Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमधील कंपॅटिबिलिटी मोड बंद करा). यादरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही ही साइट स्टायलिंग आणि जावास्क्रिप्टशिवाय प्रदर्शित करू.
उत्पादन प्रक्रियेमध्ये उत्पादनांच्या सूक्ष्म संरचनेवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी सिलेक्टिव्ह लेझर मेल्टिंगवर आधारित एक नवीन यंत्रणा प्रस्तावित केली आहे. ही यंत्रणा कॉम्प्लेक्स इंटेन्सिटी-मॉड्युलेटेड लेझर इरॅडिएशनद्वारे वितळलेल्या भागामध्ये उच्च-तीव्रतेच्या अल्ट्रासोनिक लहरी निर्माण करण्यावर अवलंबून आहे. प्रायोगिक अभ्यास आणि संख्यात्मक सिम्युलेशन दर्शवतात की ही नियंत्रण यंत्रणा तांत्रिकदृष्ट्या व्यवहार्य आहे आणि आधुनिक सिलेक्टिव्ह लेझर मेल्टिंग मशीनच्या डिझाइनमध्ये प्रभावीपणे समाविष्ट केली जाऊ शकते.
गेल्या काही दशकांमध्ये गुंतागुंतीच्या आकाराच्या भागांच्या अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगमध्ये (AM) लक्षणीय वाढ झाली आहे. तथापि, सिलेक्टिव्ह लेझर मेल्टिंग (SLM)¹,²,³, डायरेक्ट लेझर मेटल डिपॉझिशन⁴,⁵,⁶, इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंग⁷,⁸ आणि इतर⁹,¹⁰ यांसारख्या विविध अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग प्रक्रिया असूनही, तयार झालेले भाग सदोष असू शकतात. हे प्रामुख्याने वितळलेल्या आणि पुन्हा वितळलेल्या पदार्थांमधील उच्च थर्मल ग्रेडियंट्स, उच्च शीतलन दर आणि उष्णता चक्रांच्या गुंतागुंतीशी संबंधित वितळलेल्या पूलच्या घनीकरण प्रक्रियेच्या विशिष्ट वैशिष्ट्यांमुळे होते¹¹, ज्यामुळे एपिटॅक्सियल ग्रेन ग्रोथ आणि लक्षणीय पोरोसिटी¹²,¹³ निर्माण होते. परिणाम दर्शवतात की, सूक्ष्म इक्विअॅक्स्ड ग्रेन स्ट्रक्चर्स मिळवण्यासाठी थर्मल ग्रेडियंट्स, शीतलन दर आणि मिश्रधातूची रचना नियंत्रित करणे किंवा विविध गुणधर्मांच्या बाह्य क्षेत्रांद्वारे (उदा., अल्ट्रासाऊंड) अतिरिक्त भौतिक धक्के देणे आवश्यक आहे.
पारंपारिक कास्टिंग प्रक्रियांमध्ये घनीकरण प्रक्रियेवर कंपन उपचारांच्या परिणामाबद्दल असंख्य प्रकाशने आहेत¹⁴,¹⁵. तथापि, मोठ्या प्रमाणात वितळलेल्या पदार्थांवर बाह्य क्षेत्र लागू केल्याने इच्छित पदार्थाची सूक्ष्म-संरचना तयार होत नाही. जर द्रव अवस्थेचे प्रमाण कमी असेल, तर परिस्थिती नाट्यमयरित्या बदलते. या प्रकरणात, बाह्य क्षेत्र घनीकरण प्रक्रियेवर लक्षणीय परिणाम करते. तीव्र ध्वनिक क्षेत्र¹⁶,¹⁷,¹⁸,¹⁹,²⁰,²¹,²²,²³,²⁴,²⁵,²⁶,²⁷, आर्क स्टिरिंग²⁸ आणि ऑसिलेशन²⁹, पल्स्ड प्लाझ्मा आर्क्स³⁰,³¹ आणि इतर पद्धती³² दरम्यान विद्युतचुंबकीय परिणामांचा विचार केला गेला आहे. बाह्य उच्च-तीव्रतेच्या अल्ट्रासाऊंड स्त्रोताचा (२० kHz वर) वापर करून सब्सट्रेटला जोडा. अल्ट्रासाऊंड-प्रेरित कण-सुधारणेचे श्रेय कमी झालेल्या तापमान प्रवणतेमुळे वाढलेल्या रचनात्मक सबकूलिंग झोनला आणि कॅव्हिटेशनद्वारे नवीन क्रिस्टलाइट्स तयार करण्यासाठी अल्ट्रासाऊंड वर्धनाला दिले जाते.
या कामात, आम्ही वितळणाऱ्या लेझरमधूनच निर्माण होणाऱ्या ध्वनी लहरींनी वितळलेल्या भागावर ध्वनिसंस्कार करून ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलच्या कणरचनेत बदल करण्याच्या शक्यतेचा अभ्यास केला. प्रकाश-शोषक माध्यमावर पडणाऱ्या लेझर किरणांच्या तीव्रतेच्या मॉड्युलेशनमुळे अल्ट्रासोनिक लहरी निर्माण होतात, ज्यामुळे पदार्थाच्या सूक्ष्मरचनेत बदल होतो. लेझर किरणांचे हे तीव्रतेचे मॉड्युलेशन सध्याच्या SLM 3D प्रिंटर्समध्ये सहजपणे समाविष्ट केले जाऊ शकते. या कामातील प्रयोग स्टेनलेस स्टीलच्या प्लेट्सवर करण्यात आले, ज्यांच्या पृष्ठभागावर तीव्रता-मॉड्युलेटेड लेझर किरणे टाकण्यात आली होती. त्यामुळे, तांत्रिकदृष्ट्या, लेझर पृष्ठभाग उपचार (लेझर सरफेस ट्रीटमेंट) केले जाते. तथापि, जर थरा-थराने रचना करताना प्रत्येक थराच्या पृष्ठभागावर असा लेझर उपचार केला गेला, तर त्याचे परिणाम संपूर्ण भागावर किंवा भागाच्या निवडक भागांवर साधले जातात. दुसऱ्या शब्दांत, जर भाग थरा-थराने तयार केला गेला, तर प्रत्येक थरावरील लेझर पृष्ठभाग उपचार हे "लेझर व्हॉल्यूम ट्रीटमेंट" च्या समतुल्य आहे.
याउलट, अल्ट्रासोनिक हॉर्न-आधारित अल्ट्रासोनिक थेरपीमध्ये, स्थिर ध्वनी लहरीची अल्ट्रासोनिक ऊर्जा संपूर्ण घटकामध्ये वितरित केली जाते, तर लेझर-प्रेरित अल्ट्रासोनिक तीव्रता लेझर किरणोत्सर्ग शोषला जातो त्या बिंदूजवळ अत्यंत केंद्रित असते. एसएलएम पावडर बेड फ्यूजन मशीनमध्ये सोनोट्रोड वापरणे गुंतागुंतीचे आहे कारण लेझर किरणोत्सर्गाच्या संपर्कात येणारा पावडर बेडचा वरचा पृष्ठभाग स्थिर राहणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, भागाच्या वरच्या पृष्ठभागावर कोणताही यांत्रिक ताण नसतो. त्यामुळे, ध्वनिक ताण शून्याच्या जवळ असतो आणि भागाच्या संपूर्ण वरच्या पृष्ठभागावर कणांच्या वेगाची कमाल तीव्रता असते. संपूर्ण वितळलेल्या भागातील ध्वनी दाब वेल्डिंग हेडद्वारे निर्माण होणाऱ्या कमाल दाबाच्या ०.१% पेक्षा जास्त असू शकत नाही, कारण स्टेनलेस स्टीलमध्ये २० kHz वारंवारतेच्या अल्ट्रासोनिक लहरींची तरंगलांबी सुमारे ०.३ मीटर असते आणि खोली सहसा सुमारे ०.३ मिमी पेक्षा कमी असते. त्यामुळे, कॅव्हिटेशनवर अल्ट्रासाऊंडचा परिणाम कमी असू शकतो.
हे लक्षात घेतले पाहिजे की डायरेक्ट लेझर मेटल डिपॉझिशनमध्ये इंटेन्सिटी-मॉड्युलेटेड लेझर रेडिएशनचा वापर हे संशोधनाचे एक सक्रिय क्षेत्र आहे35,36,37,38.
माध्यमावर पडणाऱ्या लेझर किरणांचा औष्णिक परिणाम हा पदार्थ प्रक्रियेसाठीच्या जवळजवळ सर्व लेझर तंत्रांचा 39, 40 आधार आहे, जसे की कापणे41, वेल्डिंग, कठीण करणे, ड्रिलिंग42, पृष्ठभाग साफ करणे, पृष्ठभाग मिश्रधातू बनवणे, पृष्ठभाग पॉलिश करणे43, इत्यादी. लेझरच्या शोधाने पदार्थ प्रक्रिया तंत्रांमध्ये नवीन विकासाला चालना दिली आणि प्राथमिक परिणाम असंख्य पुनरावलोकने आणि मोनोग्राफमध्ये44,45,46 सारांशित केले गेले आहेत.
हे लक्षात घेतले पाहिजे की माध्यमावरील कोणतीही अस्थिर क्रिया, ज्यामध्ये शोषक माध्यमावरील लेझिंग क्रियेचा समावेश आहे, त्यामध्ये कमी-अधिक कार्यक्षमतेने ध्वनिक लहरींच्या उत्तेजनास कारणीभूत ठरते. सुरुवातीला, द्रवांमधील लहरींच्या लेझर उत्तेजनावर आणि ध्वनीच्या विविध औष्णिक उत्तेजना यंत्रणांवर (औष्णिक प्रसरण, बाष्पीभवन, अवस्थांतरादरम्यान होणारा आकारमानातील बदल, आकुंचन, इत्यादी) मुख्य लक्ष केंद्रित केले गेले होते ४७, ४८, ४९. असंख्य प्रबंध ५०, ५१, ५२ या प्रक्रियेचे सैद्धांतिक विश्लेषण आणि त्याचे संभाव्य व्यावहारिक उपयोग प्रदान करतात.
या मुद्द्यांवर नंतर विविध परिषदांमध्ये चर्चा झाली, आणि अल्ट्रासाऊंडच्या लेझर उत्तेजनाचे उपयोग लेझर तंत्रज्ञानाच्या औद्योगिक उपयोगांमध्ये53 आणि वैद्यकशास्त्रामध्ये54 आहेत. म्हणून, असे मानले जाऊ शकते की ज्या प्रक्रियेद्वारे स्पंदित लेझर प्रकाश शोषक माध्यमावर कार्य करतो त्या प्रक्रियेची मूलभूत संकल्पना स्थापित झाली आहे. लेझर अल्ट्रासोनिक तपासणीचा उपयोग एसएलएम-उत्पादित नमुन्यांमधील दोष शोधण्यासाठी केला जातो55,56.
पदार्थांवर लेझर-निर्मित शॉक लहरींचा होणारा परिणाम हा लेझर शॉक पीनिंग57,58,59 चा आधार आहे, ज्याचा उपयोग ॲडिटिव्हली मॅन्युफॅक्चर्ड भागांच्या पृष्ठभागावर प्रक्रिया करण्यासाठी देखील केला जातो60. तथापि, लेझर शॉक स्ट्रेंग्थनिंग हे नॅनोसेकंद लेझर पल्सेस आणि यांत्रिकरित्या भारित पृष्ठभागांवर (उदा., द्रवाच्या थरासह)59 सर्वात प्रभावी ठरते कारण यांत्रिक भारामुळे कमाल दाब वाढतो.
घनीभूत झालेल्या पदार्थांच्या सूक्ष्म संरचनेवर विविध भौतिक क्षेत्रांच्या संभाव्य परिणामांचा अभ्यास करण्यासाठी प्रयोग करण्यात आले. प्रायोगिक मांडणीचा कार्यात्मक आराखडा आकृती १ मध्ये दर्शविला आहे. फ्री-रनिंग मोडमध्ये चालणारा एक स्पंदित Nd:YAG सॉलिड-स्टेट लेझर (स्पंद कालावधी \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) वापरण्यात आला. प्रत्येक लेझर स्पंद न्यूट्रल डेन्सिटी फिल्टर्सच्या मालिकेतून आणि बीम स्प्लिटर प्लेट प्रणालीमधून जातो. न्यूट्रल डेन्सिटी फिल्टर्सच्या संयोजनानुसार, लक्ष्यावरील स्पंद ऊर्जा \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ते \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) पर्यंत बदलते. बीम स्प्लिटरमधून परावर्तित झालेला लेझर किरण एकाच वेळी डेटा संकलनासाठी फोटोडायोडला दिला जातो, आणि लक्ष्यावर पडणारी व त्यावरून परावर्तित होणारी ऊर्जा निश्चित करण्यासाठी दोन कॅलरीमीटर (\(1~\text {ms}\) पेक्षा जास्त प्रतिसाद वेळ असलेले फोटोडायोड) आणि दोन पॉवर मीटर (फोटोडायोड) वापरले जातात. आपाती आणि परावर्तित प्रकाशीय शक्ती निश्चित करण्यासाठी कमी प्रतिसाद वेळेसह (<10 ns) कॅलरीमीटर आणि पॉवर मीटर निरपेक्ष एककांमध्ये मूल्ये देण्यासाठी कॅलिब्रेट केले गेले. यासाठी जेंटेक-ईओ एक्सएलपी12-3एस-एच2-डी0 थर्मोपाइल डिटेक्टर आणि नमुन्याच्या ठिकाणी बसवलेला डायलेक्ट्रिक आरसा वापरण्यात आला. लेन्स (1.06 μm वर अँटीरिफ्लेक्शन कोटिंग, नाभीय अंतर 160 mm) आणि लक्ष्याच्या पृष्ठभागावर 60-100 μm बीम वेस्ट वापरून बीम लक्ष्यावर केंद्रित करा.
प्रायोगिक सेटअपची कार्यात्मक योजनाबद्ध आकृती: 1—लेझर; 2—लेझर बीम; 3—न्यूट्रल डेन्सिटी फिल्टर; 4—सिंक्रोनाइझ्ड फोटोडायोड; 5—बीम स्प्लिटर; 6—डायफ्राम; 7—आपतित बीमचे कॅलरीमीटर; 8—परतलेल्या बीमचे कॅलरीमीटर; 9—आपतित बीम पॉवर मीटर; 10—परतलेल्या बीमचे पॉवर मीटर; 11—फोकसिंग लेन्स; 12—आरसा; 13—नमुना; 14—ब्रॉडबँड पिझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर; 15—2D कन्व्हर्टर; 16—पोझिशनिंग मायक्रोकंट्रोलर; 17—सिंक्रोनाइझेशन युनिट; 18—विविध सॅम्पलिंग दरांसह मल्टी-चॅनल डिजिटल ॲक्विझिशन सिस्टम; 19—पर्सनल कॉम्प्युटर.
अल्ट्रासोनिक उपचार खालीलप्रमाणे केला जातो. लेझर फ्री-रनिंग मोडमध्ये कार्य करतो; त्यामुळे लेझर पल्सचा कालावधी \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) असतो, ज्यामध्ये प्रत्येकी अंदाजे \(1.5~\upmu \text {s } \) कालावधीच्या अनेक टप्प्यांचा समावेश असतो. लेझर पल्सचा कालिक आकार आणि त्याचे स्पेक्ट्रम हे कमी-फ्रिक्वेन्सी एनव्हलप आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशनने बनलेले असते, ज्याची सरासरी फ्रिक्वेन्सी सुमारे \(0.7~\text {MHz}\) असते, जसे की आकृती २ मध्ये दाखवले आहे. फ्रिक्वेन्सी एनव्हलपमुळे पदार्थाचे तापमान वाढते आणि त्यानंतर त्याचे वितळणे व बाष्पीभवन होते, तर उच्च फ्रिक्वेन्सी घटक फोटोअकॉस्टिक परिणामामुळे अल्ट्रासोनिक कंपने निर्माण करतो. लेझरद्वारे निर्माण होणाऱ्या अल्ट्रासोनिक पल्सचा वेव्हफॉर्म मुख्यत्वे लेझर पल्सच्या तीव्रतेच्या कालिक आकाराद्वारे निश्चित केला जातो. हे ७ kHz पासून २ MHz पर्यंत आहे आणि केंद्र वारंवारता सुमारे ०.७ MHz आहे. फोटोअकॉस्टिक परिणामामुळे निर्माण झालेले ध्वनिक स्पंद, पॉलीविनायलिडीन फ्लोराइड फिल्म्सपासून बनवलेल्या ब्रॉडबँड पिझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसरचा वापर करून नोंदवले गेले. नोंदवलेला वेव्हफॉर्म आणि त्याचा स्पेक्ट्रम आकृती २ मध्ये दर्शविला आहे. हे लक्षात घ्यावे की लेझर स्पंदांचा आकार हा फ्री-रनिंग मोड लेझरसाठी वैशिष्ट्यपूर्ण आहे.
एकाच लेझर पल्ससाठी (निळा वक्र) लेझर पल्स तीव्रतेचे (a) आणि नमुन्याच्या मागील पृष्ठभागावरील ध्वनीच्या वेगाचे (b) कालिक वितरण, 300 लेझर पल्सवर सरासरी काढलेले लेझर पल्सचे स्पेक्ट्रा (लाल वक्र) आणि अल्ट्रासोनिक पल्सचे स्पेक्ट्रा (d).
आपण ध्वनिक उपचाराचे कमी-वारंवारता आणि उच्च-वारंवारता घटक स्पष्टपणे ओळखू शकतो, जे अनुक्रमे लेझर पल्सच्या कमी-वारंवारता एनव्हलप आणि उच्च-वारंवारता मॉड्युलेशनशी संबंधित आहेत. लेझर पल्स एनव्हलपद्वारे निर्माण होणाऱ्या ध्वनिक लहरींची तरंगलांबी ४० सेमी पेक्षा जास्त असते; त्यामुळे, ध्वनिक सिग्नलच्या ब्रॉडबँड उच्च-वारंवारता घटकांचा सूक्ष्म संरचनेवर मुख्य परिणाम अपेक्षित आहे.
एसएलएममधील भौतिक प्रक्रिया गुंतागुंतीच्या असून त्या वेगवेगळ्या अवकाशीय आणि कालिक स्तरांवर एकाच वेळी घडतात. त्यामुळे, एसएलएमच्या सैद्धांतिक विश्लेषणासाठी बहु-स्तरीय पद्धती सर्वात योग्य आहेत. गणितीय मॉडेल्स सुरुवातीला बहु-भौतिक असावीत. त्यानंतर निष्क्रिय वायूच्या वातावरणाशी आंतरक्रिया करणाऱ्या “घन-द्रव वितळण” या बहु-अवस्था माध्यमाच्या यांत्रिकी आणि औष्णिक भौतिकशास्त्राचे प्रभावीपणे वर्णन केले जाऊ शकते. एसएलएममधील पदार्थाच्या औष्णिक भारांची वैशिष्ट्ये खालीलप्रमाणे आहेत.
\(10^{13}~\text {W} cm}^2\) पर्यंतच्या शक्ती घनतेसह स्थानिक लेझर किरणोत्सर्गामुळे \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ पर्यंत गरम होण्याचा आणि थंड होण्याचा दर.
वितळणे-घनीभवन चक्र 1 ते 10 मिलीसेकंद टिकते, ज्यामुळे थंड होताना वितळलेल्या भागाचे वेगाने घनीभवन होण्यास मदत होते.
नमुन्याच्या पृष्ठभागाच्या जलद तापनामुळे पृष्ठभागाच्या थरात उच्च थर्मोइलास्टिक ताण निर्माण होतात. पावडरच्या थराचा पुरेसा (२०% पर्यंत) भाग तीव्रतेने बाष्पीभवन पावतो63, ज्यामुळे लेझर ॲब्लेशनच्या प्रतिसादात पृष्ठभागावर अतिरिक्त दाब भार निर्माण होतो. परिणामी, प्रेरित विकृती भागाच्या भूमितीला लक्षणीयरीत्या विकृत करते, विशेषतः आधारांजवळ आणि पातळ संरचनात्मक घटकांजवळ. पल्स्ड लेझर ॲनीलिंगमधील उच्च तापन दरामुळे अल्ट्रासोनिक विकृती लहरी निर्माण होतात, ज्या पृष्ठभागापासून सब्सट्रेटपर्यंत पसरतात. स्थानिक ताण आणि विकृती वितरणावरील अचूक परिमाणात्मक माहिती मिळवण्यासाठी, उष्णता आणि वस्तुमान हस्तांतरणाशी संबंधित लवचिक विकृती समस्येचे मेसोस्कोपिक सिम्युलेशन केले जाते.
मॉडेलच्या नियामक समीकरणांमध्ये (१) अस्थिर उष्णता हस्तांतरण समीकरणे, ज्यात औष्णिक वाहकता अवस्था (पावडर, वितळलेले, बहुस्फटिक) आणि तापमानावर अवलंबून असते, (२) सलग क्षरणानंतर लवचिक विकृतीमधील चढउतार आणि थर्मोइलास्टिक प्रसरण समीकरण यांचा समावेश आहे. सीमा मूल्य समस्या प्रायोगिक परिस्थितीनुसार निश्चित केली जाते. मॉड्युलेटेड लेझर फ्लक्स नमुन्याच्या पृष्ठभागावर परिभाषित केला जातो. संवहनी शीतलीकरणात प्रवाहकीय उष्णता विनिमय आणि बाष्पीभवन फ्लक्स यांचा समावेश होतो. बाष्पीभवन होणाऱ्या पदार्थाच्या संतृप्त बाष्प दाबाच्या गणनेवर आधारित वस्तुमान फ्लक्स परिभाषित केला जातो. इलास्टोप्लास्टिक ताण-विकृती संबंध वापरला जातो, ज्यात थर्मोइलास्टिक ताण तापमानातील फरकाच्या प्रमाणात असतो. नाममात्र शक्ती ३०० वॅट, वारंवारता १०⁵ हर्ट्झ, विराम गुणांक १०० आणि प्रभावी शलाका व्यास २०० मायक्रोमीटरसाठी.
आकृती ३ मध्ये मॅक्रोस्कोपिक गणितीय मॉडेल वापरून वितळलेल्या क्षेत्राच्या संख्यात्मक सिम्युलेशनचे परिणाम दर्शविले आहेत. वितळलेल्या क्षेत्राचा व्यास २०० μm (१०० μm त्रिज्या) आणि खोली ४० μm आहे. सिम्युलेशनच्या परिणामांनुसार, पल्स मॉड्युलेशनच्या उच्च खंडित घटकामुळे पृष्ठभागाचे तापमान वेळेनुसार स्थानिकरित्या १०० K ने बदलते. तापवण्याचे दर Vh आणि थंड करण्याचे दर Vc हे अनुक्रमे १०⁷ आणि १०⁶ K/s च्या श्रेणीत आहेत. ही मूल्ये आमच्या मागील विश्लेषणाशी⁶⁴ सुसंगत आहेत. Vh आणि Vc मधील परिमाणाच्या श्रेणीतील फरकामुळे पृष्ठभागाचा थर वेगाने अतिउष्ण होतो, जिथे सब्सट्रेटला उष्णता वहन काढून टाकण्यासाठी अपुरे असते. उष्णता. म्हणून, \(t=26~\upmu \text {s}\) वेळी पृष्ठभागाचे तापमान \(4800~\text {K}\) पर्यंत वाढते. पदार्थाच्या तीव्र बाष्पीभवनामुळे नमुन्याच्या पृष्ठभागावर अत्याधिक दाब येऊ शकतो आणि तो सोलून निघू शकतो.
316L नमुना प्लेटवर एकल लेझर पल्स ॲनीलिंगच्या वितळण क्षेत्राच्या संख्यात्मक सिम्युलेशनचे परिणाम. पल्सच्या सुरुवातीपासून वितळलेल्या भागाची खोली कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचण्यापर्यंतचा वेळ 180 μs आहे. समताप रेषा T = T_L = 1723 K ही द्रव आणि घन अवस्थांमधील सीमा दर्शवते. समदाब रेषा (पिवळ्या रेषा) पुढील विभागात तापमानाचे कार्य म्हणून गणना केलेल्या यिल्ड स्ट्रेसशी संबंधित आहेत. म्हणून, दोन समरेषांच्या (समताप रेषा T=T_L आणि समदाब रेषा σ = σ_V(T)) मधील क्षेत्रात, घन अवस्थेवर तीव्र यांत्रिक भार पडतो, ज्यामुळे सूक्ष्म संरचनेत बदल होऊ शकतात.
हा परिणाम आकृती 4a मध्ये अधिक स्पष्ट केला आहे, जिथे वितळलेल्या भागातील दाबाची पातळी वेळ आणि पृष्ठभागापासूनच्या अंतराच्या फलनानुसार दर्शविली आहे. प्रथम, दाबाचे वर्तन हे वरील आकृती 2 मध्ये वर्णन केलेल्या लेझर पल्स तीव्रतेच्या मॉड्युलेशनशी संबंधित आहे. सुमारे t=26 μ वर सुमारे 10 MPa चा कमाल दाब नोंदवला गेला. दुसरे म्हणजे, नियंत्रण बिंदूवरील स्थानिक दाबाच्या चढउतारात 500 kHz वारंवारतेसारखीच दोलन वैशिष्ट्ये आहेत. याचा अर्थ असा की, अल्ट्रासोनिक दाब लहरी पृष्ठभागावर निर्माण होतात आणि नंतर सब्सट्रेटमध्ये पसरतात.
वितळण क्षेत्राजवळील विरूपण क्षेत्राची गणना केलेली वैशिष्ट्ये आकृती 4b मध्ये दर्शविली आहेत. लेझर ॲब्लेशन आणि थर्मोइलास्टिक ताणामुळे लवचिक विरूपण लहरी निर्माण होतात, ज्या सब्सट्रेटमध्ये पसरतात. आकृतीवरून पाहिल्याप्रमाणे, ताण निर्मितीचे दोन टप्पे आहेत. \(t < 40~\upmu \text {s}\) च्या पहिल्या टप्प्यात, पृष्ठभागाच्या दाबासारख्या मॉड्युलेशनसह माईसेस ताण \(8~\text {MPa}\) पर्यंत वाढतो. हा ताण लेझर ॲब्लेशनमुळे निर्माण होतो आणि नियंत्रण बिंदूंवर कोणताही थर्मोइलास्टिक ताण दिसून आला नाही, कारण सुरुवातीचे उष्णता-प्रभावित क्षेत्र खूप लहान होते. जेव्हा उष्णता सब्सट्रेटमध्ये विसर्जित होते, तेव्हा नियंत्रण बिंदू \(40~\text {MPa}\) पेक्षा जास्त उच्च थर्मोइलास्टिक ताण निर्माण करतो.
प्राप्त झालेल्या मॉड्युलेटेड ताण पातळींचा घन-द्रव इंटरफेसवर महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो आणि ती घनीकरण मार्गावर नियंत्रण ठेवणारी यंत्रणा असू शकते. विरूपण क्षेत्राचा आकार वितळण क्षेत्रापेक्षा २ ते ३ पट मोठा असतो. आकृती ३ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, वितळण आयसोथर्मचे स्थान आणि यिल्ड स्ट्रेसच्या समान ताण पातळीची तुलना केली आहे. याचा अर्थ असा की, पल्स्ड लेझर इरॅडिएशनमुळे स्थानिक भागांमध्ये उच्च यांत्रिक भार निर्माण होतो, ज्याचा प्रभावी व्यास तात्कालिक वेळेनुसार ३०० ते ८०० मायक्रोमीटर दरम्यान असतो.
म्हणून, पल्स्ड लेझर ॲनीलिंगच्या जटिल मॉड्युलेशनमुळे अल्ट्रासोनिक परिणाम होतो. अल्ट्रासोनिक लोडिंगशिवाय असलेल्या SLM च्या तुलनेत, सूक्ष्मसंरचना निवडीचा मार्ग वेगळा असतो. विकृत अस्थिर प्रदेशांमुळे घन अवस्थेमध्ये संकोचन आणि प्रसरणाची नियतकालिक चक्रे निर्माण होतात. त्यामुळे, नवीन ग्रेन बाउंड्री आणि सबग्रेन बाउंड्रीची निर्मिती शक्य होते. म्हणून, खाली दर्शविल्याप्रमाणे, सूक्ष्मसंरचनात्मक गुणधर्म हेतुपुरस्सर बदलले जाऊ शकतात. प्राप्त निष्कर्ष पल्स मॉड्युलेशन-प्रेरित अल्ट्रासाऊंड-चालित SLM प्रोटोटाइप डिझाइन करण्याची शक्यता प्रदान करतात. या प्रकरणात, इतरत्र वापरलेला पिझोइलेक्ट्रिक इंडक्टर २६ वगळला जाऊ शकतो.
(अ) सममिती अक्षाच्या दिशेने पृष्ठभागापासून 0, 20 आणि 40 μm अंतरावर मोजलेला, वेळेनुसार दाब. (ब) नमुन्याच्या पृष्ठभागापासून 70, 120 आणि 170 μm अंतरावर घन मॅट्रिक्समध्ये मोजलेला वेळ-अवलंबित व्हॉन मिसेस स्ट्रेस.
२०×२०×५ मिमी आकाराच्या AISI 321H स्टेनलेस स्टील प्लेट्सवर प्रयोग करण्यात आले. प्रत्येक लेझर पल्सनंतर, प्लेट ५० मायक्रोमीटर सरकते आणि लक्ष्याच्या पृष्ठभागावरील लेझर बीमचा घेर सुमारे १०० मायक्रोमीटर असतो. कण-सूक्ष्मीकरणासाठी प्रक्रिया केलेल्या पदार्थाचे पुनर्वितळण घडवून आणण्याकरिता, त्याच मार्गावरून बीमचे पाच सलग फेरे घेतले जातात. सर्व प्रकरणांमध्ये, लेझर रेडिएशनच्या दोलनशील घटकानुसार, पुनर्वितळलेल्या भागावर सोनिकेशन केले गेले. यामुळे सरासरी कण क्षेत्रफळात ५ पटींपेक्षा जास्त घट होते. आकृती ५ मध्ये दाखवले आहे की, लेझरने वितळलेल्या भागाची सूक्ष्म-संरचना पुनर्वितळणाच्या चक्रांच्या (फेऱ्यांच्या) संख्येनुसार कशी बदलते.
उप-आकृत्या (a,d,g,j) आणि (b,e,h,k) – लेझरने वितळलेल्या भागांची सूक्ष्म-संरचना, उप-आकृत्या (c,f,i,l) – रंगीत कणांचे क्षेत्रफळ वितरण. छायांकन हे हिस्टोग्रामची गणना करण्यासाठी वापरलेले कण दर्शवते. रंग कणांच्या भागांशी संबंधित आहेत (हिस्टोग्रामच्या शीर्षस्थानी असलेली रंगपट्टी पहा). उप-आकृत्या (ac) प्रक्रिया न केलेल्या स्टेनलेस स्टीलशी संबंधित आहेत, आणि उप-आकृत्या (df), (gi), (jl) अनुक्रमे १, ३ आणि ५ वेळा पुन्हा वितळवण्याशी संबंधित आहेत.
लेझर पल्सची ऊर्जा प्रत्येक पासमध्ये बदलत नसल्यामुळे, वितळलेल्या भागाची खोली सारखीच राहते. त्यामुळे, पुढचा चॅनल आधीच्या चॅनलला पूर्णपणे 'झाकतो'. तथापि, हिस्टोग्राम दर्शवतो की पासची संख्या वाढल्याने कणांचे सरासरी आणि मध्यक क्षेत्रफळ कमी होते. यावरून असे सूचित होऊ शकते की लेझर वितळलेल्या पदार्थाऐवजी सब्सट्रेटवर कार्य करत आहे.
वितळलेल्या भागाच्या जलद थंड होण्यामुळे कणांचे सूक्ष्मीकरण होऊ शकते65. प्रयोगांचा आणखी एक संच करण्यात आला ज्यामध्ये स्टेनलेस स्टील प्लेट्सचे (321H आणि 316L) पृष्ठभाग वातावरणात (आकृती 6) आणि निर्वात पोकळीत (आकृती 7) सतत तरंग लेझर किरणांच्या संपर्कात आणले गेले. सरासरी लेझर शक्ती (अनुक्रमे 300 W आणि 100 W) आणि वितळलेल्या भागाची खोली ही मुक्त-चालू मोडमधील Nd:YAG लेझरच्या प्रायोगिक निष्कर्षांच्या जवळ आहे. तथापि, एक वैशिष्ट्यपूर्ण स्तंभाकार रचना दिसून आली.
सतत तरंग लेसरच्या (300 W स्थिर शक्ती, 200 मिमी/से स्कॅन गती, AISI 321H स्टेनलेस स्टील) लेसर-वितळलेल्या भागाची सूक्ष्मसंरचना.
(अ) सूक्ष्मसंरचना आणि (ब) व्हॅक्यूममध्ये सतत तरंग लेसर (100 W स्थिर शक्ती, 200 मिमी/से स्कॅन गती, AISI 316L स्टेनलेस स्टील) वापरून लेसर-वितळलेल्या भागाच्या इलेक्ट्रॉन बॅकस्कॅटर विवर्तन प्रतिमा (~2 mbar).
म्हणून, हे स्पष्टपणे दिसून येते की लेझर पल्स तीव्रतेच्या जटिल मॉड्युलेशनचा परिणामी सूक्ष्म संरचनेवर महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो. आमचा विश्वास आहे की हा परिणाम यांत्रिक स्वरूपाचा आहे आणि वितळलेल्या पदार्थाच्या किरणोत्सर्जित पृष्ठभागापासून नमुन्यामध्ये खोलवर पसरणाऱ्या अल्ट्रासोनिक कंपनांच्या निर्मितीमुळे होतो. असेच परिणाम 13, 26, 34, 66, 67 मध्ये Ti-6Al-4V मिश्रधातू 26 आणि स्टेनलेस स्टील 34 सह विविध पदार्थांमध्ये उच्च-तीव्रतेचा अल्ट्रासाऊंड प्रदान करणाऱ्या बाह्य पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर आणि सोनोट्रोडचा वापर करून प्राप्त झाले. संभाव्य यंत्रणा खालीलप्रमाणे अनुमानित केली आहे. तीव्र अल्ट्रासाऊंडमुळे ध्वनिक कॅव्हिटेशन होऊ शकते, जसे की अल्ट्राफास्ट इन-सिटू सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे इमेजिंगमध्ये दाखवले आहे. कॅव्हिटेशन बुडबुड्यांच्या कोसळण्यामुळे वितळलेल्या पदार्थात शॉक लहरी निर्माण होतात, ज्यांचा समोरील दाब सुमारे 100 MPa पर्यंत पोहोचतो. अशा शॉक लहरी मोठ्या प्रमाणात द्रवांमध्ये गंभीर-आकाराच्या घन-अवस्था केंद्रकांच्या निर्मितीस प्रोत्साहन देण्यासाठी पुरेशा मजबूत असू शकतात, ज्यामुळे सामान्य प्रक्रियेत व्यत्यय येतो. स्तरा-स्तरावरील अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगची स्तंभाकार कण रचना.
येथे, आम्ही तीव्र सोनिकेशनद्वारे होणाऱ्या संरचनात्मक बदलासाठी जबाबदार असलेली आणखी एक यंत्रणा प्रस्तावित करतो. घनीकरणानंतर लगेचच, पदार्थ वितळणबिंदूच्या जवळ उच्च तापमानावर असतो आणि त्याचा यिल्ड स्ट्रेस अत्यंत कमी असतो. तीव्र अल्ट्रासोनिक लहरींमुळे प्लास्टिक फ्लो होऊन गरम, नुकत्याच घनीभूत झालेल्या पदार्थाच्या ग्रेन स्ट्रक्चरमध्ये बदल होऊ शकतो. तथापि, यिल्ड स्ट्रेसच्या तापमान अवलंबनावर विश्वसनीय प्रायोगिक डेटा \(T\lesssim 1150~\text {K}\) वर उपलब्ध आहे (आकृती 8 पहा). म्हणून, या गृहितकाची चाचणी करण्यासाठी, आम्ही वितळणबिंदूजवळ यिल्ड स्ट्रेसच्या वर्तनाचे मूल्यांकन करण्याकरिता AISI 316 L स्टीलसारख्या Fe-Cr-Ni रचनेचे मॉलिक्युलर डायनॅमिक्स (MD) सिम्युलेशन केले. यिल्ड स्ट्रेसची गणना करण्यासाठी, आम्ही 70, 71, 72, 73 मध्ये तपशीलवार वर्णन केलेले MD शियर स्ट्रेस रिलॅक्सेशन तंत्र वापरले. आंतर-अणू परस्परसंवादाच्या गणनेसाठी, आम्ही 74 मधील एम्बेडेड ॲटॉमिक मॉडेल (EAM) वापरले. MD सिम्युलेशन LAMMPS कोड 75, 76 वापरून केले गेले. MD सिम्युलेशनचा तपशील... इतरत्र प्रकाशित केले जातील. तापमानानुसार यिल्ड स्ट्रेसच्या एमडी गणनेचे निकाल उपलब्ध प्रायोगिक डेटा आणि इतर मूल्यांकनांसह आकृती 8 मध्ये दर्शविले आहेत77,78,79,80,81,82.
AISI ग्रेड 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलसाठी यिल्ड स्ट्रेस आणि एमडी सिम्युलेशनसाठी मॉडेल कंपोझिशन विरुद्ध तापमान. संदर्भ: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81 मधील प्रायोगिक मोजमापांचा संदर्भ घ्या. (f) 82 हे लेझर-असिस्टेड ॲडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग दरम्यान इन-लाइन स्ट्रेस मापनासाठी यिल्ड स्ट्रेस-तापमान अवलंबनाचे एक अनुभवजन्य मॉडेल आहे. या अभ्यासातील मोठ्या-प्रमाणातील एमडी सिम्युलेशनचे परिणाम दोष-मुक्त अनंत सिंगल क्रिस्टलसाठी \(\vartriangleleft\) आणि हॉल-पेट्च संबंधाद्वारे सरासरी ग्रेन आकार विचारात घेऊन मर्यादित ग्रेनसाठी \(\vartriangleright\) असे दर्शविले आहेत. परिमाणे\(d = 50~\upmu \text {m}\).
हे दिसून येते की \(T>1500~\text {K}\) वर यिल्ड स्ट्रेस \(40~\text {MPa}\) च्या खाली येतो. दुसरीकडे, अंदाजानुसार लेझर-निर्मित अल्ट्रासोनिक अॅम्प्लिट्यूड \(40~\text {MPa}\) पेक्षा जास्त आहे (आकृती 4b पहा), जे नुकत्याच घनीभूत झालेल्या गरम पदार्थात प्लॅस्टिक फ्लो प्रेरित करण्यासाठी पुरेसे आहे.
कॉम्प्लेक्स इंटेन्सिटी-मॉड्युलेटेड पल्स्ड लेसर सोर्सचा वापर करून SLM दरम्यान 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलच्या मायक्रोस्ट्रक्चर निर्मितीचा प्रायोगिक अभ्यास करण्यात आला.
१, ३ किंवा ५ फेऱ्यांनंतर सतत लेझर पुनर्वितळणामुळे लेझर वितळण क्षेत्रात कणांच्या आकारात घट झाल्याचे आढळून आले.
स्थूल मॉडेलिंग असे दर्शवते की ज्या प्रदेशात अल्ट्रासोनिक विरूपणामुळे घनीकरण सीमेवर सकारात्मक परिणाम होऊ शकतो, त्या प्रदेशाचा अंदाजित आकार 1 मिमी पर्यंत आहे.
सूक्ष्मदर्शी एमडी मॉडेल दर्शवितो की AISI 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलची उत्पन्न शक्ती वितळण्याच्या बिंदूजवळ लक्षणीयरीत्या कमी होऊन \(40~\text {MPa}\) होते.
मिळालेले परिणाम कॉम्प्लेक्स मॉड्युलेटेड लेझर प्रोसेसिंगचा वापर करून पदार्थांच्या सूक्ष्म संरचनेवर नियंत्रण ठेवण्याची एक पद्धत सुचवतात आणि पल्स्ड एसएलएम तंत्राच्या नवीन सुधारणा तयार करण्यासाठी आधार म्हणून काम करू शकतात.
लिऊ, वाय. आणि इतर. लेझर सिलेक्टिव्ह मेल्टिंगद्वारे इन सिटू TiB2/AlSi10Mg कंपोझिट्सची सूक्ष्मसंरचनात्मक उत्क्रांती आणि यांत्रिक गुणधर्म [जे]. जे. अलॉइज. कंपाउंड. 853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
गाओ, एस. व इतर. 316L स्टेनलेस स्टीलच्या लेझर सिलेक्टिव्ह मेल्टिंगचे पुन:स्फटिकीकरण ग्रेन बाउंड्री इंजिनिअरिंग [जे]. जर्नल ऑफ अल्मा मटेर. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
चेन, एक्स. आणि किउ, सी. लेझर-वितळलेल्या टायटॅनियम मिश्रधातूंच्या लेझर पुनर्तापनाद्वारे वर्धित लवचिकतेसह सँडविच सूक्ष्मसंरचनांचा इन सिटू विकास. सायन्स.रेप. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
अझरनिया, ए. व इतर. लेझर मेटल डिपॉझिशन (LMD) द्वारे Ti-6Al-4V भागांचे अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग: प्रक्रिया, सूक्ष्मसंरचना आणि यांत्रिक गुणधर्म. जे. अलॉइज. कंपाउंड. 804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
कुमार, सी. व इतर. अलॉय 718 च्या लेझर मेटल पावडर डायरेक्टेड एनर्जी डिपॉझिशनचे सूक्ष्मसंरचनात्मक मॉडेलिंग. अ‍ॅड टू मॅन्युफॅक्चर. 25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
बुसे, एम. व इतर. लेझर शॉक पीनिंगद्वारे उपचारित ॲडिटिव्हली मॅन्युफॅक्चर्ड नमुन्यांचा पॅरामीट्रिक न्यूट्रॉन ब्रॅग एज इमेजिंग अभ्यास. सायन्स.रेप. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
टॅन, एक्स. आणि इतर. इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंगद्वारे अॅडिटिव्हली फॅब्रिकेटेड Ti-6Al-4V चे ग्रेडियंट मायक्रोस्ट्रक्चर आणि यांत्रिक गुणधर्म. अल्मा मेटर जर्नल. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).