Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau mematikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa penggayaan dan JavaScript.
Satu mekanisme baharu berdasarkan peleburan laser terpilih untuk mengawal mikrostruktur produk dalam proses pembuatan dicadangkan. Mekanisme ini bergantung pada penjanaan gelombang ultrasonik berintensiti tinggi dalam kolam lebur melalui penyinaran laser termodulasi keamatan kompleks. Kajian eksperimen dan simulasi berangka menunjukkan bahawa mekanisme kawalan ini secara teknikalnya boleh dilaksanakan dan boleh diintegrasikan dengan berkesan ke dalam reka bentuk mesin peleburan laser terpilih moden.
Pembuatan bahan tambahan (AM) bagi bahagian berbentuk kompleks telah berkembang dengan ketara dalam beberapa dekad kebelakangan ini. Walau bagaimanapun, meskipun terdapat pelbagai proses pembuatan bahan tambahan, termasuk peleburan laser terpilih (SLM)1,2,3, pemendapan logam laser langsung4,5,6, peleburan pancaran elektron7,8 dan lain-lain9,10, Bahagian tersebut mungkin rosak. Ini terutamanya disebabkan oleh ciri-ciri khusus proses pemejalan kolam lebur yang berkaitan dengan kecerunan terma yang tinggi, kadar penyejukan yang tinggi dan kerumitan kitaran pemanasan dalam bahan peleburan dan peleburan semula11, yang membawa kepada pertumbuhan butiran epitaksi dan keliangan yang ketara12,13. Keputusan menunjukkan bahawa , adalah perlu untuk mengawal kecerunan terma, kadar penyejukan dan komposisi aloi atau menggunakan kejutan fizikal tambahan melalui medan luaran dengan pelbagai sifat (contohnya, ultrasound) untuk mencapai struktur butiran setara halus.
Banyak penerbitan yang berkaitan dengan kesan rawatan getaran terhadap proses pemejalan dalam proses penuangan konvensional14,15. Walau bagaimanapun, penggunaan medan luaran pada leburan pukal tidak menghasilkan mikrostruktur bahan yang diingini. Jika isipadu fasa cecair kecil, keadaan berubah secara dramatik. Dalam kes ini, medan luaran mempengaruhi proses pemejalan dengan ketara. Kesan elektromagnet telah dipertimbangkan semasa medan akustik yang kuat16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, pengacakan arka28 dan ayunan29, arka plasma berdenyut30,31 dan kaedah lain32. Lekatkan pada substrat menggunakan sumber ultrasound berintensiti tinggi luaran (pada 20 kHz). Penapisan butiran yang disebabkan oleh ultrasound dikaitkan dengan peningkatan zon subpenyejukan komposisi disebabkan oleh kecerunan suhu yang berkurangan dan peningkatan ultrasound untuk menghasilkan kristal baharu melalui peronggaan.
Dalam kajian ini, kami mengkaji kemungkinan mengubah struktur butiran keluli tahan karat austenit dengan menyonikasikan kolam lebur dengan gelombang bunyi yang dihasilkan oleh laser lebur itu sendiri. Modulasi keamatan sinaran laser yang mengenai medium penyerap cahaya menghasilkan penjanaan gelombang ultrasonik, yang mengubah mikrostruktur bahan. Modulasi keamatan sinaran laser ini boleh diintegrasikan dengan mudah ke dalam pencetak 3D SLM sedia ada. Eksperimen dalam kajian ini dilakukan pada plat keluli tahan karat yang permukaannya terdedah kepada sinaran laser termodulasi keamatan. Jadi, secara teknikalnya, rawatan permukaan laser dilakukan. Walau bagaimanapun, jika rawatan laser sedemikian dilakukan pada permukaan setiap lapisan, semasa pembentukan lapisan demi lapisan, kesan pada keseluruhan isipadu atau pada bahagian terpilih isipadu dicapai. Dalam erti kata lain, jika bahagian itu dibina lapisan demi lapisan, rawatan permukaan laser setiap lapisan adalah bersamaan dengan "rawatan isipadu laser".
Manakala dalam terapi ultrasonik berasaskan tanduk ultrasonik, tenaga ultrasonik gelombang bunyi berdiri diagihkan ke seluruh komponen, manakala keamatan ultrasonik yang disebabkan oleh laser sangat tertumpu berhampiran titik di mana sinaran laser diserap. Menggunakan sonotrod dalam mesin gabungan lapisan serbuk SLM adalah rumit kerana permukaan atas lapisan serbuk yang terdedah kepada sinaran laser harus kekal pegun. Di samping itu, tiada tekanan mekanikal pada permukaan atas bahagian. Oleh itu, tekanan akustik hampir kepada sifar dan halaju zarah mempunyai amplitud maksimum di seluruh permukaan atas bahagian. Tekanan bunyi di dalam keseluruhan kolam lebur tidak boleh melebihi 0.1% daripada tekanan maksimum yang dihasilkan oleh kepala kimpalan, kerana panjang gelombang gelombang ultrasonik dengan frekuensi 20 kHz dalam keluli tahan karat ialah \(\sim 0.3~\text {m}\), dan Kedalamannya biasanya kurang daripada \(\sim 0.3~\text {mm}\). Oleh itu, kesan ultrasound pada peronggaan mungkin kecil.
Perlu diingatkan bahawa penggunaan sinaran laser termodulasi keamatan dalam pemendapan logam laser langsung merupakan bidang penyelidikan yang aktif35,36,37,38.
Kesan haba sinaran laser yang mengenai medium adalah asas bagi hampir semua teknik laser 39, 40 untuk pemprosesan bahan, seperti pemotongan 41, kimpalan, pengerasan, penggerudian 42, pembersihan permukaan, pengaloian permukaan, penggilapan permukaan 43, dan sebagainya. Ciptaan laser telah merangsang perkembangan baharu dalam teknik pemprosesan bahan, dan keputusan awal telah diringkaskan dalam pelbagai ulasan dan monograf 44, 45, 46.
Perlu diingatkan bahawa sebarang tindakan tidak pegun pada medium, termasuk tindakan laser pada medium penyerap, mengakibatkan pengujaan gelombang akustik di dalamnya dengan kecekapan yang lebih atau kurang. Pada mulanya, tumpuan utama adalah pada pengujaan laser gelombang dalam cecair dan pelbagai mekanisme pengujaan haba bunyi (pengembangan haba, penyejatan, perubahan isipadu semasa peralihan fasa, pengecutan, dsb.) 47, 48, 49. Banyak monograf 50, 51, 52 menyediakan analisis teori tentang proses ini dan kemungkinan aplikasi praktikalnya.
Isu-isu ini kemudiannya dibincangkan di pelbagai persidangan, dan pengujaan laser ultrasound mempunyai aplikasi dalam kedua-dua aplikasi perindustrian teknologi laser53 dan perubatan54. Oleh itu, boleh dianggap bahawa konsep asas proses di mana cahaya laser berdenyut bertindak pada medium penyerap telah diwujudkan. Pemeriksaan ultrasonik laser digunakan untuk pengesanan kecacatan sampel yang dihasilkan oleh SLM55,56.
Kesan gelombang kejutan yang dihasilkan oleh laser pada bahan adalah asas pengintipan kejutan laser57,58,59, yang juga digunakan untuk rawatan permukaan bahagian yang dihasilkan secara tambahan60. Walau bagaimanapun, pengukuhan kejutan laser paling berkesan pada denyutan laser nanosaat dan permukaan yang dimuatkan secara mekanikal (contohnya, dengan lapisan cecair)59 kerana beban mekanikal meningkatkan tekanan puncak.
Eksperimen telah dijalankan untuk mengkaji kemungkinan kesan pelbagai medan fizikal pada mikrostruktur bahan yang dipejal. Gambarajah fungsi persediaan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 1. Laser keadaan pepejal Nd:YAG berdenyut yang beroperasi dalam mod larian bebas (tempoh denyut \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) telah digunakan. Setiap denyutan laser dilalui melalui satu siri penapis ketumpatan neutral dan sistem plat pemisah pancaran. Bergantung pada gabungan penapis ketumpatan neutral, tenaga denyutan pada sasaran berbeza-beza dari \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) hingga \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Pancaran laser yang dipantulkan dari pemisah pancaran disuap ke fotodiod untuk pemerolehan data serentak, dan dua kalorimeter (fotodiod dengan masa tindak balas yang panjang melebihi \(1~\text {ms}\)) digunakan untuk menentukan kejadian ke dan dipantulkan dari sasaran, dan dua meter kuasa (fotodiod dengan tindak balas yang pendek kali\(<10~\text {ns}\)) untuk menentukan kuasa optik datang dan pantulan. Kalorimeter dan meter kuasa telah dikalibrasi untuk memberikan nilai dalam unit mutlak menggunakan pengesan termopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 dan cermin dielektrik yang dipasang di lokasi sampel. Fokuskan pancaran ke sasaran menggunakan kanta (Salutan Antipantulan pada \(1.06 \upmu \text {m}\), panjang fokus \(160~\text {mm}\)) dan pinggang pancaran pada permukaan sasaran 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Gambarajah skematik fungsian persediaan eksperimen: 1—laser; 2—pancaran laser; 3—penapis ketumpatan neutral; 4—fotodiod segerak; 5—pemisah pancaran; 6—diafragma; 7—kalorimeter pancaran datang; 8 – kalorimeter pancaran pantulan; 9 – meter kuasa pancaran datang; 10 – meter kuasa pancaran pantulan; 11 – kanta pemfokusan; 12 – cermin; 13 – sampel; 14 – transduser piezoelektrik jalur lebar; 15 – penukar 2D; 16 – mikropengawal kedudukan; 17 – unit penyegerakan; 18 – sistem pemerolehan digital berbilang saluran dengan pelbagai kadar pensampelan; 19 – komputer peribadi.
Rawatan ultrasonik dijalankan seperti berikut. Laser beroperasi dalam mod larian bebas; oleh itu, tempoh denyutan laser ialah \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), yang terdiri daripada pelbagai tempoh kira-kira \(1.5~\upmu \text {s } \) setiap satu. Bentuk temporal denyutan laser dan spektrumnya terdiri daripada sampul frekuensi rendah dan modulasi frekuensi tinggi, dengan frekuensi purata kira-kira \(0.7~\text {MHz}\), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.- Sampul frekuensi menyediakan pemanasan dan seterusnya pencairan dan penyejatan bahan, manakala komponen frekuensi tinggi menyediakan getaran ultrasonik disebabkan oleh kesan fotoakustik. Bentuk gelombang denyutan ultrasonik yang dihasilkan oleh laser terutamanya ditentukan oleh bentuk masa keamatan denyutan laser. Ia adalah dari \(7~\text {kHz}\) hingga \ (2~\text {MHz}\), dan frekuensi pusat ialah \(~ 0.7~\text {MHz}\). Denyut akustik akibat kesan fotoakustik telah dirakam menggunakan transduser piezoelektrik jalur lebar yang diperbuat daripada filem polivinilidena fluorida. Bentuk gelombang yang dirakam dan spektrumnya ditunjukkan dalam Rajah 2. Perlu diingatkan bahawa bentuk denyutan laser adalah tipikal bagi laser mod larian bebas.
Taburan temporal keamatan denyut laser (a) dan kelajuan bunyi di permukaan belakang sampel (b), spektrum denyut laser (c) dan denyut ultrasonik (d) dipuratakan lebih 300 denyut laser (lengkung merah) untuk denyut laser tunggal (lengkung biru).
Kita boleh membezakan dengan jelas komponen frekuensi rendah dan frekuensi tinggi bagi rawatan akustik yang sepadan dengan sampul frekuensi rendah denyut laser dan modulasi frekuensi tinggi. Panjang gelombang gelombang akustik yang dihasilkan oleh sampul denyut laser melebihi \(40~\text {cm}\); oleh itu, kesan utama komponen frekuensi tinggi jalur lebar isyarat akustik pada mikrostruktur dijangkakan.
Proses fizikal dalam SLM adalah kompleks dan berlaku serentak pada skala ruang dan masa yang berbeza. Oleh itu, kaedah berbilang skala paling sesuai untuk analisis teori SLM. Model matematik pada mulanya harus berbilang fizikal. Mekanik dan termofizik bagi "cairan pepejal-cecair" medium berbilang fasa yang berinteraksi dengan atmosfera gas lengai kemudiannya boleh diterangkan dengan berkesan. Ciri-ciri beban haba bahan dalam SLM adalah seperti berikut.
Kadar pemanasan dan penyejukan sehingga \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ disebabkan oleh penyinaran laser setempat dengan ketumpatan kuasa sehingga \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Kitaran lebur-pemejalan berlangsung antara 1 dan \(10~\text {ms}\), yang menyumbang kepada pemejalan pantas zon lebur semasa penyejukan.
Pemanasan permukaan sampel yang cepat mengakibatkan pembentukan tegasan termoelastik yang tinggi dalam lapisan permukaan. Bahagian lapisan serbuk yang mencukupi (sehingga 20%) tersejat dengan kuat63, yang mengakibatkan beban tekanan tambahan pada permukaan sebagai tindak balas kepada ablasi laser. Akibatnya, terikan yang teraruh mengganggu geometri bahagian dengan ketara, terutamanya berhampiran sokongan dan elemen struktur nipis. Kadar pemanasan yang tinggi dalam penyepuhlindapan laser berdenyut mengakibatkan penjanaan gelombang terikan ultrasonik yang merambat dari permukaan ke substrat. Untuk mendapatkan data kuantitatif yang tepat mengenai tegasan dan taburan terikan tempatan, simulasi mesoskopik masalah ubah bentuk elastik yang berkaitan dengan pemindahan haba dan jisim dilakukan.
Persamaan yang mengawal model ini merangkumi (1) persamaan pemindahan haba tak stabil di mana kekonduksian terma bergantung pada keadaan fasa (serbuk, leburan, polikristalin) dan suhu, (2) turun naik dalam ubah bentuk elastik selepas ablasi kontinum dan persamaan pengembangan termoelastik. Masalah nilai sempadan ditentukan oleh keadaan eksperimen. Fluks laser termodulat ditakrifkan pada permukaan sampel. Penyejukan perolakan merangkumi pertukaran haba konduktif dan fluks penyejatan. Fluks jisim ditakrifkan berdasarkan pengiraan tekanan wap tepu bahan penyejatan. Hubungan tegasan-terikan elastoplastik digunakan di mana tegasan termoelastik berkadar dengan perbezaan suhu. Untuk kuasa nominal \(300~\text {W}\), frekuensi \(10^5~\text {Hz}\), pekali sekejap-sekejap 100 dan \(200~\upmu \text {m}\) diameter rasuk berkesan.
Rajah 3 menunjukkan keputusan simulasi berangka zon lebur menggunakan model matematik makroskopik. Diameter zon pelakuran ialah \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) jejari) dan \(40~\upmu \text {m}\) kedalaman. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa suhu permukaan berubah-ubah secara setempat mengikut masa sebagai \(100~\text {K}\) disebabkan oleh faktor sekejap-sekejap modulasi denyut yang tinggi. Kadar pemanasan \(V_h\) dan penyejukan \(V_c\) masing-masing berada pada peringkat \(10^7\) dan \(10^6~\text {K}/\text {s}\. Nilai-nilai ini sepadan dengan analisis kami sebelum ini64. Perbezaan magnitud antara \(V_h\) dan \(V_c\) mengakibatkan lapisan permukaan menjadi terlalu panas dengan cepat, di mana pengaliran haba ke substrat tidak mencukupi untuk menyingkirkan haba. Oleh itu, pada \(t=26~\upmu \text {s}\) suhu permukaan mencapai puncak setinggi \(4800~\text {K}\). Penyejatan bahan yang kuat boleh menyebabkan permukaan sampel terdedah kepada tekanan berlebihan dan tertanggal.
Keputusan simulasi berangka zon lebur bagi penyepuhlindapan denyut laser tunggal pada plat sampel 316L. Masa dari permulaan denyut hingga kedalaman kolam lebur mencapai nilai maksimum ialah \(180~\upmu\text {s}\). Isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) mewakili sempadan antara fasa cecair dan pepejal. Isobar (garis kuning) sepadan dengan tegasan alah yang dikira sebagai fungsi suhu dalam bahagian seterusnya. Oleh itu, dalam domain antara dua isolin (isoterma\(T=T_L\) dan isobar\(\sigma =\sigma _V(T)\)), fasa pepejal tertakluk kepada beban mekanikal yang kuat, yang boleh menyebabkan perubahan dalam mikrostruktur.
Kesan ini dijelaskan lebih lanjut dalam Rajah 4a, di mana aras tekanan dalam zon lebur diplotkan sebagai fungsi masa dan jarak dari permukaan. Pertama, tingkah laku tekanan berkaitan dengan modulasi keamatan denyut laser yang diterangkan dalam Rajah 2 di atas. Tekanan maksimum \text{s}\) kira-kira \(10~\text {MPa}\) diperhatikan pada kira-kira \(t=26~\upmu). Kedua, turun naik tekanan tempatan pada titik kawalan mempunyai ciri-ciri ayunan yang sama seperti frekuensi \(500~\text {kHz}\). Ini bermakna gelombang tekanan ultrasonik dijana di permukaan dan kemudian merambat ke dalam substrat.
Ciri-ciri terkira bagi zon ubah bentuk berhampiran zon lebur ditunjukkan dalam Rajah 4b. Ablasi laser dan tegasan termoelastik menghasilkan gelombang ubah bentuk elastik yang merambat ke dalam substrat. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, terdapat dua peringkat penjanaan tegasan. Semasa fasa pertama \(t < 40~\upmu \text {s}\), tegasan Mises meningkat kepada \(8~\text {MPa}\) dengan modulasi yang serupa dengan tekanan permukaan. Tegasan ini berlaku disebabkan oleh ablasi laser, dan tiada tegasan termoelastik diperhatikan di titik kawalan kerana zon awal yang terjejas haba terlalu kecil. Apabila haba dihamburkan ke dalam substrat, titik kawalan menghasilkan tegasan termoelastik yang tinggi melebihi \(40~\text {MPa}\).
Tahap tegasan termodulat yang diperoleh mempunyai kesan yang ketara pada antara muka pepejal-cecair dan mungkin merupakan mekanisme kawalan yang mengawal laluan pemejalan. Saiz zon ubah bentuk adalah 2 hingga 3 kali lebih besar daripada zon lebur. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, lokasi isoterma lebur dan tahap tegasan yang sama dengan tegasan alah dibandingkan. Ini bermakna penyinaran laser berdenyut memberikan beban mekanikal yang tinggi di kawasan setempat dengan diameter berkesan antara 300 dan \(800~\upmu \text {m}\) bergantung pada masa seketika.
Oleh itu, modulasi kompleks penyepuhlindapan laser berdenyut membawa kepada kesan ultrasonik. Laluan pemilihan mikrostruktur adalah berbeza jika dibandingkan dengan SLM tanpa pemuatan ultrasonik. Kawasan tidak stabil yang berubah bentuk membawa kepada kitaran mampatan dan regangan berkala dalam fasa pepejal. Oleh itu, pembentukan sempadan butiran baharu dan sempadan subbutiran menjadi boleh dilaksanakan. Oleh itu, sifat mikrostruktur boleh diubah secara sengaja, seperti yang ditunjukkan di bawah. Kesimpulan yang diperoleh memberikan kemungkinan untuk mereka bentuk prototaip SLM pacuan ultrasound yang diaruh oleh modulasi denyut. Dalam kes ini, induktor piezoelektrik 26 yang digunakan di tempat lain boleh dikecualikan.
(a) Tekanan sebagai fungsi masa, dikira pada jarak yang berbeza dari permukaan 0, 20 dan \(40~\upmu \text {m}\) di sepanjang paksi simetri.(b) Tegasan Von Mises yang bergantung pada masa dikira dalam matriks pepejal pada jarak 70, 120 dan \(170~\upmu \text {m}\) dari permukaan sampel.
Eksperimen telah dijalankan pada plat keluli tahan karat AISI 321H dengan dimensi \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Selepas setiap denyutan laser, plat bergerak \(50~\upmu \text {m}\), dan pinggang pancaran laser pada permukaan sasaran adalah kira-kira \(100~\upmu \text {m}\). Sehingga lima laluan pancaran berikutnya dilakukan di sepanjang trek yang sama untuk mendorong peleburan semula bahan yang diproses untuk penghalusan butiran. Dalam semua kes, zon yang dilebur semula telah disonikasi, bergantung pada komponen berayun sinaran laser. Ini menghasilkan pengurangan lebih daripada 5 kali ganda dalam purata luas butiran. Rajah 5 menunjukkan bagaimana mikrostruktur kawasan yang dilebur laser berubah dengan bilangan kitaran peleburan semula (laluan) berikutnya.
Subplot (a,d,g,j) dan (b,e,h,k) – mikrostruktur kawasan leburan laser, subplot (c,f,i,l) – taburan kawasan butiran berwarna. Lorekan mewakili zarah yang digunakan untuk mengira histogram. Warna sepadan dengan kawasan butiran (lihat bar warna di bahagian atas histogram. Subplot (ac) sepadan dengan keluli tahan karat yang tidak dirawat, dan subplot (df), (gi), (jl) sepadan dengan 1, 3 dan 5 leburan semula.
Oleh kerana tenaga denyut laser tidak berubah antara laluan berikutnya, kedalaman zon lebur adalah sama. Oleh itu, saluran berikutnya "menutupi" sepenuhnya yang sebelumnya. Walau bagaimanapun, histogram menunjukkan bahawa luas butiran min dan median berkurangan dengan peningkatan bilangan laluan. Ini mungkin menunjukkan bahawa laser bertindak pada substrat dan bukannya cair.
Penghalusan butiran mungkin disebabkan oleh penyejukan pantas kolam lebur65. Satu lagi set eksperimen telah dijalankan di mana permukaan plat keluli tahan karat (321H dan 316L) didedahkan kepada sinaran laser gelombang berterusan di atmosfera (Rajah 6) dan vakum (Rajah 7). Purata kuasa laser (masing-masing 300 W dan 100 W) dan kedalaman kolam lebur adalah hampir dengan keputusan eksperimen laser Nd:YAG dalam mod larian bebas. Walau bagaimanapun, struktur kolumnar tipikal diperhatikan.
Mikrostruktur kawasan laser yang dileburkan bagi laser gelombang berterusan (kuasa malar 300 W, kelajuan imbasan 200 mm/s, keluli tahan karat AISI 321H).
(a) Mikrostruktur dan (b) imej pembelauan serakan balik elektron bagi kawasan lebur laser dalam vakum dengan laser gelombang berterusan (kuasa malar 100 W, kelajuan imbasan 200 mm/s, keluli tahan karat AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Oleh itu, jelas ditunjukkan bahawa modulasi kompleks keamatan denyutan laser mempunyai kesan yang ketara terhadap mikrostruktur yang terhasil. Kami percaya bahawa kesan ini bersifat mekanikal dan berlaku disebabkan oleh penjanaan getaran ultrasonik yang merambat dari permukaan leburan yang disinari jauh ke dalam sampel. Keputusan yang serupa diperoleh dalam 13, 26, 34, 66, 67 menggunakan transduser piezoelektrik luaran dan sonotrod yang menyediakan ultrasound intensiti tinggi dalam pelbagai bahan termasuk aloi Ti-6Al-4V 26 dan keluli tahan karat 34 hasil daripada. Mekanisme yang mungkin dispekulasikan seperti berikut. Ultrasound yang kuat boleh menyebabkan peronggaan akustik, seperti yang ditunjukkan dalam pengimejan sinar-X sinkrotron in situ ultrapantas. Keruntuhan gelembung peronggaan seterusnya menghasilkan gelombang kejutan dalam bahan lebur, yang tekanan hadapannya mencapai kira-kira \(100~\text {MPa}\)69. Gelombang kejutan sedemikian mungkin cukup kuat untuk menggalakkan pembentukan nukleus fasa pepejal bersaiz kritikal dalam cecair pukal, mengganggu struktur butiran kolumnar tipikal pembuatan bahan tambahan lapisan demi lapisan.
Di sini, kami mencadangkan satu lagi mekanisme yang bertanggungjawab untuk pengubahsuaian struktur melalui sonikasi yang kuat. Sejurus selepas pemejalan, bahan tersebut berada pada suhu tinggi berhampiran takat lebur dan mempunyai tegasan alah yang sangat rendah. Gelombang ultrasonik yang kuat boleh menyebabkan aliran plastik mengubah struktur butiran bahan panas yang baru dipejal. Walau bagaimanapun, data eksperimen yang boleh dipercayai tentang kebergantungan suhu tegasan alah boleh didapati di \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (lihat Rajah 8). Oleh itu, untuk menguji hipotesis ini, kami menjalankan simulasi dinamik molekul (MD) bagi komposisi Fe-Cr-Ni yang serupa dengan keluli AISI 316 L untuk menilai tingkah laku tegasan alah berhampiran takat lebur. Untuk mengira tegasan alah, kami menggunakan teknik pengenduran tegasan ricih MD yang diperincikan dalam 70, 71, 72, 73. Untuk pengiraan interaksi antara atom, kami menggunakan Model Atom Terbenam (EAM) daripada 74. Simulasi MD telah dilakukan menggunakan kod LAMMPS 75,76. Butiran simulasi MD akan diterbitkan di tempat lain. MD Keputusan pengiraan tegasan alah sebagai fungsi suhu ditunjukkan dalam Rajah 8 bersama-sama dengan data eksperimen yang tersedia dan penilaian lain77,78,79,80,81,82.
Tegasan alah untuk keluli tahan karat austenit gred AISI 316 dan komposisi model berbanding suhu untuk simulasi MD. Pengukuran eksperimen daripada rujukan: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Rujuk. (f)82 ialah model empirikal pergantungan tegasan alah-suhu untuk pengukuran tegasan sebaris semasa pembuatan bahan tambahan berbantukan laser. Keputusan simulasi MD berskala besar dalam kajian ini dilambangkan sebagai \(\vartriangleleft\) untuk hablur tunggal tak terhingga bebas kecacatan dan \(\vartriangleright\) untuk butiran terhingga dengan mengambil kira saiz butiran purata melalui Dimensi hubungan Hall-Petch\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Dapat dilihat bahawa pada \(T>1500~\text {K}\) tegasan alah menurun di bawah \(40~\text {MPa}\). Sebaliknya, anggaran meramalkan bahawa amplitud ultrasonik yang dijana laser melebihi \(40~\text {MPa}\) (lihat Rajah 4b), yang mencukupi untuk mendorong aliran plastik dalam bahan panas yang baru dipejalkan.
Pembentukan mikrostruktur keluli tahan karat austenit 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) semasa SLM telah dikaji secara eksperimen menggunakan sumber laser berdenyut termodulasi keamatan kompleks.
Pengurangan saiz butiran dalam zon lebur laser didapati disebabkan oleh peleburan semula laser berterusan selepas 1, 3 atau 5 kali.
Pemodelan makroskopik menunjukkan bahawa anggaran saiz kawasan di mana ubah bentuk ultrasonik boleh memberi kesan positif kepada bahagian hadapan pemejalan adalah sehingga \(1~\text {mm}\).
Model MD mikroskopik menunjukkan bahawa kekuatan alah keluli tahan karat austenit AISI 316 berkurangan dengan ketara kepada \(40~\text {MPa}\) berhampiran takat lebur.
Keputusan yang diperoleh mencadangkan kaedah untuk mengawal mikrostruktur bahan menggunakan pemprosesan laser termodulat yang kompleks dan boleh berfungsi sebagai asas untuk mencipta pengubahsuaian baharu teknik SLM berdenyut.
Liu, Y. et al. Evolusi mikrostruktur dan sifat mekanikal komposit TiB2/AlSi10Mg in situ melalui peleburan terpilih laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Kejuruteraan sempadan butiran penghabluran semula bagi peleburan terpilih laser keluli tahan karat 316L [J]. Jurnal Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Pembangunan in situ mikrostruktur sandwic dengan kemuluran yang dipertingkatkan melalui pemanasan semula laser aloi titanium yang dicairkan laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Pembuatan bahan tambahan bahagian Ti-6Al-4V melalui pemendapan logam laser (LMD): proses, mikrostruktur dan sifat mekanikal. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Pemodelan mikrostruktur bagi pemendapan tenaga terarah serbuk logam laser bagi Aloi 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Kajian Pengimejan Tepi Bragg Neutron Parametrik bagi Sampel yang Dihasilkan Secara Tambahan yang Dirawat dengan Laser Shock Peening.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Mikrostruktur kecerunan dan sifat mekanikal Ti-6Al-4V yang dibuat secara tambahan melalui peleburan alur elektron. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).