Dziękujemy za odwiedzenie witryny Nature.com. Używana przez Ciebie wersja przeglądarki obsługuje CSS w ograniczonym zakresie. Aby zapewnić Ci najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). Tymczasem, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy wyświetlać witrynę bez stylów i JavaScript.
Zaproponowano nowy mechanizm oparty na selektywnym topieniu laserowym, który umożliwia kontrolę mikrostruktury produktów w procesie produkcyjnym. Mechanizm ten opiera się na generowaniu fal ultradźwiękowych o dużej intensywności w jeziorku stopionego metalu poprzez złożone napromieniowanie laserowe o modulacji intensywności. Badania eksperymentalne i symulacje numeryczne pokazują, że ten mechanizm kontroli jest technicznie wykonalny i może być skutecznie zintegrowany z konstrukcją nowoczesnych maszyn do selektywnego topienia laserowego.
Produkcja addytywna (AM) elementów o złożonych kształtach znacznie się rozwinęła w ostatnich dekadach. Jednak pomimo różnorodności procesów produkcji addytywnej, w tym selektywnego stapiania laserowego (SLM)1,2,3, bezpośredniego osadzania metali laserem4,5,6, topienia wiązką elektronów7,8 i innych9,10, części te mogą być wadliwe. Wynika to głównie ze specyficznych właściwości procesu krzepnięcia ciekłego metalu, związanych z wysokimi gradientami temperatury, dużą szybkością chłodzenia i złożonością cykli nagrzewania podczas topienia i przetapiania materiałów11, co prowadzi do epitaksjalnego wzrostu ziaren i znacznej porowatości12,13. Wyniki pokazują, że konieczne jest kontrolowanie gradientów temperatury, szybkości chłodzenia i składu stopu lub zastosowanie dodatkowych wstrząsów fizycznych za pomocą zewnętrznych pól o różnych właściwościach (np. ultradźwięków) w celu uzyskania drobnych struktur ziarna równoosiowego.
Wiele publikacji zajmuje się wpływem obróbki wibracyjnej na proces krzepnięcia w konwencjonalnych procesach odlewania14,15. Jednakże zastosowanie zewnętrznego pola do stopionego materiału nie daje pożądanej mikrostruktury materiału. Jeśli objętość fazy ciekłej jest mała, sytuacja zmienia się drastycznie. W takim przypadku pole zewnętrzne znacząco wpływa na proces krzepnięcia. Rozważano efekty elektromagnetyczne podczas intensywnych pól akustycznych16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, mieszania łukowego28 i oscylacji29, impulsowych łuków plazmowych30,31 i innych metod32. Mocowanie do podłoża za pomocą zewnętrznego źródła ultradźwięków o wysokiej intensywności (przy 20 kHz). Rozdrobnienie ziarna wywołane ultradźwiękami przypisuje się zwiększonej strefie przechłodzenia składu z powodu zmniejszonego gradientu temperatury i wzmocnienia ultradźwięków w celu generowania nowych krystalitów poprzez kawitację.
W tej pracy badaliśmy możliwość zmiany struktury ziaren stali nierdzewnych austenitycznych poprzez sonikację roztopionego jeziorka falami dźwiękowymi generowanymi przez sam laser topiący. Modulacja intensywności promieniowania laserowego padającego na ośrodek absorbujący światło powoduje generowanie fal ultradźwiękowych, które zmieniają mikrostrukturę materiału. Tę modulację intensywności promieniowania laserowego można łatwo zintegrować z istniejącymi drukarkami 3D SLM. Eksperymenty w tej pracy przeprowadzono na płytach ze stali nierdzewnej, których powierzchnie wystawiono na działanie promieniowania laserowego o modulowanej intensywności. Tak więc, technicznie rzecz biorąc, wykonywana jest obróbka powierzchni laserem. Jednakże, jeśli taka obróbka laserowa jest wykonywana na powierzchni każdej warstwy, podczas narastania warstwa po warstwie osiągane są efekty na całej objętości lub na wybranych częściach objętości. Innymi słowy, jeśli część jest budowana warstwa po warstwie, obróbka powierzchni laserem każdej warstwy jest równoważna „obróbce objętościowej laserem”.
Podczas gdy w terapii ultradźwiękowej opartej na tubie ultradźwiękowej, energia ultradźwiękowa stojącej fali dźwiękowej jest rozprowadzana po całym elemencie, podczas gdy intensywność ultradźwięków indukowanych laserowo jest silnie skoncentrowana w pobliżu punktu, w którym promieniowanie laserowe jest absorbowane. Zastosowanie sonotrody w spawarce proszkowej SLM jest skomplikowane, ponieważ górna powierzchnia złoża proszku wystawiona na promieniowanie laserowe powinna pozostać nieruchoma. Ponadto na górnej powierzchni części nie występują żadne naprężenia mechaniczne. Dlatego naprężenie akustyczne jest bliskie zeru, a prędkość cząstek ma maksymalną amplitudę na całej górnej powierzchni części. Ciśnienie akustyczne wewnątrz całego jeziorka stopionego materiału nie może przekraczać 0,1% maksymalnego ciśnienia generowanego przez głowicę spawalniczą, ponieważ długość fali fal ultradźwiękowych o częstotliwości 20 kHz w stali nierdzewnej wynosi \(\sim 0,3~\text {m}\), a głębokość jest zwykle mniejsza niż \(\sim 0,3~\text {mm}\). Dlatego wpływ ultradźwięków na kawitację może być niewielki.
Należy zauważyć, że zastosowanie promieniowania laserowego o modulacji intensywności w bezpośrednim laserowym osadzaniu metali jest aktywną dziedziną badań35,36,37,38.
Efekt cieplny promieniowania laserowego padającego na ośrodek stanowi podstawę niemal wszystkich technik laserowych39, 40 stosowanych w obróbce materiałów, takich jak cięcie41, spawanie, hartowanie, wiercenie42, czyszczenie powierzchni, stopowanie powierzchni, polerowanie powierzchni43 itd. Wynalezienie lasera pobudziło nowe osiągnięcia w zakresie technik obróbki materiałów, a wstępne wyniki podsumowano w licznych pracach przeglądowych i monografiach44,45,46.
Należy zauważyć, że każde niestacjonarne oddziaływanie na ośrodek, w tym oddziaływanie lasera na ośrodek pochłaniający, powoduje wzbudzenie w nim fal akustycznych z większą lub mniejszą wydajnością. Początkowo główny nacisk kładziono na laserowe wzbudzanie fal w cieczach i różne mechanizmy termicznego wzbudzania dźwięku (rozszerzalność cieplna, parowanie, zmiana objętości podczas przejścia fazowego, kontrakcja itp.) 47, 48, 49. Liczne monografie50, 51, 52 dostarczają analiz teoretycznych tego procesu i jego możliwych zastosowań praktycznych.
Zagadnienia te były następnie omawiane na różnych konferencjach, a wzbudzanie ultradźwięków laserowo znajduje zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w medycynie53. Można zatem uznać, że podstawowa koncepcja procesu, w którym impulsowe światło laserowe oddziałuje na ośrodek pochłaniający, została ustalona. Badanie ultradźwiękowe laserowe jest wykorzystywane do wykrywania wad próbek wyprodukowanych metodą SLM55,56.
Podstawą obróbki powierzchni części wytwarzanych przyrostowo jest oddziaływanie fal uderzeniowych generowanych laserowo na materiały57,58,59, która jest również wykorzystywana do obróbki powierzchniowej części wytwarzanych przyrostowo60. Jednak wzmacnianie za pomocą fal uderzeniowych laserowych jest najskuteczniejsze w przypadku nanosekundowych impulsów laserowych i powierzchni obciążonych mechanicznie (np. warstwą cieczy)59, ponieważ obciążenie mechaniczne zwiększa ciśnienie szczytowe.
Przeprowadzono eksperymenty w celu zbadania możliwych efektów różnych pól fizycznych na mikrostrukturę zestalonych materiałów. Schemat funkcjonalny układu eksperymentalnego pokazano na rysunku 1. Użyto impulsowego lasera półprzewodnikowego Nd:YAG pracującego w trybie swobodnym (czas trwania impulsu \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Każdy impuls laserowy przechodzi przez szereg filtrów o neutralnej gęstości i układ płyt rozdzielacza wiązki. W zależności od kombinacji filtrów o neutralnej gęstości energia impulsu na tarczy zmienia się od \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) do \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Wiązka laserowa odbita od rozdzielacza wiązki jest podawana na fotodiodę w celu jednoczesnego gromadzenia danych, a dwa kalorymetry (fotodiody o długim czasie reakcji przekraczającym \(1~\text {ms}\)) są używane do określania padającego i odbitego od tarczy, a dwa mierniki mocy (fotodiody z krótkim czasem reakcji\(<10~\text {ns}\)) w celu określenia padającej i odbitej mocy optycznej. Kalorymetry i mierniki mocy zostały skalibrowane w celu uzyskania wartości w jednostkach bezwzględnych przy użyciu detektora termoelektrycznego Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 i lustra dielektrycznego zamontowanego w miejscu próbki. Skup wiązkę na celu za pomocą soczewki (powłoka antyodblaskowa przy \(1,06 \upmu \text {m}\), ogniskowej \(160~\text {mm}\)) i szerokości wiązki na powierzchni docelowej 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schemat funkcjonalny układu eksperymentalnego: 1 — laser; 2 — wiązka laserowa; 3 — filtr o neutralnej gęstości; 4 — fotodioda synchronizowana; 5 — rozdzielacz wiązki; 6 — przysłona; 7 — kalorymetr wiązki padającej; 8 — kalorymetr wiązki odbitej; 9 — miernik mocy wiązki padającej; 10 — miernik mocy wiązki odbitej; 11 — soczewka skupiająca; 12 — lustro; 13 — próbka; 14 — szerokopasmowy przetwornik piezoelektryczny; 15 — przetwornik 2D; 16 — mikrokontroler pozycjonujący; 17 — jednostka synchronizująca; 18 — wielokanałowy cyfrowy system akwizycji danych o różnych częstotliwościach próbkowania; 19 — komputer osobisty.
Obróbka ultradźwiękowa jest przeprowadzana w następujący sposób. Laser pracuje w trybie swobodnym; w związku z tym czas trwania impulsu laserowego wynosi \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), co składa się z wielu czasów trwania wynoszących w przybliżeniu \(1,5~\upmu \text {s } \) każdy. Kształt czasowy impulsu laserowego i jego widmo składają się z obwiedni niskiej częstotliwości i modulacji wysokiej częstotliwości, ze średnią częstotliwością około \(0,7~\text {MHz}\), jak pokazano na rysunku 2. - Obwiednia częstotliwości zapewnia ogrzewanie, a następnie topienie i parowanie materiału, podczas gdy składowa wysokiej częstotliwości zapewnia drgania ultradźwiękowe ze względu na efekt fotoakustyczny. Kształt fali impulsu ultradźwiękowego generowanego przez laser jest głównie określany przez kształt czasowy intensywności impulsu laserowego. Częstotliwość wynosi od \(7~\text {kHz}\) do \ (2~\text {MHz}\), a częstotliwość środkowa wynosi \(~ 0,7~\text {MHz}\). Impulsy akustyczne powstające w wyniku efektu fotoakustycznego rejestrowano za pomocą szerokopasmowych przetworników piezoelektrycznych wykonanych z folii z polifluorku winylidenu. Zarejestrowany przebieg i jego widmo przedstawiono na rysunku 2. Należy zauważyć, że kształt impulsów laserowych jest typowy dla lasera o swobodnym trybie pracy.
Rozkład czasowy intensywności impulsu laserowego (a) i prędkości dźwięku na tylnej powierzchni próbki (b), widma impulsu laserowego (c) i impulsu ultradźwiękowego (d) uśrednione dla 300 impulsów laserowych (czerwona krzywa) dla pojedynczego impulsu laserowego (niebieska krzywa).
Możemy wyraźnie rozróżnić składowe niskiej i wysokiej częstotliwości obróbki akustycznej odpowiadające odpowiednio obwiedni niskiej częstotliwości impulsu laserowego i modulacji wysokiej częstotliwości. Długości fal akustycznych generowanych przez obwiednię impulsu laserowego przekraczają \(40~\text {cm}\); w związku z tym oczekuje się głównego wpływu szerokopasmowych składowych wysokiej częstotliwości sygnału akustycznego na mikrostrukturę.
Procesy fizyczne w SLM są złożone i zachodzą jednocześnie w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Dlatego metody wieloskalowe są najbardziej odpowiednie do analizy teoretycznej SLM. Modele matematyczne powinny być początkowo wielofizyczne. Dzięki temu możliwe będzie efektywne opisanie mechaniki i termofizyki ośrodka wielofazowego „stopu ciało stałe-ciecz” oddziałującego z atmosferą gazu obojętnego. Charakterystyki obciążeń cieplnych materiałów w SLM są następujące.
Szybkość nagrzewania i chłodzenia do \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ dzięki lokalnemu napromieniowaniu laserowemu o gęstości mocy do \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Cykl topienia i krzepnięcia trwa od 1 do \(10~\text {ms}\), co przyczynia się do szybkiego krzepnięcia strefy topnienia podczas chłodzenia.
Szybkie nagrzewanie powierzchni próbki powoduje powstawanie wysokich naprężeń termosprężystych w warstwie powierzchniowej. Wystarczająca część (do 20%) warstwy proszku ulega silnemu odparowaniu63, co powoduje dodatkowe obciążenie ciśnieniowe powierzchni w odpowiedzi na ablację laserową. W rezultacie indukowane odkształcenia znacząco zniekształcają geometrię części, zwłaszcza w pobliżu podpór i cienkich elementów konstrukcyjnych. Wysoka szybkość nagrzewania podczas impulsowego wyżarzania laserowego powoduje powstawanie ultradźwiękowych fal odkształcenia, które rozchodzą się od powierzchni do podłoża. Aby uzyskać dokładne dane ilościowe dotyczące lokalnego rozkładu naprężeń i odkształceń, przeprowadzono mezoskopową symulację problemu odkształcenia sprężystego sprzężonego z przenoszeniem ciepła i masy.
Równania rządzące modelem obejmują (1) niestacjonarne równania przenoszenia ciepła, w których przewodność cieplna zależy od stanu fazowego (proszek, stop, polikrystaliczny) i temperatury, (2) fluktuacje odkształcenia sprężystego po ciągłej ablacji i równanie rozszerzalności termoelastycznej. Problem wartości brzegowych jest określany przez warunki eksperymentalne. Modulowany strumień laserowy jest definiowany na powierzchni próbki. Chłodzenie konwekcyjne obejmuje wymianę ciepła przewodzącego i strumień parowania. Strumień masy jest definiowany na podstawie obliczenia ciśnienia pary nasyconej odparowującego materiału. Stosowana jest zależność naprężenie-odkształcenie elastoplastyczne, w której naprężenie termoelastyczne jest proporcjonalne do różnicy temperatur. Dla mocy znamionowej \(300~\text {W}\), częstotliwości \(10^5~\text {Hz}\), współczynnika przerywanego 100 i \(200~\upmu \text {m}\ ) efektywnej średnicy wiązki.
Rysunek 3 przedstawia wyniki symulacji numerycznej strefy stopionej przy użyciu makroskopowego modelu matematycznego. Średnica strefy stopienia wynosi \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) promień) i \(40~\upmu \text {m}\) głębokość. Wyniki symulacji pokazują, że temperatura powierzchni zmienia się lokalnie w czasie w zakresie \(100~\text {K}\) ze względu na wysoki współczynnik przerywany modulacji impulsowej. Szybkości nagrzewania \(V_h\) i chłodzenia \(V_c\) są rzędu \(10^7\) i \(10^6~\text {K}/\text {s}\), odpowiednio. Wartości te są w dobrej zgodzie z naszą poprzednią analizą64. Różnica rzędu wielkości między \(V_h\) i \(V_c\) powoduje szybkie przegrzanie warstwy powierzchniowej, gdzie przewodzenie ciepła do podłoża jest niewystarczające do usunięcia ciepła. Dlatego przy temperaturze \(t=26~\upmu \text {s}\) temperatura powierzchni osiąga wartość \(4800~\text {K}\). Gwałtowne parowanie materiału może spowodować, że powierzchnia próbki zostanie poddana nadmiernemu ciśnieniu i oderwie się.
Wyniki symulacji numerycznej strefy topnienia pojedynczego impulsu laserowego wyżarzania na płytce próbki 316L. Czas od początku impulsu do osiągnięcia maksymalnej wartości przez głębokość jeziorka stopionego materiału wynosi \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma \(T = T_L = 1723~\text {K}\) stanowi granicę między fazą ciekłą i stałą. Izobary (żółte linie) odpowiadają granicy plastyczności obliczonej jako funkcja temperatury w następnej sekcji. Dlatego w obszarze między dwiema izoliniami (izotermami \(T=T_L\) i izobarami \(\sigma =\sigma _V(T)\)) faza stała poddawana jest silnym obciążeniom mechanicznym, które mogą prowadzić do zmian w mikrostrukturze.
Efekt ten jest dokładniej wyjaśniony na rysunku 4a, gdzie poziom ciśnienia w strefie stopionej jest przedstawiony jako funkcja czasu i odległości od powierzchni. Po pierwsze, zachowanie ciśnienia jest związane z modulacją intensywności impulsu laserowego opisaną na rysunku 2 powyżej. Maksymalne ciśnienie \text{s}\) wynoszące około \(10~\text {MPa}\) zaobserwowano przy około \(t=26~\upmu). Po drugie, fluktuacja lokalnego ciśnienia w punkcie kontrolnym ma takie same charakterystyki oscylacji jak częstotliwość \(500~\text {kHz}\). Oznacza to, że ultradźwiękowe fale ciśnienia są generowane na powierzchni, a następnie rozprzestrzeniają się w podłożu.
Obliczone charakterystyki strefy odkształcenia w pobliżu strefy topnienia pokazano na rys. 4b. Ablacja laserowa i naprężenia termosprężyste generują fale odkształcenia sprężystego, które rozchodzą się w podłożu. Jak widać na rysunku, występują dwa etapy generowania naprężeń. Podczas pierwszej fazy \(t < 40~\upmu \text {s}\), naprężenie Misesa wzrasta do \(8~\text {MPa}\) z modulacją podobną do ciśnienia powierzchniowego. Naprężenie to występuje z powodu ablacji laserowej, a w punktach kontrolnych nie zaobserwowano naprężeń termosprężystych, ponieważ początkowa strefa wpływu ciepła była zbyt mała. Gdy ciepło jest rozpraszane w podłożu, punkt kontrolny generuje wysokie naprężenia termosprężyste powyżej \(40~\text {MPa}\).
Otrzymane modulowane poziomy naprężeń mają znaczący wpływ na interfejs ciało stałe-ciecz i mogą stanowić mechanizm kontrolny regulujący ścieżkę krzepnięcia. Rozmiar strefy odkształcenia jest 2 do 3 razy większy od rozmiaru strefy topnienia. Jak pokazano na rysunku 3, porównywano położenie izotermy topnienia i poziom naprężeń równy granicy plastyczności. Oznacza to, że impulsowe napromieniowanie laserowe zapewnia wysokie obciążenia mechaniczne w zlokalizowanych obszarach o efektywnej średnicy od 300 do \(800~\upmu \text {m}\) w zależności od chwilowego czasu.
Zatem złożona modulacja impulsowego wyżarzania laserowego prowadzi do efektu ultradźwiękowego. Ścieżka wyboru mikrostruktury jest inna w porównaniu do SLM bez obciążenia ultradźwiękowego. Zdeformowane niestabilne obszary prowadzą do okresowych cykli ściskania i rozciągania w fazie stałej. Dzięki temu możliwe staje się tworzenie nowych granic ziaren i granic podziarnowych. Dzięki temu właściwości mikrostrukturalne można celowo zmieniać, jak pokazano poniżej. Uzyskane wnioski umożliwiają zaprojektowanie prototypu SLM sterowanego ultradźwiękami indukowanymi impulsową modulacją. W tym przypadku można wykluczyć piezoelektryczny induktor 26 użyty gdzie indziej.
(a) Ciśnienie jako funkcja czasu, obliczone w różnych odległościach od powierzchni 0, 20 i \(40~\upmu \text {m}\) wzdłuż osi symetrii.(b) Naprężenie von Misesa zależne od czasu obliczone w macierzy bryły w odległościach 70, 120 i \(170~\upmu \text {m}\) od powierzchni próbki.
Eksperymenty przeprowadzono na płytkach ze stali nierdzewnej AISI 321H o wymiarach \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Po każdym impulsie laserowym płytka przesuwa się \(50~\upmu \text {m}\), a szerokość wiązki laserowej na powierzchni docelowej wynosi około \(100~\upmu \text {m}\). Wykonano do pięciu kolejnych przejść wiązki wzdłuż tej samej ścieżki, aby wywołać ponowne przetopienie obrabianego materiału w celu rozdrobnienia ziarna. We wszystkich przypadkach strefa przetopiona została poddana działaniu ultradźwięków, w zależności od składowej oscylacyjnej promieniowania laserowego. W rezultacie uzyskano ponad 5-krotne zmniejszenie średniej powierzchni ziarna. Rysunek 5 pokazuje, jak mikrostruktura obszaru przetopionego laserowo zmienia się wraz z liczbą kolejnych cykli przetopu (przejściami).
Podwykresy (a, d, g, j) i (b, e, h, k) – mikrostruktura obszarów topionych laserowo, podwykresy (c, f, i, l) – rozkład powierzchniowy kolorowych ziaren. Cieniowanie przedstawia cząstki użyte do obliczenia histogramu. Kolory odpowiadają obszarom ziaren (patrz pasek kolorów u góry histogramu). Podwykresy (ac) odpowiadają nieobrobionej stali nierdzewnej, a podwykresy (df), (gi), (jl) odpowiadają 1, 3 i 5 przetopom.
Ponieważ energia impulsu laserowego nie zmienia się pomiędzy kolejnymi przejściami, głębokość strefy stopionej jest taka sama. W związku z tym kolejny kanał całkowicie „pokrywa” poprzedni. Jednak histogram pokazuje, że średnia i medianowa powierzchnia ziarna zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby przejść. Może to wskazywać, że laser działa na podłoże, a nie na stop.
Rafinacja ziarna może być spowodowana szybkim chłodzeniem jeziorka stopionego metalu65. Przeprowadzono kolejną serię eksperymentów, w których powierzchnie płyt ze stali nierdzewnej (321H i 316L) wystawiono na działanie ciągłego promieniowania laserowego w atmosferze (rys. 6) i próżni (rys. 7). Średnia moc lasera (odpowiednio 300 W i 100 W) i głębokość jeziorka stopionego metalu są zbliżone do wyników eksperymentalnych lasera Nd:YAG w trybie swobodnym. Zaobserwowano jednak typową strukturę kolumnową.
Mikrostruktura obszaru stopionego laserowo lasera o fali ciągłej (moc stała 300 W, prędkość skanowania 200 mm/s, stal nierdzewna AISI 321H).
(a) Mikrostruktura i (b) obrazy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych dla obszaru stopionego laserowo w próżni za pomocą lasera o fali ciągłej (moc stała 100 W, prędkość skanowania 200 mm/s, stal nierdzewna AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Dlatego wyraźnie pokazano, że złożona modulacja intensywności impulsu laserowego ma znaczący wpływ na powstałą mikrostrukturę. Uważamy, że ten efekt ma charakter mechaniczny i występuje ze względu na generowanie drgań ultradźwiękowych rozchodzących się od napromieniowanej powierzchni stopu głęboko w próbce. Podobne wyniki uzyskano w 13, 26, 34, 66, 67 przy użyciu zewnętrznych przetworników piezoelektrycznych i sonotrod zapewniających ultradźwięki o wysokiej intensywności w różnych materiałach, w tym stopie Ti-6Al-4V 26 i stali nierdzewnej 34 w wyniku. Możliwy mechanizm jest spekulowany w następujący sposób. Intensywne ultradźwięki mogą powodować kawitację akustyczną, co wykazano w ultraszybkim obrazowaniu rentgenowskim in situ synchrotronowym. Zapadnięcie się pęcherzyków kawitacyjnych z kolei generuje fale uderzeniowe w stopionym materiale, których ciśnienie czołowe osiąga około \(100~\text {MPa}\)69. Takie fale uderzeniowe mogą być wystarczająco silne, aby sprzyjać tworzeniu się jąder fazy stałej o krytycznej wielkości w masie ciecze, zakłócając typową kolumnową strukturę ziaren charakterystyczną dla produkcji addytywnej warstwa po warstwie.
Tutaj proponujemy inny mechanizm odpowiedzialny za modyfikację strukturalną poprzez intensywną sonikację. Bezpośrednio po zestaleniu materiał ma wysoką temperaturę bliską temperatury topnienia i ma wyjątkowo niską granicę plastyczności. Intensywne fale ultradźwiękowe mogą powodować płynięcie plastyczne zmieniające strukturę ziaren gorącego, właśnie zestalonego materiału. Jednakże wiarygodne dane eksperymentalne dotyczące zależności temperatury od granicy plastyczności są dostępne przy \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (patrz Rysunek 8). Dlatego, aby przetestować tę hipotezę, przeprowadziliśmy symulacje dynamiki molekularnej (MD) składu Fe-Cr-Ni podobnego do stali AISI 316 L w celu oceny zachowania granicy plastyczności w pobliżu temperatury topnienia. Aby obliczyć granicę plastyczności, zastosowaliśmy technikę relaksacji naprężeń ścinających MD szczegółowo opisaną w 70, 71, 72, 73. Do obliczeń oddziaływań międzyatomowych zastosowaliśmy osadzony model atomowy (EAM) z 74. Symulacje MD przeprowadzono przy użyciu kodów LAMMPS 75,76.Szczegóły symulacji MD zostaną opublikowane w innym miejscu. Wyniki obliczeń MD naprężenia plastycznego w funkcji temperatury przedstawiono na rys. 8 wraz z dostępnymi danymi eksperymentalnymi i innymi ocenami77,78,79,80,81,82.
Granica plastyczności dla stali nierdzewnej austenitycznej klasy AISI 316 i skład modelu w funkcji temperatury dla symulacji MD. Pomiary eksperymentalne z pozycji literaturowych: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. patrz. (f)82 to empiryczny model zależności granicy plastyczności od temperatury dla pomiaru naprężeń w trakcie produkcji addytywnej wspomaganej laserowo. Wyniki symulacji MD na dużą skalę w tym badaniu oznaczono jako \(\vartriangleleft\) dla nieskończonego monokryształu bez defektów i \(\vartriangleright\) dla ziaren skończonych, biorąc pod uwagę średni rozmiar ziarna poprzez relację Halla-Petcha Wymiary\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Można zauważyć, że przy temperaturze \(T>1500~\text {K}\) granica plastyczności spada poniżej \(40~\text {MPa}\). Z drugiej strony szacunki przewidują, że amplituda ultradźwięków generowanych przez laser przekracza \(40~\text {MPa}\) (patrz rys. 4b), co jest wystarczające do wywołania płynięcia plastycznego w gorącym, właśnie zestalonym materiale.
Badania eksperymentalne nad mikrostrukturą stali nierdzewnej austenitycznej 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) przeprowadzono w procesie SLM, wykorzystując złożone źródło lasera impulsowego o modulacji intensywności.
W strefie topienia laserowego stwierdzono zmniejszenie wielkości ziarna na skutek ciągłego przetapiania laserowego po 1, 3 lub 5 przejściach.
Makroskopowe modelowanie pokazuje, że szacowany rozmiar obszaru, w którym odkształcenie ultradźwiękowe może pozytywnie wpłynąć na front krzepnięcia, wynosi aż \(1~\text {mm}\).
Mikroskopowy model MD pokazuje, że granica plastyczności austenitycznej stali nierdzewnej AISI 316 ulega znacznemu zmniejszeniu do \(40~\text {MPa}\) w pobliżu temperatury topnienia.
Uzyskane wyniki sugerują metodę sterowania mikrostrukturą materiałów przy wykorzystaniu złożonej modulowanej obróbki laserowej i mogą stanowić podstawę do opracowania nowych modyfikacji impulsowej techniki SLM.
Liu, Y. i in. Ewolucja mikrostrukturalna i właściwości mechaniczne kompozytów TiB2/AlSi10Mg in situ metodą selektywnego topienia laserowego [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. i in. Inżynieria granic ziaren rekrystalizacji w procesie selektywnego topienia laserowego stali nierdzewnej 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. i Qiu, C. Rozwój in situ mikrostruktur warstwowych o zwiększonej ciągliwości poprzez laserowe podgrzewanie stopów tytanu topionych laserowo.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. i in. Produkcja addytywna części Ti-6Al-4V metodą laserowego osadzania metali (LMD): proces, mikrostruktura i właściwości mechaniczne. J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. i in. Modelowanie mikrostrukturalne osadzania energii laserowej proszku metalu ze stopu 718. Dodaj do manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. i in. Badanie parametrycznego obrazowania krawędzi Bragga neutronów w próbkach wytwarzanych metodą addytywną poddanych obróbce metodą śrutowania laserowego. Science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. i in. Mikrostruktura gradientowa i właściwości mechaniczne Ti-6Al-4V wytwarzanego addytywnie metodą topienia wiązką elektronów. Czasopismo Alma Mater. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).