотой бөгөөд энэ нь эпитаксиаль үр тарианы өсөлт, мэдэгдэхүйц сүвэрхэг байдалд хүргэдэг12,13. Үр дүнгээс харахад нарийн тэнцүү тэнхлэгтэй үр тарианы бүтцийг бий болгохын тулд дулааны градиент, хөргөлтийн хурд, хайлшийн найрлагыг хянах, эсвэл янз бүрийн шинж чанартай гадаад талбаруудаар (жишээлбэл, хэт авиан) нэмэлт физик цохилт хийх шаардлагатай байна.
Уламжлалт цутгах процесст чичиргээний боловсруулалт нь хатууруулах процесст үзүүлэх нөлөөллийн талаар олон тооны нийтлэлүүд байдаг14,15. Гэсэн хэдий ч их хэмжээний хайлмалд гадаад талбар хэрэглэх нь хүссэн материалын бичил бүтцийг бий болгодоггүй. Хэрэв шингэн фазын эзэлхүүн бага бол нөхцөл байдал эрс өөрчлөгддөг. Энэ тохиолдолд гадаад талбар нь хатууруулах процесст мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг. Цахилгаан соронзон нөлөөллийг эрчимтэй акустик талбайн үед авч үзсэн16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, нуман хутгалт28 ба хэлбэлзэл29, импульсийн плазмын нум30,31 болон бусад аргууд32. Гаднах өндөр эрчимтэй хэт авианы эх үүсвэр (20 кГц дээр) ашиглан суурь дээр бэхлэнэ. Хэт авианы нөлөөгөөр үүссэн үр тарианы цэвэршүүлэлт нь температурын градиент буурснаас болж найрлагын дэд хөргөлтийн бүс нэмэгдэж, кавитацийн замаар шинэ талстууд үүсэх хэт авианы сайжруулалттай холбоотой юм.
Энэхүү бүтээлдээ бид хайлсан цөөрмийг хайлуулж буй лазерын өөрөө үүсгэсэн дууны долгионоор хэт авиагаар цохиж, аустенит зэвэрдэггүй гангийн ширхэгийн бүтцийг өөрчлөх боломжийг судалсан. Гэрэл шингээгч орчинд тусах лазерын цацрагийн эрчимжүүлэлтийн модуляци нь материалын бичил бүтцийг өөрчилдөг хэт авианы долгион үүсгэдэг. Лазерын цацрагийн энэхүү эрчимжүүлэлтийн модуляцийг одоо байгаа SLM 3D хэвлэгчдэд хялбархан нэгтгэж болно. Энэхүү бүтээлийн туршилтуудыг эрчимжүүлсэн лазерын цацрагт өртсөн гадаргуутай зэвэрдэггүй ган хавтан дээр хийсэн. Тиймээс техникийн хувьд лазерын гадаргуугийн боловсруулалт хийгддэг. Гэсэн хэдий ч, хэрэв ийм лазерын боловсруулалтыг давхарга бүрийн гадаргуу дээр давхарга бүрдүүлэх явцад хийвэл бүхэл бүтэн эзэлхүүн эсвэл эзэлхүүний сонгосон хэсгүүдэд нөлөө үзүүлдэг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв хэсгийг давхарга бүрээр нь барьсан бол давхарга бүрийн лазерын гадаргуугийн боловсруулалт нь "лазерын эзэлхүүний боловсруулалт"-тай тэнцүү юм.
Хэт авианы эвэрт суурилсан хэт авианы эмчилгээнд зогсож буй дууны долгионы хэт авианы энерги нь бүрэлдэхүүн хэсэгт тархдаг бол лазераар өдөөгдсөн хэт авианы эрчим нь лазерын цацраг шингээгдсэн цэгийн ойролцоо өндөр төвлөрсөн байдаг. SLM нунтаг давхаргын хайлуулах машинд sonotrode ашиглах нь төвөгтэй байдаг, учир нь лазерын цацрагт өртсөн нунтаг давхаргын дээд гадаргуу нь хөдөлгөөнгүй хэвээр байх ёстой. Үүнээс гадна, эд ангийн дээд гадаргуу дээр механик стресс байхгүй. Тиймээс акустик стресс тэгтэй ойролцоо бөгөөд бөөмийн хурд нь эд ангийн бүх дээд гадаргуу дээр хамгийн их далайцтай байдаг. Хайлсан цөөрмийн доторх дууны даралт нь гагнуурын толгойноос үүссэн хамгийн их даралтын 0.1%-иас хэтрэхгүй байх ёстой, учир нь зэвэрдэггүй ган дахь 20 кГц давтамжтай хэт авианы долгионы долгионы урт нь 0.3 м бөгөөд гүн нь ихэвчлэн 0.3 мм-ээс бага байдаг. Тиймээс хэт авианы кавитацид үзүүлэх нөлөө бага байж болно.
Лазерын металлын шууд хуримтлалд эрчимжүүлсэн модуляцлагдсан лазер цацрагийг ашиглах нь судалгааны идэвхтэй чиглэл гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй35,36,37,38.
Лазер цацрагийн орчинд тусах дулааны нөлөө нь материалыг боловсруулах бараг бүх лазер техникүүдийн 39, 40 үндэс суурь болдог, тухайлбал зүсэх41, гагнах, хатууруулах, өрөмдөх42, гадаргууг цэвэрлэх, хайлшлах, гадаргууг өнгөлөх43 гэх мэт. Лазерын зохион бүтээлт нь материал боловсруулах техникт шинэ хөгжлийг өдөөсөн бөгөөд урьдчилсан үр дүнг олон тооны тойм, монографид нэгтгэн дүгнэсэн44,45,46.
Шингээгч орчинд удаан хугацаагаар үйлчлэх зэрэг орчинд үзүүлэх аливаа хөдөлгөөнгүй бус үйлдэл нь түүнд акустик долгионыг илүү их эсвэл бага үр ашигтайгаар өдөөхөд хүргэдэг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Эхэндээ гол анхаарал нь шингэн дэх долгионы лазер өдөөлт болон дууны янз бүрийн дулааны өдөөлтийн механизмууд (дулааны тэлэлт, ууршилт, фазын шилжилтийн үед эзлэхүүний өөрчлөлт, агшилт гэх мэт) дээр төвлөрч байв. 47, 48, 49. Олон тооны монографиуд50, 51, 52 нь энэ үйл явцын онолын дүн шинжилгээ болон түүний боломжит практик хэрэглээг өгсөн болно.
Эдгээр асуудлуудыг дараа нь янз бүрийн бага хурлуудад хэлэлцсэн бөгөөд хэт авианы лазер өдөөлт нь лазер технологийн үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд53 болон анагаах ухаанд54 хэрэглэгддэг. Тиймээс импульсийн лазер гэрэл шингээгч орчинд хэрхэн үйлчилдэг тухай үндсэн ойлголтыг бий болгосон гэж үзэж болно. Лазер хэт авианы үзлэгийг SLM-ээр үйлдвэрлэсэн дээжийн согогийг илрүүлэхэд ашигладаг55,56.
Лазераар үүсгэгдсэн цочролын долгионы материалд үзүүлэх нөлөө нь лазерын цочролын хальслах арга57,58,59-ийн үндэс суурь бөгөөд үүнийг нэмэлтээр үйлдвэрлэсэн эд ангиудын гадаргуугийн боловсруулалтад60 ашигладаг. Гэсэн хэдий ч лазерын цочролыг бэхжүүлэх нь наносекундын лазер импульс болон механик ачаалалтай гадаргуу дээр (жишээлбэл, шингэний давхаргатай)59 хамгийн үр дүнтэй байдаг, учир нь механик ачаалал нь оргил даралтыг нэмэгдүүлдэг.
Хатуужсан материалын бичил бүтцэд янз бүрийн физик талбайн нөлөөллийг судлах туршилтуудыг хийсэн. Туршилтын тохиргооны функциональ диаграммыг Зураг 1-т үзүүлэв. Чөлөөт ажиллах горимд ажилладаг импульсийн Nd:YAG хатуу төлөвт лазерыг ашигласан (импульсийн үргэлжлэх хугацаа \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) ашигласан. Лазерын импульс бүрийг төвийг сахисан нягтралын шүүлтүүр болон цацрагийн хуваагч хавтангийн системээр дамжуулдаг. Төвийг сахисан нягтралын шүүлтүүрийн хослолоос хамааран бай дээрх импульсийн энерги нь \(E_L \sim 20~\text {mJ}\)-ээс \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) хүртэл хэлбэлздэг. Цацрагийн хуваагчаас ойсон лазер туяаг нэгэн зэрэг өгөгдөл цуглуулахын тулд фотодиод руу тэжээдэг бөгөөд бай руу туссан болон түүнээс ойсон хоёр калориметр (\(1~\text {ms}\)-ээс дээш урт хариу үйлдэл үзүүлэх хугацаатай фотодиод), мөн хоёр чадлын тоолуур (богино хариу үйлдэлтэй фотодиод) ашигладаг. Тусах болон ойсон оптик чадлыг тодорхойлохын тулд хугацаа\(<10~\text {ns}\)) ашиглана. Калориметр болон чадлын хэмжигчийг термопил детектор Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 болон дээжийн байршилд суурилуулсан диэлектрик толь ашиглан абсолют нэгжээр утгыг өгөхийн тулд тохируулсан. Линз (ойлтын эсрэг бүрхүүл \(1.06 \upmu \text {m}\), фокусын урт \(160~\text {mm}\) болон байны гадаргуу дээрх цацрагийн бэлхүүс 60– \(100~\upmu\text {m}\) ашиглан цацрагийг бай руу чиглүүлнэ.
Туршилтын тохиргооны функциональ схемийн диаграмм: 1—лазер; 2—лазер туяа; 3—саармаг нягтралын шүүлтүүр; 4—синхрончлогдсон фотодиод; 5—цацраг хуваагч; 6—диафрагм; 7—туссан цацрагийн калориметр; 8—ойсон цацрагийн калориметр; 9—туссан цацрагийн чадлын хэмжүүр; 10—туссан цацрагийн чадлын хэмжүүр; 11—фокуслах линз; 12—толин тусгал; 13—дээж; 14—өргөн зурвасын пьезоэлектрик дамжуулагч; 15—2D хөрвүүлэгч; 16—байрлал тогтоох микроконтроллер; 17—синхрончлолын төхөөрөмж; 18—янз бүрийн түүвэрлэлтийн хурдтай олон сувгийн дижитал цуглуулгын систем; 19—персонал компьютер.
Хэт авианы боловсруулалтыг дараах байдлаар гүйцэтгэдэг. Лазер нь чөлөөт горимд ажилладаг; тиймээс лазерын импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь ойролцоогоор 1.5-1.5 цагийн олон үргэлжлэх хугацаанаас бүрддэг ((\tau _L \sim 150~\upmu \text {s})) бөгөөд энэ нь тус бүр ойролцоогоор 1.5-1.5 цагийн олон үргэлжлэх хугацаанаас бүрдэнэ. Лазерын импульсийн түр зуурын хэлбэр болон түүний спектр нь Зураг 2-т үзүүлсэнчлэн бага давтамжийн бүрхүүл болон өндөр давтамжийн модуляцаас бүрдэх бөгөөд дундаж давтамж нь ойролцоогоор 0.7-1.7 МГц байна. - Давтамжийн бүрхүүл нь материалыг халаах, дараа нь хайлуулах, ууршуулах боломжийг олгодог бол өндөр давтамжийн бүрэлдэхүүн хэсэг нь фотоакустик эффектээс үүдэлтэй хэт авианы чичиргээг өгдөг. Лазераар үүссэн хэт авианы импульсийн долгионы хэлбэр нь голчлон лазерын импульсийн эрчмийн цаг хугацааны хэлбэрээр тодорхойлогддог. Энэ нь \(7~\text {kHz}\)-ээс \(2~\text {MHz}\) хүртэлх бөгөөд төвийн давтамж нь \(~ 0.7~\text {MHz}\) байна. Фотоакустик эффектээс үүдэлтэй акустик импульсийг поливинилиден фторидын хальсаар хийсэн өргөн зурвасын пьезоэлектрик хувиргагч ашиглан бүртгэсэн. Бичсэн долгионы хэлбэр болон түүний спектрийг Зураг 2-т үзүүлэв. Лазер импульсийн хэлбэр нь чөлөөт горимын лазерын ердийн хэлбэр гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Дээжийн арын гадаргуу дээрх лазерын импульсийн эрчим (a) болон дууны хурдны цаг хугацааны тархалт (b), лазерын импульсийн спектр (c) болон хэт авианы импульсийн (d) нэг лазерын импульсийн хувьд 300 гаруй лазерын импульс (улаан муруй) дунджаар (цэнхэр муруй) гарсан.
Бид лазер импульсийн бага давтамжийн бүрхүүл болон өндөр давтамжийн модуляцид харгалзах акустик боловсруулалтын бага давтамжийн болон өндөр давтамжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг тус тус тодорхой ялгаж чадна. Лазер импульсийн бүрхүүлээс үүссэн акустик долгионы долгионы урт нь \(40~\текст {см}\-ээс хэтэрсэн; тиймээс акустик дохионы өргөн зурвасын өндөр давтамжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн бичил бүтцэд үзүүлэх гол нөлөөлөл хүлээгдэж байна.
SLM дахь физик процессууд нь нарийн төвөгтэй бөгөөд орон зайн болон цаг хугацааны өөр өөр түвшинд нэгэн зэрэг явагддаг. Тиймээс SLM-ийн онолын шинжилгээнд олон хэмжээст аргууд хамгийн тохиромжтой байдаг. Математикийн загварууд нь эхлээд олон физик байх ёстой. Инертийн хийн агаар мандалтай харилцан үйлчлэлцдэг олон фазын орчин болох "хатуу-шингэн хайлмал"-ын механик ба термофизикийг дараа нь үр дүнтэй тайлбарлаж болно. SLM дахь материалын дулааны ачааллын шинж чанарууд дараах байдалтай байна.
\(10^{13}~\text {W} см}^2\) хүртэлх чадлын нягтралтай орон нутгийн лазер туяанаас болж халаах болон хөргөх хурд \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ хүртэл байна.
Хайлах-хатуурах мөчлөг нь 1-ээс 10 мс хүртэл үргэлжилдэг бөгөөд энэ нь хөргөлтийн үед хайлах бүсийн хурдан хатуурахад хувь нэмэр оруулдаг.
Дээжийн гадаргууг хурдан халаахад гадаргуугийн давхаргад өндөр термоэластик стресс үүсдэг. Нунтаг давхаргын хангалттай (20% хүртэл) хэсэг нь хүчтэй ууршдаг63 бөгөөд энэ нь лазерын абляцийн хариуд гадаргуу дээр нэмэлт даралтын ачаалал үүсгэдэг. Үүний үр дүнд өдөөгдсөн хэв гажилт нь эд ангийн геометрийг, ялангуяа ойролцоох тулгуур болон нимгэн бүтцийн элементүүдийг мэдэгдэхүйц гажуудуулдаг. Импульсийн лазераар халаах өндөр халаалтын хурд нь гадаргуугаас суурь руу тархдаг хэт авианы хэв гажилтын долгион үүсгэдэг. Орон нутгийн стресс ба хэв гажилтын тархалтын талаарх үнэн зөв тоон мэдээллийг олж авахын тулд дулаан ба массын дамжуулалттай холбоотой уян хатан деформацийн асуудлыг мезоскопийн симуляци хийдэг.
Загварын удирдах тэгшитгэлд (1) дулаан дамжуулалт нь фазын төлөв (нунтаг, хайлмал, поликристалл) болон температураас хамаардаг тогтворгүй дулаан дамжуулалтын тэгшитгэл, (2) тасралтгүй абляцийн дараах уян хатан деформацийн хэлбэлзэл болон термоурамцар тэлэлтийн тэгшитгэл орно. Хилийн утгын асуудлыг туршилтын нөхцлөөр тодорхойлно. Модуляцилагдсан лазер урсгалыг дээжийн гадаргуу дээр тодорхойлно. Конвекцийн хөргөлт нь дамжуулагч дулаан солилцоо болон ууршуулах урсгалыг агуулдаг. Массын урсгалыг ууршуулж буй материалын ханасан уурын даралтыг тооцоолоход үндэслэн тодорхойлно. Термоурамцар стресс-деформацийн хамаарлыг термоурамцар стресс нь температурын зөрүүтэй пропорциональ байх үед ашигладаг. Үр дүнтэй цацрагийн диаметрийн нэрлэсэн чадлын 100, давтамжийн 100, завсарлагааны коэффициентийн 100 хувьд.
Зураг 3-т макроскопийн математик загвар ашиглан хайлсан бүсийн тоон симуляцийн үр дүнг харуулав. Хайлалтын бүсийн диаметр нь 200-300 м (100-300 м) радиус ба 40-40 м гүн байна. Симуляцийн үр дүнгээс харахад импульсийн модуляцийн өндөр завсарлагатай хүчин зүйлээс шалтгаалан гадаргуугийн температур орон нутагт 100-300 м (100 м) цаг хугацаагаар өөрчлөгддөг болохыг харуулж байна. Халаалтын хурд (V_h) ба хөргөлтийн хурд нь тус тус 10^7 ба 10^6 ба 10^6 ба 10^6 ба 100 м (100 м) хоорондын зөрүү нь гадаргуугийн давхаргын хурдан халалтад хүргэдэг бөгөөд суурь руу дулаан дамжуулах нь дулааныг зайлуулахад хангалтгүй байдаг. Тиймээс t=26 ба 26 м үед \text {s}\) гадаргуугийн температур оргил үедээ \(4800~\text {K}\) хүрдэг. Материалын хүчтэй ууршилт нь дээжийн гадаргууг хэт их даралтад оруулж, хуулахад хүргэдэг.
316L дээжийн хавтан дээр дан лазер импульсийн хайлалтын бүсийн тоон симуляцийн үр дүн. Импульсийн эхлэлээс хайлсан цөөрмийн гүн хүртэлх хамгийн их утгад хүрэх хугацаа нь \(180~\upmu\text {s}\). Изотерм \(T = T_L = 1723~\text {K}\) нь шингэн ба хатуу фазын хоорондох хил хязгаарыг илэрхийлнэ. Изобарууд (шар шугамууд) нь дараагийн хэсэгт температурын функцээр тооцоолсон урсацын стресстэй тохирч байна. Тиймээс хоёр изотермийн хоорондох домэйнд (изотерм \(T=T_L\) ба изобарууд \(sigma =\sigma _V(T)\)) хатуу фаз нь хүчтэй механик ачаалалд өртдөг бөгөөд энэ нь бичил бүтцийн өөрчлөлтөд хүргэж болзошгүй юм.
Энэ нөлөөг Зураг 4a-д дэлгэрэнгүй тайлбарласан бөгөөд хайлсан бүс дэх даралтын түвшинг цаг хугацаа болон гадаргуугаас хол зайны функц болгон харуулсан болно. Нэгдүгээрт, даралтын зан төлөв нь дээрх Зураг 2-т тайлбарласан лазерын импульсийн эрчимжилтийн модуляцитай холбоотой юм. Хамгийн их даралт нь ойролцоогоор 10-26 MPa орчимд ажиглагдсан. Хоёрдугаарт, хяналтын цэг дээрх орон нутгийн даралтын хэлбэлзэл нь 500-2600 кГц давтамжтай ижил хэлбэлзлийн шинж чанартай байдаг. Энэ нь хэт авианы даралтын долгион гадаргуу дээр үүсч, дараа нь суурь руу тархдаг гэсэн үг юм.
Хайлах бүсийн ойролцоох деформацийн бүсийн тооцоолсон шинж чанарыг Зураг 4b-д үзүүлэв. Лазерын абляци ба термоуластик стресс нь суурь руу тархдаг уян хатан деформацийн долгион үүсгэдэг. Зурагаас харахад стресс үүсэх хоёр үе шат байдаг. \(t < 40~\upmu \text {s}\)-ийн эхний үе шатанд Мизесийн стресс нь гадаргуугийн даралттай төстэй модуляцитай \(8~\text {MPa}\) хүртэл нэмэгддэг. Энэ стресс нь лазерын абляцийн улмаас үүсдэг бөгөөд анхны дулаанд өртсөн бүс хэтэрхий жижиг байсан тул хяналтын цэгүүдэд термоуластик стресс ажиглагдаагүй. Дулаан нь суурь руу тархах үед хяналтын цэг нь \(40~\text {MPa}\)-ээс дээш өндөр термоуластик стресс үүсгэдэг.
Олж авсан модуляцлагдсан стрессийн түвшин нь хатуу-шингэний интерфэйсэд мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг бөгөөд хатууралтын замыг зохицуулах хяналтын механизм байж болно. Деформацийн бүсийн хэмжээ нь хайлах бүсийн хэмжээнээс 2-3 дахин том байна. Зураг 3-т үзүүлсэнчлэн хайлах изотермийн байршил болон урсацын стресстэй тэнцүү стрессийн түвшинг харьцуулсан болно. Энэ нь импульсийн лазерын цацраг нь агшин зуурын хугацаанаас хамааран 300 ба 800 м-ийн хооронд үр дүнтэй диаметртэй орон нутгийн хэсэгт өндөр механик ачааллыг өгдөг гэсэн үг юм.
Тиймээс импульсийн лазерын ариутгалын нарийн төвөгтэй модуляци нь хэт авианы нөлөөнд хүргэдэг. Хэт авианы ачаалалгүй SLM-тэй харьцуулахад бичил бүтцийн сонголтын зам нь өөр юм. Деформацилагдсан тогтворгүй бүсүүд нь хатуу фазад шахалт ба суналтын үечилсэн мөчлөгт хүргэдэг. Ингэснээр шинэ үр тарианы хил хязгаар болон дэд үр тарианы хил хязгаар үүсэх боломжтой болдог. Тиймээс доор үзүүлсэн шиг бичил бүтцийн шинж чанарыг зориудаар өөрчилж болно. Олж авсан дүгнэлтүүд нь импульсийн модуляцаар өдөөгдсөн хэт авиан хөдөлгүүртэй SLM загварыг зохион бүтээх боломжийг олгодог. Энэ тохиолдолд өөр газар ашигласан пьезоэлектрик индуктор 26-г хасаж болно.
(a) Цаг хугацааны функц болох даралтыг тэгш хэмийн тэнхлэгийн дагуу 0, 20 ба 40 м-ийн гадаргуугаас өөр өөр зайд тооцоолсон.(b) Цаг хугацаанаас хамааралтай Вон. Дээжийн гадаргуугаас 70, 120 ба 170 м-ийн зайд хатуу матрицад тооцоолсон Мизесийн стресс.
Туршилтыг AISI 321H зэвэрдэггүй ган хавтан дээр (20 дахин 20 дахин 5 мм) хэмжээтэйгээр хийсэн. Лазер импульс бүрийн дараа хавтан (50 м) хөдөлж, бай гадаргуу дээрх лазерын цацрагийн бүсэлхий ойролцоогоор (100 м) байна. Боловсруулсан материалыг үр тариаг цэвэршүүлэхийн тулд дахин хайлуулахын тулд нэг зам дагуу таван удаа дараалан цацрагийн дамжуулалтыг хийдэг. Бүх тохиолдолд лазерын цацрагийн хэлбэлзлийн бүрэлдэхүүн хэсгээс хамааран дахин хайлуулсан бүсийг хэт авиагаар эмчилсэн. Энэ нь үр тарианы дундаж талбайг 5 дахин багасгадаг. Зураг 5-т лазераар хайлуулсан хэсгийн бичил бүтэц нь дараагийн дахин хайлуулах циклийн (гарцын) тоогоор хэрхэн өөрчлөгдөж байгааг харуулав.
Дэд графикууд (a,d,g,j) ба (b,e,h,k) – лазер хайлуулсан хэсгүүдийн бичил бүтэц, дэд графикууд (c,f,i,l) – өнгөт ширхэгүүдийн талбайн тархалт. Сүүдэрлэлт нь гистограммыг тооцоолоход ашигласан хэсгүүдийг илэрхийлнэ. Өнгө нь ширхэгийн хэсгүүдтэй тохирч байна (гистограммын дээд хэсэгт байрлах өнгөний мөрийг үзнэ үү. Дэд графикууд (ac) нь боловсруулаагүй зэвэрдэггүй гантай, дэд графикууд (df), (gi), (jl) нь 1, 3 ба 5 дахин хайлуулсан хэсгүүдтэй тохирч байна.
Лазерын импульсийн энерги дараагийн дамжуулалтын хооронд өөрчлөгддөггүй тул хайлсан бүсийн гүн ижил байна. Тиймээс дараагийн суваг нь өмнөхийг бүрэн "хамардаг". Гэсэн хэдий ч гистограмм нь дамжуулалтын тоо нэмэгдэхийн хэрээр дундаж ба медиан ширхэгийн талбай буурч байгааг харуулж байна. Энэ нь лазер нь хайлмал дээр биш харин суурь дээр үйлчилж байгааг илтгэж магадгүй юм.
Хайлсан цөөрмийн хурдан хөрснөөс болж үр тарианы цэвэршилт үүсч болно65. Зэвэрдэггүй ган хавтангийн (321H ба 316L) гадаргууг агаар мандалд (Зураг 6) болон вакуумд (Зураг 7) тасралтгүй долгионы лазер цацрагт өртүүлсэн өөр нэг туршилтыг хийсэн. Лазерын дундаж чадал (тус тус 300 Вт ба 100 Вт) болон хайлсан цөөрмийн гүн нь чөлөөт гүйлтийн горимд Nd:YAG лазерын туршилтын үр дүнтэй ойролцоо байна. Гэсэн хэдий ч ердийн багана хэлбэртэй бүтэц ажиглагдсан.
Тасралтгүй долгионы лазерын лазераар хайлуулсан хэсгийн бичил бүтэц (300 Вт тогтмол чадал, 200 мм/с сканнердах хурд, AISI 321H зэвэрдэггүй ган).
(a) Микро бүтэц ба (b) тасралтгүй долгионы лазераар (100 Вт тогтмол чадал, 200 мм/с сканнердах хурд, AISI 316L зэвэрдэггүй ган) вакуум дотор лазераар хайлуулсан хэсгийн электрон арын тархалтын дифракцийн дүрсүүд\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Тиймээс лазерын импульсийн эрчимжилтийн цогц модуляци нь үүссэн бичил бүтцэд мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг болохыг тодорхой харуулсан. Энэ нөлөө нь механик шинж чанартай бөгөөд хайлалтын цацраг туяагаар цацагдсан гадаргуугаас дээжийн гүн рүү тархсан хэт авианы чичиргээ үүссэнээс үүдэлтэй гэж бид үзэж байна. Үүнтэй төстэй үр дүнг 13, 26, 34, 66, 67-д Ti-6Al-4V хайлш 26 болон зэвэрдэггүй ган 34 зэрэг янз бүрийн материалд өндөр эрчимтэй хэт авиан өгдөг гадаад пьезоэлектрик дамжуулагч болон sonotrodes ашиглан олж авсан. Боломжит механизмыг дараах байдлаар таамаглаж байна. Хүчтэй хэт авиан нь хэт хурдан in situ синхротрон рентген дүрслэлд харуулсан шиг акустик хонхорхой үүсгэж болзошгүй. Ховордлын бөмбөлөг нурах нь хайлсан материалд цочролын долгион үүсгэдэг бөгөөд түүний урд талын даралт нь ойролцоогоор 100 ~ \text {MPa} \)69 хүрдэг. Ийм цочролын долгион нь их хэмжээний шингэнд чухал хэмжээтэй хатуу фазын цөм үүсэхийг дэмжих, ердийн багана хэлбэртэй үр тарианы бүтцийг алдагдуулах хангалттай хүчтэй байж болно. давхарга тус бүрээр нэмэлт үйлдвэрлэл.
Энд бид эрчимтэй хэт авианы аргаар бүтцийн өөрчлөлт хийх үүрэгтэй өөр нэг механизмыг санал болгож байна. Хатуужсаны дараа шууд материал нь хайлах цэгийн ойролцоо өндөр температурт байдаг бөгөөд маш бага ургацын стресстэй байдаг. Хүчтэй хэт авианы долгион нь хуванцар урсгалыг халуун, дөнгөж хатуурсан материалын ширхэгийн бүтцийг өөрчлөхөд хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч ургацын стрессийн температураас хамаарлын талаарх найдвартай туршилтын өгөгдлийг \(T\lessim 1150~\text {K}\) дээрээс авах боломжтой (Зураг 8-ыг үзнэ үү). Тиймээс энэхүү таамаглалыг шалгахын тулд бид хайлах цэгийн ойролцоо ургацын стрессийн зан төлөвийг үнэлэхийн тулд AISI 316 L гантай төстэй Fe-Cr-Ni найрлагын молекулын динамик (MD) симуляцийг хийсэн. Ургацын стрессийг тооцоолохын тулд бид 70, 71, 72, 73-т дэлгэрэнгүй тайлбарласан MD зүсэлтийн стрессийг сулруулах аргыг ашигласан. Атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн тооцооллын хувьд бид 74-өөс авсан Embedded Atomic Model (EAM)-ийг ашигласан. MD симуляцийг LAMMPS кодууд 75,76 ашиглан гүйцэтгэсэн. MD симуляцийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг нийтлэх болно. өөр газар. Урсалтын стрессийн температурын функц болох MD тооцооллын үр дүнг туршилтын өгөгдөл болон бусад үнэлгээний хамт Зураг 8-д үзүүлэв77,78,79,80,81,82.
AISI 316 зэрэглэлийн аустенит зэвэрдэггүй гангийн гарцын стресс болон MD симуляцийн загварын найрлага ба температур. Лавлагаанаас авсан туршилтын хэмжилтүүд: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f)82 нь лазерын тусламжтайгаар нэмэлт үйлдвэрлэлийн үед шугаман доторх стрессийн хэмжилтийн гарцын стресс-температурын хамаарлын эмпирик загвар юм. Энэхүү судалгаанд хамрагдсан томоохон хэмжээний MD симуляцийн үр дүнг согоггүй хязгааргүй дан талстыг \(\vartriangleft\), Холл-Петчийн хамаарлын Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\)-аар дамжуулан дундаж ширхэгийн хэмжээг харгалзан хязгаарлагдмал ширхэгийг \(\vartriangleright\) гэж тэмдэглэсэн.
\(T>1500~\text {K}\) үед урсацын стресс \(40~\text {MPa}\-ээс доош унадаг болохыг харж болно. Нөгөөтэйгүүр, тооцооллоор лазераар үүсгэгдсэн хэт авианы далайц \(40~\text {MPa}\)-ээс хэтэрсэн гэж таамаглаж байна (Зураг 4b-г үзнэ үү), энэ нь дөнгөж хатуурсан халуун материалд хуванцар урсгалыг өдөөхөд хангалттай юм.
SLM-ийн үед 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) аустенитик зэвэрдэггүй гангийн бичил бүтцийн үүсэлтийг нарийн төвөгтэй эрчимжүүлсэн импульсийн лазер эх үүсвэр ашиглан туршилтаар судалсан.
1, 3 эсвэл 5 удаагийн дараа лазераар тасралтгүй дахин хайлуулсны улмаас лазер хайлах бүсэд үр тарианы хэмжээ буурсан нь тогтоогдсон.
Макроскопийн загварчлал нь хэт авианы деформаци нь хатууралтын фронтод эерэгээр нөлөөлж болох хэсгийн тооцоолсон хэмжээ нь \(1~\text {mm}\) хүртэл байгааг харуулж байна.
Микроскопийн MD загвар нь хайлах цэгийн ойролцоо AISI 316 аустенит зэвэрдэггүй гангийн урсалтын бат бэх нь \(40~\text {MPa}\) хүртэл мэдэгдэхүйц буурдаг болохыг харуулж байна.
Олж авсан үр дүнгүүд нь нарийн төвөгтэй модуляцлагдсан лазер боловсруулалтыг ашиглан материалын бичил бүтцийг хянах аргыг санал болгож байгаа бөгөөд импульсийн SLM техникийн шинэ өөрчлөлтийг бий болгох үндэс суурь болж чадна.
Liu, Y. et al. Лазер сонгомол хайлуулах аргаар in situ TiB2/AlSi10Mg композитуудын бичил бүтцийн хувьсал ба механик шинж чанарууд [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. нар. 316л зэвэрдэггүй гангийн лазер сонгомол хайлалтын мөхлөгийн хил хязгаарыг дахин талсжуулах инженерчлэл [J]. Алма Матер сэтгүүл. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чен, X. & Цю, C. Лазераар хайлуулсан титан хайлшийг лазераар дахин халаах замаар уян хатан чанарыг сайжруулсан сэндвич бичил бүтцийг газар дээр нь хөгжүүлэх. шинжлэх ухаан. 10-р тойм, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. нар. Лазер металлын тунадасжуулалт (LMD) аргаар Ti-6Al-4V эд ангиудыг нэмэлтээр үйлдвэрлэх нь: үйл явц, бичил бүтэц ба механик шинж чанарууд. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. нар. Хайлш 718-ийн лазер металлын нунтаг чиглэсэн энерги хуримтлалын бичил бүтцийн загварчлал. Үйлдвэрлэлд нэмэх.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Лазер цочролоор боловсруулсан нэмэлт аргаар үйлдвэрлэсэн дээжийн параметрийн нейтрон Брэггийн ирмэгийн дүрслэлийн судалгаа. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Х. нар. Электрон цацраг хайлуулах замаар нэмэлт аргаар үйлдвэрлэсэн Ti-6Al-4V-ийн градиент бичил бүтэц ба механик шинж чанарууд. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).