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). In de tussentijd geven we de site weer zonder styling en JavaScript, om ondersteuning te blijven garanderen.
Er wordt een nieuw mechanisme voorgesteld op basis van selectief lasersmelten om de microstructuur van producten tijdens het productieproces te controleren. Het mechanisme berust op het genereren van ultrasone golven met een hoge intensiteit in het gesmolten bad door 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 onderdelen defect raken. Dit komt voornamelijk door de specifieke kenmerken van het smeltbadstollingsproces, geassocieerd met hoge thermische gradiënten, hoge koelsnelheden en de complexiteit van verwarmingscycli bij het smelten en hersmelten van materialen11, wat leidt tot epitaxiale korrelgroei en aanzienlijke porositeit12,13. De resultaten tonen aan dat het noodzakelijk is om thermische gradiënten, koelsnelheden en legeringssamenstelling te beheersen, of extra fysieke schokken toe te passen via externe velden met verschillende eigenschappen (bijv. ultrageluid) om fijne equiaxiale korrelstructuren te bereiken.
Nederlands Talrijke publicaties hebben betrekking op het effect van trillingsbehandeling op het stollingsproces in conventionele gietprocessen14,15. Het toepassen van een extern veld op bulk melts produceert echter niet de gewenste microstructuur van het materiaal. Als het volume van de vloeibare fase klein is, verandert de situatie dramatisch. In dat geval heeft het externe veld een aanzienlijke invloed op het stollingsproces. Elektromagnetische effecten zijn overwogen tijdens intense akoestische velden16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, boogroeren28 en oscillatie29, gepulseerde plasmabogen30,31 en andere methoden32. Bevestig aan het substraat met behulp van een externe ultrasone bron met hoge intensiteit (bij 20 kHz). De door ultrasone golven veroorzaakte korrelverfijning wordt toegeschreven aan de vergrote compositionele subcoolingzone vanwege de verminderde temperatuurgradiënt en de ultrasone versterking om nieuwe kristallieten te genereren door cavitatie.
In dit werk hebben we de mogelijkheid onderzocht om de korrelstructuur van austenitisch roestvast staal te veranderen door het smeltbad te sonificeren met geluidsgolven die door de smeltlaser zelf worden gegenereerd. 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 de laserstraling kan eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande SLM 3D-printers. De experimenten in dit werk werden uitgevoerd op roestvrijstalen platen waarvan de oppervlakken werden blootgesteld aan intensiteitsgemoduleerde laserstraling. Technisch gezien wordt er dus laseroppervlaktebehandeling uitgevoerd. Als een dergelijke laserbehandeling echter wordt uitgevoerd op het oppervlak van elke laag, tijdens de laag-voor-laag-opbouw, worden effecten op het gehele volume of op geselecteerde delen van het volume bereikt. Met andere woorden, als het onderdeel laag voor laag wordt opgebouwd, is de laseroppervlaktebehandeling van elke laag gelijk aan "laservolumebehandeling".
Terwijl bij op een ultrasoonhoorn gebaseerde ultrasone therapie de ultrasone energie van de staande geluidsgolf door het hele onderdeel wordt verdeeld, terwijl de door de 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, stil moet blijven. Bovendien is er geen mechanische spanning op het bovenoppervlak van het onderdeel. Daarom is de akoestische spanning bijna nul en heeft de deeltjessnelheid een maximale amplitude over het gehele bovenoppervlak van het onderdeel. De geluidsdruk in het gehele gesmolten bad mag niet meer bedragen dan 0,1% van de maximale druk die door de laskop wordt gegenereerd, omdat de golflengte van ultrasone golven met een frequentie van 20 kHz in roestvrij staal \(\sim 0,3~\text {m}\) is en de diepte meestal minder is dan \(\sim 0,3~\text {mm}\). Daarom kan het effect van ultrageluid op cavitatie klein zijn.
Opgemerkt moet worden dat het gebruik van intensiteitsgemoduleerde laserstraling bij directe lasermetaaldepositie een actief onderzoeksgebied is35,36,37,38.
Het thermische effect van de op het materiaal invallende laserstraling vormt de basis voor bijna alle lasertechnieken 39, 40 voor materiaalbewerking, zoals snijden41, lassen, harden, boren42, oppervlaktereiniging, oppervlaktelegering, oppervlaktepolijsten43, enz. De uitvinding van de laser stimuleerde nieuwe ontwikkelingen in materiaalbewerkingstechnieken en voorlopige resultaten zijn samengevat in talrijke overzichten en monografieën44,45,46.
Opgemerkt dient te worden dat elke niet-stationaire werking op het medium, met inbegrip van de laserwerking op het absorberende medium, resulteert in de excitatie van akoestische golven daarin met meer of minder efficiëntie. Aanvankelijk lag de nadruk op de laserexcitatie van golven in vloeistoffen en de verschillende thermische excitatiemechanismen van geluid (thermische uitzetting, verdamping, volumeverandering tijdens faseovergang, krimp, enz.) 47, 48, 49. Talrijke monografieën 50, 51, 52 bieden theoretische analyses van dit proces en de mogelijke praktische toepassingen ervan.
Deze kwesties werden vervolgens besproken op verschillende conferenties en laserexcitatie van ultrageluid heeft toepassingen in zowel industriële toepassingen van lasertechnologie53 als in de geneeskunde54. Daarom kan worden gesteld dat het basisconcept van het proces waarbij gepulst laserlicht inwerkt op een absorberend medium, is vastgesteld. Laserultrasoon onderzoek wordt gebruikt voor het detecteren van defecten in SLM-gefabriceerde monsters55,56.
Het effect van lasergegenereerde schokgolven op materialen vormt de basis voor laserschokstralen57,58,59, dat ook wordt gebruikt voor de oppervlaktebehandeling van additief vervaardigde onderdelen60. Laserschokversterking is echter het meest effectief bij nanoseconde laserpulsen en mechanisch belaste oppervlakken (bijvoorbeeld met een laag vloeistof)59, omdat mechanische belasting de piekdruk verhoogt.
Er werden experimenten uitgevoerd om de mogelijke effecten van verschillende fysieke velden op de microstructuur van gestolde materialen te onderzoeken. Het functionele diagram van de experimentele opstelling wordt weergegeven in Figuur 1. Er werd een gepulste Nd:YAG-vastestoflaser gebruikt die in de vrijlopende modus werkte (pulsduur \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Elke laserpuls wordt door een reeks neutrale dichtheidsfilters en een stralensplitsplaatsysteem 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 laserstraal die door de stralensplitser wordt gereflecteerd, wordt naar een fotodiode gevoerd voor gelijktijdige gegevensverzameling en twee calorimeters (fotodiodes met een lange responstijd van meer dan \(1~\text {ms}\)) worden gebruikt om de invallende en gereflecteerde laserstraal te bepalen. doel, en twee vermogensmeters (fotodiodes met korte responstijden\(<10~\text {ns}\)) 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 thermozuildetector Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 en een diëlektrische spiegel gemonteerd op de monsterlocatie. Focus de straal op het doel met behulp van een lens (antireflectiecoating op \(1,06 \upmu \text {m}\), brandpuntsafstand \(160~\text {mm}\)) en een straaltaille op het doeloppervlak 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Functioneel schema van de experimentele opstelling: 1 - laser; 2 - laserstraal; 3 - neutraal dichtheidsfilter; 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-converter; 16 - positioneringsmicrocontroller; 17 - synchronisatie-eenheid; 18 - meerkanaals digitaal acquisitiesysteem met verschillende bemonsteringsfrequenties; 19 - personal computer.
Ultrasoonbehandeling wordt als volgt uitgevoerd. De laser werkt in de vrijlopende modus; de duur van de laserpuls is daarom \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), die bestaat uit meerdere tijdsduren 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 Afbeelding 2. - De frequentie-envelop zorgt voor de verwarming en het daaropvolgende smelten en verdampen van het materiaal, terwijl de hoogfrequente component zorgt voor de ultrasone trillingen als gevolg van het fotoakoestisch effect. De golfvorm van de ultrasone puls die door de laser wordt gegenereerd, wordt voornamelijk bepaald door de tijdsvorm van de intensiteit van de laserpuls. Deze varieert van \(7~\text {kHz}\) tot \(2~\text {MHz}\), en de middenfrequentie is \(~ 0,7~\text {MHz}\). Akoestische pulsen als gevolg van het fotoakoestisch effect werden opgenomen met behulp van breedbandige piëzo-elektrische transducers gemaakt van polyvinylideenfluoridefilms. De opgenomen golfvorm en het spectrum ervan worden weergegeven in Afbeelding 2. Opgemerkt dient te worden dat de vorm van de laserpulsen typisch is voor een laser in vrijlopende modus.
Tijdelijke verdeling van de intensiteit van de laserpuls (a) en de geluidssnelheid aan de achterkant 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 duidelijk onderscheid maken tussen de laagfrequente en hoogfrequente componenten van de akoestische behandeling die respectievelijk overeenkomen met de laagfrequente envelop van de laserpuls en de hoogfrequente modulatie. De golflengten van de akoestische golven die door de laserpuls-envelop worden gegenereerd, overschrijden \(40~\text {cm}\); daarom wordt het belangrijkste effect van de breedbandige hoogfrequente componenten van het akoestische signaal op de microstructuur verwacht.
De fysieke processen in SLM zijn complex en vinden gelijktijdig plaats op verschillende ruimtelijke en temporele schalen. Daarom zijn multischaalmethoden het meest geschikt voor theoretische analyse van SLM. Wiskundige modellen moeten in eerste instantie multifysisch zijn. De mechanica en thermofysica van een multifasemedium "vaste-vloeibare smelt" dat interageert met een inerte gasatmosfeer kan vervolgens effectief worden beschreven. De kenmerken van thermische materiaalbelastingen in SLM zijn als volgt.
Verwarmings- en koelsnelheden tot \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ vanwege gelokaliseerde laserbestraling met vermogensdichtheden tot \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
De smelt- en stollingscyclus duurt tussen 1 en \(10~\text {ms}\), wat bijdraagt ​​aan de snelle stolling van de smeltzone tijdens het afkoelen.
Snelle verwarming van het oppervlak van het monster resulteert in de vorming van hoge thermo-elastische spanningen in de oppervlaktelaag. Een voldoende groot deel (tot 20%) 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, met name in de buurt van steunen en dunne structurele elementen. De hoge verwarmingssnelheid bij gepulseerd lasergloeien resulteert in de generatie van ultrasone spanningsgolven die zich voortplanten van het oppervlak naar het substraat. Om nauwkeurige kwantitatieve gegevens over de lokale spannings- en spanningsverdeling te verkrijgen, wordt een mesoscopische simulatie van het elastische vervormingsprobleem in combinatie met warmte- en massaoverdracht uitgevoerd.
De bepalende vergelijkingen 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 thermo-elastische expansievergelijking. Het grenswaardeprobleem wordt bepaald door experimentele omstandigheden. De gemoduleerde laserflux wordt gedefinieerd op het oppervlak van het monster. Convectieve koeling omvat geleidende warmtewisseling en verdampingsflux. De massaflux wordt gedefinieerd op basis van de berekening van de verzadigde dampspanning van het verdampende materiaal. De elastoplastische spanning-rekrelatie wordt gebruikt waarbij de thermo-elastische spanning evenredig is met het temperatuurverschil. Voor nominaal vermogen \(300~\tekst {W}\), frequentie \(10^5~\tekst {Hz}\), intermitterende coëfficiënt 100 en \(200~\upmu \tekst {m}\ ) van de effectieve straaldiameter.
Figuur 3 toont de resultaten van een numerieke simulatie van de gesmolten zone met behulp van een macroscopisch wiskundig model. De diameter van de smeltzone is \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) straal) en \(40~\upmu \text {m}\) diepte. De simulatieresultaten tonen aan dat de oppervlaktetemperatuur lokaal varieert met de tijd als \(100~\text {K}\) vanwege de hoge intermitterende factor van de pulsmodulatie. De verwarmings-\(V_h\) en afkoelsnelheden \(V_c\) zijn respectievelijk van de orde van \(10^7\) en \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Deze waarden komen goed overeen met onze eerdere analyse64. Een verschil van grootte tussen \(V_h\) en \(V_c\) resulteert in snelle oververhitting van de oppervlaktelaag, waarbij thermische geleiding naar het substraat is niet voldoende om de warmte af te voeren. Daarom kan de oppervlaktetemperatuur bij \(t=26~\upmu \text {s}\) oplopen tot wel \(4800~\text {K}\). Sterke verdamping van het materiaal kan ertoe leiden dat het oppervlak van het monster aan overmatige druk wordt blootgesteld en loslaat.
Numerieke simulatieresultaten van de smeltzone van enkelvoudige laserpuls-gloeien op een 316L-monsterplaat. De tijd vanaf het begin van de puls tot de diepte van het gesmolten bad die de maximale waarde bereikt, is \(180~\upmu\text {s}\). De isotherm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) vertegenwoordigt de grens tussen de vloeibare en vaste fase. De isobaren (gele lijnen) komen overeen met de vloeispanning die in het volgende gedeelte wordt berekend als functie van de temperatuur. Daarom wordt de vaste fase in het domein tussen de twee isolijnen (isothermen\(T=T_L\) en isobaren\(\sigma =\sigma _V(T)\)) onderworpen aan sterke mechanische belastingen, die kunnen leiden tot veranderingen in de microstructuur.
Dit effect wordt verder uitgelegd in Figuur 4a, waar het drukniveau in de gesmolten zone 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 \text{s}\) van ongeveer \(10~\text {MPa}\) werd waargenomen bij ongeveer \(t=26~\upmu). Ten tweede heeft de fluctuatie van de lokale druk bij het controlepunt dezelfde oscillatiekarakteristieken als de frequentie van \(500~\text {kHz}\). Dit betekent dat ultrasone drukgolven worden gegenereerd aan het oppervlak en vervolgens voortplanten in het substraat.
De berekende karakteristieken van de vervormingszone nabij de smeltzone worden weergegeven in Afb. 4b. Laserablatie en thermo-elastische spanning genereren elastische vervormingsgolven die zich voortplanten in het substraat. Zoals te zien is in de afbeelding, zijn er twee fasen van spanningsgeneratie. Tijdens de eerste fase van \(t < 40~\upmu \text {s}\) stijgt de Mises-spanning tot \(8~\text {MPa}\) met een modulatie die vergelijkbaar is met de oppervlaktedruk. 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 wordt afgevoerd naar het substraat, genereert het controlepunt een hoge thermo-elastische spanning boven \(40~\text {MPa}\).
De verkregen gemoduleerde spanningsniveaus hebben een aanzienlijke impact op de vaste-vloeistofinterface en kunnen het controlemechanisme zijn dat het stollingspad bestuurt. De omvang van de vervormingszone is 2 tot 3 keer groter dan die van de smeltzone. Zoals weergegeven in afbeelding 3 worden de locatie van de smelt-isotherm en het spanningsniveau gelijk aan de vloeigrens vergeleken. Dit betekent dat de gepulste laserbestraling hoge mechanische belastingen veroorzaakt in gelokaliseerde gebieden met een effectieve diameter tussen 300 en \(800~\upmu \text {m}\), afhankelijk van de momentane tijd.
Daarom leidt de complexe modulatie van het gepulste lasergloeien tot het ultrasone effect. Het pad voor microstructuurselectie is anders in vergelijking met de SLM zonder ultrasone belasting. Vervormde, onstabiele gebieden leiden tot periodieke cycli van compressie en rekken in de vaste fase. Zo wordt de vorming van nieuwe korrelgrenzen en subkorrelgrenzen mogelijk. Daarom kunnen de microstructurele eigenschappen doelbewust worden gewijzigd, zoals hieronder weergegeven. De verkregen conclusies bieden de mogelijkheid om een ​​SLM-prototype te ontwerpen dat wordt aangestuurd door pulsmodulatie en ultrageluid. In dit geval kan de elders gebruikte piëzo-elektrische inductor 26 worden uitgesloten.
(a) Druk als functie van de tijd, berekend op verschillende afstanden van het oppervlak 0, 20 en \(40~\upmu \text {m}\) langs de symmetrie-as. (b) Tijdsafhankelijke Von Mises-spanning berekend in een massieve matrix op afstanden 70, 120 en \(170~\upmu \text {m}\) van het monsteroppervlak.
Experimenten werden uitgevoerd op platen van roestvrij staal AISI 321H met afmetingen van 20 x 20 x 5 mm. Na elke laserpuls beweegt de plaat 50 m en bedraagt ​​de laserstraaldiameter op het doeloppervlak ongeveer 100 m. Er worden maximaal vijf opeenvolgende straalpassen langs hetzelfde spoor uitgevoerd om het omsmelten van het verwerkte materiaal te induceren voor korrelverfijning. In alle gevallen werd de omsmeltzone gesoniceerd, afhankelijk van de oscillerende component van de laserstraling. Dit resulteert in een meer dan 5-voudige reductie van het gemiddelde korreloppervlak. Figuur 5 laat zien hoe de microstructuur van het met de laser gesmolten gebied verandert met het aantal opeenvolgende omsmeltcycli.
Subplots (a, d, g, j) en (b, e, h, k) – microstructuur van lasergesmolten gebieden, subplots (c, f, i, l) – oppervlakteverdeling van gekleurde korrels. De arcering geeft de deeltjes weer die gebruikt zijn om het histogram te berekenen. De kleuren corresponderen met de korrelgebieden (zie de kleurenbalk bovenaan het histogram). Subplots (ac) corresponderen met onbehandeld roestvrij staal, en subplots (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 gesmolten zone hetzelfde. Het volgende kanaal "bedekt" het vorige dus volledig. Het histogram laat echter zien dat het gemiddelde en mediane korreloppervlak afnemen naarmate het aantal passages toeneemt. Dit kan erop wijzen dat de laser op het substraat inwerkt in plaats van op de smelt.
Korrelverfijning kan worden veroorzaakt door snelle afkoeling van het gesmolten materiaal65.Er werd nog een reeks experimenten uitgevoerd waarbij de oppervlakken van roestvrijstalen platen (321H en 316L) werden blootgesteld aan continue laserstraling in de atmosfeer (Fig. 6) en vacuüm (Fig. 7).Het gemiddelde laservermogen (respectievelijk 300 W en 100 W) en de diepte van het gesmolten materiaal liggen dicht bij de experimentele resultaten van de Nd:YAG-laser in vrijlopende modus.Er werd echter een typische kolomvormige structuur waargenomen.
Microstructuur van het lasergesmolten gebied van een continue laser (constant vermogen van 300 W, scansnelheid van 200 mm/s, roestvrij staal AISI 321H).
(a) Microstructuur- en (b) elektronen-backscatter-diffractiebeelden van het met een laser gesmolten gebied in vacuüm met een continue golflaser (constant vermogen van 100 W, scansnelheid van 200 mm/s, roestvrij staal AISI 316L)\ (\sim 2~\tekst {mbar}\).
Daarom is duidelijk aangetoond dat de complexe modulatie van de laserpulsintensiteit een aanzienlijk effect heeft op de resulterende microstructuur. Wij geloven dat dit effect mechanisch van aard is en optreedt als gevolg van de generatie van ultrasone trillingen die zich voortplanten van het bestraalde oppervlak van de smelt diep in het monster. 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 Ti-6Al-4V-legering 26 en roestvrij staal 34 als resultaat van. Het mogelijke mechanisme wordt als volgt gespeculeerd. Intens ultrageluid kan akoestische cavitatie veroorzaken, zoals aangetoond in ultrafast in situ synchrotron-röntgenbeeldvorming. Het ineenstorten van de cavitatiebellen genereert op zijn beurt schokgolven in het gesmolten materiaal, waarvan de frontdruk ongeveer \(100~\text {MPa}\)69 bereikt. Dergelijke schokgolven kunnen sterk genoeg zijn om de vorming van kritische vaste-fasekernen in bulkvloeistoffen te bevorderen, waardoor de typische kolomvormige korrelstructuur 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 heeft het materiaal een hoge temperatuur, dicht bij het smeltpunt, en heeft het een extreem lage vloeispanning. Intense ultrasone golven kunnen ervoor zorgen dat plastische stroming de korrelstructuur van het hete, net gestolde materiaal verandert. Betrouwbare experimentele gegevens over de temperatuurafhankelijkheid van de vloeispanning zijn echter beschikbaar bij \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (zie Afbeelding 8). Om deze hypothese te testen, hebben we daarom moleculaire dynamica (MD)-simulaties uitgevoerd van een Fe-Cr-Ni-samenstelling die vergelijkbaar is met AISI 316 L-staal om het vloeispanningsgedrag in de buurt van het smeltpunt te evalueren. Om de vloeispanning te berekenen, hebben we de MD-schuifspanningsrelaxatietechniek gebruikt die gedetailleerd is beschreven in 70, 71, 72, 73. Voor de interatomaire interactieberekeningen hebben we het Embedded Atomic Model (EAM) uit 74 gebruikt. MD-simulaties werden uitgevoerd met LAMMPS-codes 75,76.Details van de MD-simulaties zullen elders worden gepubliceerd.De resultaten van de MD-berekening van de vloeispanning 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 modelcompositie versus temperatuur voor MD-simulaties. Experimentele metingen uit referenties: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Verwijs naar. (f) 82 is een empirisch model van de afhankelijkheid van de vloeigrens en de temperatuur voor in-line spanningsmeting tijdens laserondersteunde additieve productie. De resultaten van de grootschalige MD-simulaties in deze studie worden aangeduid als \(\vartriangleleft\) voor een defectvrij oneindig enkel kristal en \(\vartriangleright\) voor eindige korrels rekening houdend met de gemiddelde korrelgrootte via de Hall-Petch-relatie Afmetingen\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Te zien is dat bij \(T>1500~\text {K}\) de vloeispanning daalt tot onder \(40~\text {MPa}\). Aan de andere kant voorspellen schattingen dat de door de laser gegenereerde ultrasone amplitude \(40~\text {MPa}\) overschrijdt (zie figuur 4b), wat voldoende is om plastische stroming te induceren in het zojuist gestolde, hete 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 vastgesteld dat de korrelgroottevermindering in de lasersmeltzone het gevolg is van continu laseromsmelten na 1, 3 of 5 passages.
Uit macroscopische modellen blijkt dat de geschatte grootte van het gebied waar ultrasone vervorming een positief effect kan hebben op het stollingsfront, maximaal \(1~\text {mm}\) bedraagt.
Uit het microscopische MD-model blijkt dat de vloeigrens van AISI 316 austenitisch roestvast staal aanzienlijk afneemt tot \(40~\text {MPa}\) nabij het smeltpunt.
De verkregen resultaten suggereren een methode voor het controleren van de microstructuur van materialen met behulp van complexe gemoduleerde laserbewerking en kunnen dienen als basis voor het creëren van nieuwe modificaties van de gepulste 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. Recrystallization grain boundary engineering van laserselectief smelten van roestvrij staal 316L [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 sandwichmicrostructuren met verbeterde ductiliteit door laseropwarming 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 lasermetaaldepositie (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 gerichte energiedepositie van legering 718 met lasermetaalpoeder. 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 laserschokstralen. 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).