Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, tonen we de site in de tussentijd zonder opmaak en JavaScript.
Er wordt een nieuw mechanisme voorgesteld, gebaseerd op selectief lasersmelten, om de microstructuur van producten tijdens het productieproces te beheersen. Het mechanisme berust op het genereren van hoogintensieve ultrasone golven in het smeltbad door middel van complexe, intensiteitsgemoduleerde laserbestraling. Experimentele studies en numerieke simulaties tonen aan dat dit controlemechanisme technisch haalbaar is en effectief kan worden geïntegreerd in het ontwerp van moderne selectieve lasersmeltmachines.
Additieve productie (AM) van complex gevormde onderdelen is de afgelopen decennia aanzienlijk gegroeid. Ondanks de verscheidenheid aan additieve productieprocessen, waaronder selectief lasersmelten (SLM)1,2,3, directe lasermetaalafzetting4,5,6, elektronenbundelsmelten7,8 en andere9,10, kunnen de onderdelen echter defect raken. Dit is voornamelijk te wijten aan de specifieke kenmerken van het stollingsproces in het smeltbad, zoals hoge temperatuurgradiënten, hoge afkoelsnelheden en de complexiteit van de verwarmingscycli bij het smelten en hersmelten van materialen11, wat leidt tot epitaxiale korrelgroei en aanzienlijke porositeit12,13. Uit onderzoek blijkt dat het noodzakelijk is om temperatuurgradiënten, afkoelsnelheden en legeringssamenstelling te beheersen, of extra fysieke schokken toe te passen door middel van externe velden met verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld ultrageluid), om fijne, gelijkassige korrelstructuren te verkrijgen.
Talrijke publicaties behandelen het effect van vibratiebehandeling op het stollingsproces in conventionele gietprocessen14,15. Het toepassen van een extern veld op bulksmelten levert echter niet de gewenste materiaalmicrostructuur op. Als het volume van de vloeibare fase klein is, verandert de situatie drastisch. In dit geval heeft het externe veld een significant effect op het stollingsproces. Elektromagnetische effecten zijn onderzocht tijdens intense akoestische velden16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, boogroeren28 en oscillatie29, gepulseerde plasmabogen30,31 en andere methoden32. Bevestiging aan het substraat met behulp van een externe ultrasone bron met hoge intensiteit (bij 20 kHz). De door ultrageluid geïnduceerde korrelverfijning wordt toegeschreven aan de toegenomen compositionele onderkoelingszone als gevolg van de verlaagde temperatuurgradiënt en de ultrageluidversterking die nieuwe kristallieten genereert door cavitatie.
In dit onderzoek hebben we de mogelijkheid onderzocht om de korrelstructuur van austenitisch roestvrij staal te veranderen door het smeltbad te sonificeren met geluidsgolven die worden gegenereerd door de smeltlaser zelf. De intensiteitsmodulatie van de laserstraling die op het lichtabsorberende medium valt, resulteert in de generatie van ultrasone golven, die de microstructuur van het materiaal veranderen. Deze intensiteitsmodulatie van laserstraling kan eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande SLM 3D-printers. De experimenten in dit onderzoek werden uitgevoerd op roestvrijstalen platen waarvan de oppervlakken werden blootgesteld aan intensiteitsgemoduleerde laserstraling. Technisch gezien wordt er dus een laserbehandeling van het oppervlak uitgevoerd. Als een dergelijke laserbehandeling echter op het oppervlak van elke laag wordt uitgevoerd tijdens de laag-voor-laag opbouw, worden effecten bereikt op het gehele volume of op geselecteerde delen van het volume. Met andere woorden, als het onderdeel laag voor laag wordt opgebouwd, is de laserbehandeling van het oppervlak van elke laag gelijk aan een "laserbehandeling van het volume".
Bij ultrasone therapie met een hoorn wordt de ultrasone energie van de staande geluidsgolf over het gehele onderdeel verdeeld, terwijl de door laser geïnduceerde ultrasone intensiteit sterk geconcentreerd is nabij het punt waar de laserstraling wordt geabsorbeerd. Het gebruik van een sonotrode in een SLM-poederbedfusiemachine is gecompliceerd omdat het bovenoppervlak van het poederbed dat aan de laserstraling wordt blootgesteld, stationair moet blijven. Bovendien is er geen mechanische spanning op het bovenoppervlak van het onderdeel. Daarom is de akoestische spanning vrijwel nul en heeft de deeltjessnelheid een maximale amplitude over het gehele bovenoppervlak van het onderdeel. De geluidsdruk in het gehele smeltbad kan niet meer dan 0,1% van de maximale druk bedragen die door de laskop wordt gegenereerd, omdat de golflengte van ultrasone golven met een frequentie van 20 kHz in roestvrij staal ongeveer 0,3 m is en de indringdiepte doorgaans minder dan ongeveer 0,3 mm is. Daarom kan het effect van ultrageluid op cavitatie gering zijn.
Het is belangrijk op te merken dat het gebruik van intensiteitsgemoduleerde laserstraling bij directe lasermetaalafzetting een actief onderzoeksgebied is35,36,37,38.
Het thermische effect van laserstraling die op het medium invalt, vormt de basis voor vrijwel alle lasertechnieken 39, 40 voor materiaalbewerking, zoals snijden41, lassen, harden, boren42, oppervlaktereiniging, oppervlaktelegering, oppervlaktepolijsten43, enz. De uitvinding van de laser heeft nieuwe ontwikkelingen in materiaalbewerkingstechnieken gestimuleerd, en de eerste resultaten zijn samengevat in talrijke overzichten en monografieën44,45,46.
Het is belangrijk op te merken dat elke niet-stationaire actie op het medium, inclusief laserwerking op het absorberende medium, resulteert in de excitatie van akoestische golven daarin met min of meer efficiëntie. Aanvankelijk lag de nadruk vooral op de laser-excitatie van golven in vloeistoffen en de verschillende thermische excitatiemechanismen van geluid (thermische uitzetting, verdamping, volumeverandering tijdens faseovergang, krimp, enz.) 47, 48, 49. Talrijke monografieën50, 51, 52 bieden theoretische analyses van dit proces en de mogelijke praktische toepassingen ervan.
Deze kwesties werden vervolgens besproken op diverse conferenties, en laserstimulatie van ultrageluid vindt toepassingen in zowel industriële toepassingen van lasertechnologie53 als in de geneeskunde54. Daarom kan worden aangenomen dat het basisconcept van het proces waarbij gepulseerd laserlicht inwerkt op een absorberend medium is vastgesteld. Laser-ultrasone inspectie wordt gebruikt voor het detecteren van defecten in SLM-gefabriceerde monsters55,56.
Het effect van door lasers gegenereerde schokgolven op materialen vormt de basis van laser-schokversterking57,58,59, die ook wordt gebruikt voor de oppervlaktebehandeling van additief vervaardigde onderdelen60. Laser-schokversterking is echter het meest effectief bij nanoseconde laserpulsen en mechanisch belaste oppervlakken (bijvoorbeeld met een vloeistoflaag)59, omdat mechanische belasting de piekdruk verhoogt.
Er werden experimenten uitgevoerd om de mogelijke effecten van verschillende fysische velden op de microstructuur van gestolde materialen te onderzoeken. Het functionele schema van de experimentele opstelling is weergegeven in Figuur 1. Er werd gebruikgemaakt van een gepulseerde Nd:YAG-laser in vrije-loopmodus (pulsduur \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Elke laserpuls wordt door een reeks neutrale dichtheidsfilters en een bundelsplitser geleid. Afhankelijk van de combinatie van neutrale dichtheidsfilters varieert de pulsenergie op het doelwit van \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) tot \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). De laserbundel die door de bundelsplitser wordt gereflecteerd, wordt naar een fotodiode geleid voor gelijktijdige data-acquisitie. Twee calorimeters (fotodiodes met een lange responstijd van meer dan \(1~\text {ms}\)) worden gebruikt om de op het doelwit invallende en gereflecteerde straling te bepalen. Vermogensmeters (fotodiodes met korte responstijden (<10 ns)) werden gebruikt om het invallende en gereflecteerde optische vermogen te bepalen. Calorimeters en vermogensmeters werden gekalibreerd om waarden in absolute eenheden te geven met behulp van een thermopile-detector Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 en een diëlektrische spiegel die op de monsterlocatie was gemonteerd. De bundel werd op het doel gefocusseerd met behulp van een lens (antireflectiecoating op 1,06 µm, brandpuntsafstand 160 mm) en een bundeltaille van 60–100 µm op het doeloppervlak.
Functioneel schematisch diagram van de experimentele opstelling: 1—laser; 2—laserstraal; 3—neutraaldichtheidsfilter; 4—gesynchroniseerde fotodiode; 5—straalsplitser; 6—diafragma; 7—calorimeter van de invallende straal; 8—calorimeter van de gereflecteerde straal; 9—vermogensmeter van de invallende straal; 10—vermogensmeter van de gereflecteerde straal; 11—focusseerlens; 12—spiegel; 13—monster; 14—breedband piëzo-elektrische transducer; 15—2D-omzetter; 16—positioneringsmicrocontroller; 17—synchronisatie-eenheid; 18—multikanaals digitaal acquisitiesysteem met verschillende bemonsteringsfrequenties; 19—personal computer.
Ultrasone behandeling wordt als volgt uitgevoerd. De laser werkt in de vrije-loopmodus; daarom is de duur van de laserpuls \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), die bestaat uit meerdere pulsen van elk ongeveer \(1,5~\upmu \text {s } \). De tijdsvorm van de laserpuls en het spectrum ervan bestaan ​​uit een laagfrequente envelop en een hoogfrequente modulatie, met een gemiddelde frequentie van ongeveer \(0,7~\text {MHz}\), zoals weergegeven in Figuur 2. De frequentie-envelop zorgt voor de verwarming en het daaropvolgende smelten en verdampen van het materiaal, terwijl de hoogfrequente component de ultrasone trillingen veroorzaakt als gevolg van het fotoakoestische effect. De golfvorm van de door de laser gegenereerde ultrasone puls wordt voornamelijk bepaald door de tijdsvorm van de laserpulsintensiteit. Het bereik is van \(7~\text {kHz}\) tot \(2~\text {MHz}\), met een middenfrequentie van \(~ 0,7~\text {MHz}\). Akoestische pulsen als gevolg van het fotoakoestische effect werden geregistreerd met behulp van breedband piëzo-elektrische transducers gemaakt van polyvinylideenfluoridefilms. De geregistreerde golfvorm en het bijbehorende spectrum worden weergegeven in Figuur 2. Opgemerkt moet worden dat de vorm van de laserpulsen typisch is voor een laser in de vrije modus.
Tijdsverdeling van de laserpulsintensiteit (a) en de geluidssnelheid aan het achteroppervlak van het monster (b), spectra van de laserpuls (c) en de ultrasone puls (d) gemiddeld over 300 laserpulsen (rode curve) voor een enkele laserpuls (blauwe curve).
We kunnen de laagfrequente en hoogfrequente componenten van de akoestische behandeling duidelijk onderscheiden, die respectievelijk overeenkomen met de laagfrequente envelop van de laserpuls en de hoogfrequente modulatie. De golflengten van de akoestische golven die door de laserpulsenvelop worden gegenereerd, overschrijden 40 cm; daarom wordt verwacht dat het belangrijkste effect van de breedbandige hoogfrequente componenten van het akoestische signaal op de microstructuur zal zijn.
De fysische processen in SLM zijn complex en vinden gelijktijdig plaats op verschillende ruimtelijke en temporele schalen. Daarom zijn methoden met meerdere schalen het meest geschikt voor de theoretische analyse van SLM. Wiskundige modellen moeten in eerste instantie multifysisch zijn. De mechanica en thermofysica van een meerfasig medium "vast-vloeibaar smeltmengsel" dat interactie heeft met een inerte gasatmosfeer kunnen dan effectief worden beschreven. De kenmerken van de thermische belasting van materialen in SLM zijn als volgt.
Verwarmings- en koelsnelheden tot \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ als gevolg van gelokaliseerde laserbestraling met vermogensdichtheden tot \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
De smelt-stollingscyclus duurt tussen 1 en 10 ms, wat bijdraagt ​​aan de snelle stolling van de smeltzone tijdens het afkoelen.
Snelle verhitting van het monsteroppervlak resulteert in de vorming van hoge thermo-elastische spanningen in de oppervlaktelaag. Een voldoende (tot 20%) deel van de poederlaag verdampt sterk63, wat resulteert in een extra drukbelasting op het oppervlak als reactie op laserablatie. Bijgevolg vervormt de geïnduceerde spanning de geometrie van het onderdeel aanzienlijk, vooral in de buurt van steunpunten en dunne structurele elementen. De hoge verwarmingssnelheid bij gepulseerd lasergloeien resulteert in de generatie van ultrasone spanningsgolven die zich van het oppervlak naar het substraat voortplanten. Om nauwkeurige kwantitatieve gegevens over de lokale spannings- en vervormingsverdeling te verkrijgen, wordt een mesoscopische simulatie van het elastische vervormingsprobleem in combinatie met warmte- en massaoverdracht uitgevoerd.
De stuurvergelijkingen van het model omvatten (1) onstationaire warmteoverdrachtsvergelijkingen waarbij de thermische geleidbaarheid afhangt van de fasetoestand (poeder, smelt, polykristallijn) en de temperatuur, (2) fluctuaties in elastische vervorming na continue ablatie en de thermo-elastische expansievergelijking. Het randwaardeprobleem wordt bepaald door de experimentele omstandigheden. De gemoduleerde laserflux wordt gedefinieerd op het monsteroppervlak. Convectieve koeling omvat geleidende warmte-uitwisseling en verdampingsflux. De massastroom wordt gedefinieerd op basis van de berekening van de verzadigde dampdruk van het verdampende materiaal. De elastoplastische spanning-rekrelatie wordt gebruikt, waarbij de thermo-elastische spanning evenredig is met het temperatuurverschil. Voor een nominaal vermogen van 300 W, een frequentie van 10⁵ Hz, een intermitterende coëfficiënt van 100 en een effectieve bundeldiameter van 200 μm.
Figuur 3 toont de resultaten van een numerieke simulatie van de smeltzone met behulp van een macroscopisch wiskundig model. De diameter van de smeltzone is 200 µm (straal 100 µm) en de diepte 40 µm. De simulatieresultaten laten zien dat de oppervlaktetemperatuur lokaal met de tijd varieert met 100 K als gevolg van de hoge intermittentiefactor van de pulsmodulatie. De opwarmingssnelheid µh en de afkoelingssnelheid µc zijn respectievelijk van de orde van 10⁷ en 10⁶ K/s. Deze waarden komen goed overeen met onze eerdere analyse⁶⁴. Een orde van grootte verschil tussen µh en µc resulteert in snelle oververhitting van de oppervlaktelaag, waar thermische geleiding naar het substraat Onvoldoende om de warmte af te voeren. Daarom bereikt de oppervlaktetemperatuur bij \(t=26~\upmu \text {s}\) een piek van maar liefst \(4800~\text {K}\). Krachtige verdamping van het materiaal kan ertoe leiden dat het monsteroppervlak onder te hoge druk komt te staan ​​en afbladdert.
Numerieke simulatieresultaten van de smeltzone van een enkele laserpuls-gloeien op een 316L-monsterplaat. De tijd vanaf het begin van de puls tot de diepte van het smeltbad de maximale waarde bereikt, is 180 µs. De isotherm T = T_L = 1723 K vertegenwoordigt de grens tussen de vloeibare en vaste fase. De isobaren (gele lijnen) corresponderen met de vloeigrens die in de volgende sectie als functie van de temperatuur wordt berekend. Daarom wordt de vaste fase in het gebied tussen de twee isolijnen (isothermen T = T_L en isobaren σ = σ_V(T)) blootgesteld aan sterke mechanische belastingen, wat kan leiden tot veranderingen in de microstructuur.
Dit effect wordt verder toegelicht in Figuur 4a, waar het drukniveau in de smeltzone is uitgezet als functie van de tijd en de afstand tot het oppervlak. Ten eerste is het drukgedrag gerelateerd aan de modulatie van de laserpulsintensiteit zoals beschreven in Figuur 2 hierboven. Een maximale druk van ongeveer 10 MPa werd waargenomen bij ongeveer t = 26 μm. Ten tweede vertoont de fluctuatie van de lokale druk op het controlepunt dezelfde oscillatiekarakteristieken als de frequentie van 500 kHz. Dit betekent dat ultrasone drukgolven aan het oppervlak worden gegenereerd en zich vervolgens in het substraat voortplanten.
De berekende kenmerken van de vervormingszone nabij de smeltzone worden weergegeven in figuur 4b. Laserablatie en thermo-elastische spanning genereren elastische vervormingsgolven die zich in het substraat voortplanten. Zoals in de figuur te zien is, zijn er twee fasen van spanningsgeneratie. Tijdens de eerste fase (t < 40 μs) stijgt de Mises-spanning tot 8 MPa met een modulatie die vergelijkbaar is met de oppervlaktespanning. Deze spanning ontstaat door laserablatie en er werd geen thermo-elastische spanning waargenomen in de controlepunten omdat de aanvankelijk door warmte beïnvloede zone te klein was. Wanneer warmte in het substraat wordt afgevoerd, genereert het controlepunt een hoge thermo-elastische spanning van meer dan 40 MPa.
De verkregen gemoduleerde spanningsniveaus hebben een significante invloed op het vast-vloeibare grensvlak en kunnen het controlemechanisme vormen dat het stollingsproces bepaalt. De omvang van de vervormingszone is 2 tot 3 keer groter dan die van de smeltzone. Zoals weergegeven in figuur 3, worden de locatie van de smeltisotherm en het spanningsniveau gelijk aan de vloeigrens vergeleken. Dit betekent dat de gepulseerde laserbestraling hoge mechanische belastingen genereert in gelokaliseerde gebieden met een effectieve diameter tussen 300 en 800 µm, afhankelijk van het moment.
De complexe modulatie van de gepulseerde laser-annealing leidt dus tot het ultrasone effect. Het selectiepad van de microstructuur is anders in vergelijking met SLM zonder ultrasone belasting. Vervormde instabiele gebieden leiden tot periodieke cycli van compressie en rek in de vaste fase. Hierdoor wordt de vorming van nieuwe korrelgrenzen en subkorrelgrenzen mogelijk. De microstructurele eigenschappen kunnen dus doelbewust worden gewijzigd, zoals hieronder wordt getoond. De verkregen conclusies bieden de mogelijkheid om een ​​prototype van een door pulsmodulatie geïnduceerde, ultrasoon aangedreven SLM te ontwerpen. In dit geval kan de elders gebruikte piëzo-elektrische inductor 26 worden weggelaten.
(a) Druk als functie van de tijd, berekend op verschillende afstanden van het oppervlak: 0, 20 en 40 µm langs de symmetrieas. (b) Tijdsafhankelijke Von Mises-spanning berekend in een vaste matrix op afstanden van 70, 120 en 170 µm van het monsteroppervlak.
Er werden experimenten uitgevoerd op platen van AISI 321H roestvrij staal met afmetingen van 20 × 20 × 5 mm. Na elke laserpuls beweegt de plaat 50 µm en is de laserbundeltaille op het doeloppervlak ongeveer 100 µm. Tot vijf opeenvolgende bundelpassages worden langs hetzelfde traject uitgevoerd om het bewerkte materiaal opnieuw te smelten voor korrelverfijning. In alle gevallen werd de opnieuw gesmolten zone gesonificeerd, afhankelijk van de oscillerende component van de laserstraling. Dit resulteert in een meer dan vijfvoudige reductie van het gemiddelde korreloppervlak. Figuur 5 toont hoe de microstructuur van het door de laser gesmolten gebied verandert met het aantal opeenvolgende hersmeltingscycli (passages).
Deeldiagrammen (a,d,g,j) en (b,e,h,k) – microstructuur van lasergesmolten gebieden, deeldiagrammen (c,f,i,l) – oppervlakteverdeling van gekleurde korrels. De arcering geeft de deeltjes weer die gebruikt zijn om het histogram te berekenen. Kleuren corresponderen met korrelgebieden (zie de kleurenbalk bovenaan het histogram). Deeldiagram (ac) correspondeert met onbehandeld roestvrij staal, en deeldiagrammen (df), (gi), (jl) corresponderen met 1, 3 en 5 hersmeltingen.
Omdat de energie van de laserpuls niet verandert tussen opeenvolgende passages, blijft de diepte van de smeltzone gelijk. Daardoor bedekt het volgende kanaal het vorige volledig. Het histogram laat echter zien dat het gemiddelde en de mediaan van het korreloppervlak afnemen naarmate het aantal passages toeneemt. Dit kan erop wijzen dat de laser inwerkt op het substraat in plaats van op het smeltbad.
Korrelverfijning kan worden veroorzaakt door snelle afkoeling van het smeltbad65. Een andere reeks experimenten werd uitgevoerd waarbij de oppervlakken van roestvrijstalen platen (321H en 316L) werden blootgesteld aan continue laserstraling in een atmosfeer (Fig. 6) en vacuüm (Fig. 7). Het gemiddelde laservermogen (respectievelijk 300 W en 100 W) en de diepte van het smeltbad liggen dicht bij de experimentele resultaten van de Nd:YAG-laser in de vrije-loopmodus. Er werd echter een typische kolomstructuur waargenomen.
Microstructuur van het lasergesmolten gebied van een continugolflaser (300 W constant vermogen, 200 mm/s scansnelheid, AISI 321H roestvrij staal).
(a) Microstructuur en (b) elektronenbackscatterdiffractiebeelden van het lasergesmolten gebied in vacuüm met een continue golflaser (100 W constant vermogen, 200 mm/s scansnelheid, AISI 316L roestvrij staal)\ (\sim 2 mbar).
Het is dus duidelijk dat de complexe modulatie van de laserpulsintensiteit een significant effect heeft op de resulterende microstructuur. Wij zijn van mening dat dit effect mechanisch van aard is en optreedt door de opwekking van ultrasone trillingen die zich vanaf het bestraalde oppervlak van de smelt diep in het monster voortplanten. Vergelijkbare resultaten werden verkregen in 13, 26, 34, 66, 67 met behulp van externe piëzo-elektrische transducers en sonotrodes die ultrageluid met hoge intensiteit leveren in verschillende materialen, waaronder de Ti-6Al-4V-legering 26 en roestvrij staal 34. Het mogelijke mechanisme wordt als volgt gespeculeerd. Intens ultrageluid kan akoestische cavitatie veroorzaken, zoals aangetoond in ultrasnelle in situ synchrotron-röntgenbeeldvorming. Het ineenstorten van de cavitatiebellen genereert op zijn beurt schokgolven in het gesmolten materiaal, waarvan de frontdruk ongeveer 100 MPa bereikt 69. Zulke schokgolven kunnen sterk genoeg zijn om de vorming van kritische vaste-fasekernen in bulkvloeistoffen te bevorderen, waardoor de typische kolomvormige korrelstructuur wordt verstoord. structuur van laag-voor-laag additieve productie.
Hier stellen we een ander mechanisme voor dat verantwoordelijk is voor structurele modificatie door intense sonificatie. Direct na stolling bevindt het materiaal zich op een hoge temperatuur dicht bij het smeltpunt en heeft het een extreem lage vloeigrens. Intense ultrasone golven kunnen plastische vervorming veroorzaken, waardoor de korrelstructuur van het hete, net gestolde materiaal verandert. Betrouwbare experimentele gegevens over de temperatuurafhankelijkheid van de vloeigrens zijn echter beschikbaar bij \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (zie Figuur 8). Om deze hypothese te testen, hebben we daarom moleculaire dynamica (MD) simulaties uitgevoerd van een Fe-Cr-Ni-samenstelling vergelijkbaar met AISI 316 L-staal om het gedrag van de vloeigrens nabij het smeltpunt te evalueren. Om de vloeigrens te berekenen, hebben we de MD-schuifspanningsrelaxatietechniek gebruikt zoals beschreven in 70, 71, 72, 73. Voor de berekeningen van de interatomaire interactie hebben we het Embedded Atomic Model (EAM) uit 74 gebruikt. MD-simulaties werden uitgevoerd met behulp van LAMMPS-codes 75, 76. Details van De MD-simulaties zullen elders worden gepubliceerd. De resultaten van de MD-berekening van de vloeigrens als functie van de temperatuur worden weergegeven in figuur 8, samen met beschikbare experimentele gegevens en andere evaluaties77,78,79,80,81,82.
Vloeigrens voor austenitisch roestvast staal van AISI-kwaliteit 316 en modelsamenstelling versus temperatuur voor MD-simulaties. Experimentele metingen uit referenties: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f) 82 is een empirisch model van de afhankelijkheid van de vloeigrens van de temperatuur voor inline spanningsmeting tijdens laserondersteunde additieve productie. De resultaten van de grootschalige MD-simulaties in deze studie worden aangeduid als \(\vartriangleleft\) voor een defectvrij oneindig enkelkristal en \(\vartriangleright\) voor eindige korrels, rekening houdend met de gemiddelde korrelgrootte via de Hall-Petch-relatie. Dimensies\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Het is te zien dat bij \(T>1500~\text {K}\) de vloeigrens onder de \(40~\text {MPa}\) daalt. Aan de andere kant voorspellen schattingen dat de door de laser gegenereerde ultrasone amplitude de \(40~\text {MPa}\) overschrijdt (zie figuur 4b), wat voldoende is om plastische vervorming te induceren in het hete, net gestolde materiaal.
De microstructuurvorming van 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitisch roestvast staal tijdens SLM werd experimenteel onderzocht met behulp van een complexe, intensiteitsgemoduleerde gepulseerde laserbron.
Er werd een afname van de korrelgrootte in de lasersmeltzone geconstateerd als gevolg van het continu opnieuw smelten met de laser na 1, 3 of 5 passages.
Macroscopische modellering laat zien dat de geschatte grootte van het gebied waar ultrasone vervorming een positief effect kan hebben op het stollingsfront, maximaal 1 mm bedraagt.
Het microscopische MD-model laat zien dat de vloeigrens van AISI 316 austenitisch roestvast staal aanzienlijk wordt verlaagd tot \(40~\text {MPa}\) in de buurt van het smeltpunt.
De verkregen resultaten suggereren een methode voor het beheersen van de microstructuur van materialen met behulp van complexe gemoduleerde laserbewerking en zouden als basis kunnen dienen voor het creëren van nieuwe modificaties van de gepulseerde SLM-techniek.
Liu, Y. et al. Microstructurele evolutie en mechanische eigenschappen van in situ TiB2/AlSi10Mg-composieten door laserselectief smelten [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Herkristallisatie van korrelgrenzen bij laserselectief smelten van 316L roestvrij staal [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ ontwikkeling van sandwich-microstructuren met verbeterde ductiliteit door laserherverwarming van lasergesmolten titaniumlegeringen. Science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Additieve productie van Ti-6Al-4V-onderdelen door middel van lasermetaalafzetting (LMD): proces, microstructuur en mechanische eigenschappen. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Microstructurele modellering van lasergestuurde metaalpoederdepositie van legering 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametrische neutronen-Bragg-randbeeldvormingsstudie van additief vervaardigde monsters behandeld met laserschokpeening. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradiëntmicrostructuur en mechanische eigenschappen van Ti-6Al-4V additief vervaardigd door elektronenbundelsmelten. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).