Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, vom afișa site-ul fără stiluri și JavaScript.
Se propune un nou mecanism bazat pe topirea selectivă cu laser pentru controlul microstructurii produselor în procesul de fabricație. Mecanismul se bazează pe generarea de unde ultrasonice de mare intensitate în baia de topit prin iradiere laser complexă cu intensitate modulată. Studiile experimentale și simulările numerice arată că acest mecanism de control este fezabil din punct de vedere tehnic și poate fi integrat eficient în proiectarea mașinilor moderne de topire selectivă cu laser.
Fabricația aditivă (AM) a pieselor cu forme complexe a crescut semnificativ în ultimele decenii. Cu toate acestea, în ciuda varietății proceselor de fabricație aditivă, inclusiv topirea selectivă cu laser (SLM)1,2,3, depunerea directă de metal cu laser4,5,6, topirea cu fascicul de electroni7,8 și altele9,10, piesele pot fi defecte. Acest lucru se datorează în principal caracteristicilor specifice ale procesului de solidificare în baie topită, asociate cu gradienți termici ridicați, rate mari de răcire și complexității ciclurilor de încălzire în topirea și retopirea materialului11, care duc la creșterea epitaxială a granulelor și la o porozitate semnificativă12,13.13 a arătat că este necesar să se controleze gradienții termici, ratele de răcire și compoziția aliajului sau să se aplice șocuri fizice suplimentare prin câmpuri externe cu diverse proprietăți, cum ar fi ultrasunetele, pentru a obține structuri fine echiaxiale ale granulelor.
Numeroase publicații se ocupă de efectul tratamentului prin vibrații asupra procesului de solidificare în procesele convenționale de turnare14,15. Cu toate acestea, aplicarea unui câmp extern la o topitură în vrac nu produce microstructura materialului dorită. Dacă volumul fazei lichide este mic, situația se schimbă dramatic. În acest caz, câmpul extern afectează semnificativ procesul de solidificare. Au fost luate în considerare câmpuri sonore intense16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitarea cu arc28 și oscilația29, efectele electromagnetice în timpul arcurilor de plasmă pulsate30,31 și alte metode32. Atașați la substrat folosind o sursă externă de ultrasunete de mare intensitate (la 20 kHz). Rafinarea granulară indusă de ultrasunete este atribuită zonei de subrăcire constitutivă crescute datorită gradientului de temperatură redus și amplificării ultrasunetelor pentru a genera noi cristalite prin cavitație.
În această lucrare, am investigat posibilitatea modificării structurii granulare a oțelurilor inoxidabile austenitice prin sonicizarea bazinului topit cu unde sonore generate chiar de laserul de topire. Modularea intensității radiației laser incidente pe mediul de absorbție a luminii are ca rezultat generarea de unde ultrasonice, care modifică microstructura materialului. Această modulare a intensității radiației laser poate fi integrată cu ușurință în imprimantele 3D SLM existente. Experimentele din această lucrare au fost efectuate pe plăci de oțel inoxidabil ale căror suprafețe au fost expuse la radiații laser cu intensitate modulată. Deci, din punct de vedere tehnic, se efectuează un tratament de suprafață cu laser. Cu toate acestea, dacă un astfel de tratament cu laser este efectuat pe suprafața fiecărui strat, în timpul acumulării strat cu strat, se obțin efecte asupra întregului volum sau asupra unor părți selectate ale volumului. Cu alte cuvinte, dacă piesa este construită strat cu strat, tratamentul de suprafață cu laser al fiecărui strat este echivalent cu „tratamentul volumului cu laser”.
Întrucât în ​​terapia cu ultrasunete bazată pe corn ultrasonic, energia ultrasonică a undei sonore staționare este distribuită în întreaga componentă, în timp ce intensitatea ultrasonică indusă de laser este puternic concentrată în apropierea punctului în care radiația laser este absorbită. Utilizarea unui sonotrod într-o mașină de fuziune cu pat de pulbere SLM este complicată deoarece suprafața superioară a patului de pulbere expus radiației laser ar trebui să rămână staționară. În plus, nu există solicitări mecanice pe suprafața superioară a piesei. Prin urmare, solicitarea acustică este aproape de zero, iar viteza particulelor are o amplitudine maximă pe întreaga suprafață superioară a piesei. Presiunea sonoră din interiorul întregii băi topite nu poate depăși 0,1% din presiunea maximă generată de capul de sudură, deoarece lungimea de undă a undelor ultrasonice cu o frecvență de 20 kHz în oțel inoxidabil este \(\sim 0.3~\text {m}\), iar adâncimea este de obicei mai mică de \(\sim 0.3~\text {mm}\). Prin urmare, efectul ultrasunetelor asupra cavitației poate fi mic.
Trebuie menționat că utilizarea radiației laser cu intensitate modulată în depunerea directă de metale cu laser este un domeniu activ de cercetare35,36,37,38.
Efectele termice ale radiației laser incidente asupra mediului stau la baza aproape tuturor tehnicilor laser de prelucrare a materialelor 39, 40, cum ar fi tăierea 41, sudarea, călirea, găurirea 42, curățarea suprafețelor, alierea suprafețelor, lustruirea suprafețelor 43 etc. Tehnologia de prelucrare a materialelor și rezultatele preliminare sintetizate în numeroase recenzii și monografii 44, 45, 46.
Trebuie menționat că orice acțiune nestaționară asupra mediului, inclusiv acțiunea laser asupra mediului absorbant, are ca rezultat excitarea undelor acustice în acesta cu o eficiență mai mare sau mai mică. Inițial, accentul principal a fost pus pe excitația laser a undelor în lichide și pe diversele mecanisme de excitație termică a sunetului (expansiune termică, evaporare, schimbare de volum în timpul tranziției de fază, contracție etc.) 47, 48, 49. Numeroase monografii 50, 51, 52 oferă analize teoretice ale acestui proces și ale posibilelor sale aplicații practice.
Aceste probleme au fost ulterior discutate la diverse conferințe, iar excitația cu laser a ultrasunetelor are aplicații atât în ​​aplicațiile industriale ale tehnologiei laser53, cât și în medicină54. Prin urmare, se poate considera că a fost stabilit conceptul de bază al procesului prin care lumina laser pulsată acționează asupra unui mediu absorbant. Inspecția cu ultrasunete laser este utilizată pentru detectarea defectelor probelor fabricate prin SLM55,56.
Efectul undelor de șoc generate de laser asupra materialelor stă la baza ciocănirii cu laser57,58,59, care este utilizată și pentru tratarea suprafeței pieselor fabricate aditiv60. Cu toate acestea, întărirea prin șoc laser este cea mai eficientă pe impulsurile laser de nanosecunde și pe suprafețele încărcate mecanic (de exemplu, cu un strat de lichid)59, deoarece încărcarea mecanică crește presiunea de vârf.
Au fost efectuate experimente pentru a investiga posibilele efecte ale diferitelor câmpuri fizice asupra microstructurii materialelor solidificate. Diagrama funcțională a configurației experimentale este prezentată în Figura 1. S-a utilizat un laser Nd:YAG în stare solidă pulsat care funcționează în modul de funcționare liberă (durata impulsului \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Fiecare impuls laser este trecut printr-o serie de filtre cu densitate neutră și un sistem de plăci divizate. În funcție de combinația de filtre cu densitate neutră, energia impulsului pe țintă variază de la \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) la \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Fasciculul laser reflectat de divizorul de fascicul este alimentat de o fotodiodă pentru achiziție simultană de date, iar două calorimetre (fotodiode cu un timp de răspuns lung care depășește \(1~\text {ms}\)) sunt utilizate pentru a determina radiația incidentă și reflectată de țintă, și două contoare de putere (fotodiode cu răspuns scurt) ori\(<10~\text {ns}\)) pentru a determina puterea optică incidentă și reflectată. Calorimetrele și contoarele de putere au fost calibrate pentru a da valori în unități absolute utilizând un detector cu termopilă Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 și o oglindă dielectrică montată la locația probei. Focalizarea fasciculului pe țintă utilizând o lentilă (strat antireflexie la \(1,06 \upmu \text {m}\), distanță focală \(160~\text {mm}\)) și o lungime a fasciculului la suprafața țintei de 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schema funcțională a configurației experimentale: 1—laser; 2—fascicul laser; 3—filtru cu densitate neutră; 4—fotodiodă sincronizată; 5—divizor de fascicul; 6—diafragmă; 7—calorimetru pentru fasciculul incident; 8 – calorimetru pentru fasciculul reflectat; 9 – contor de putere pentru fasciculul incident; 10 – contor de putere pentru fasciculul reflectat; 11 – lentilă de focalizare; 12 – oglindă; 13 – probă; 14 – traductor piezoelectric de bandă largă; 15 – convertor 2D; 16 – microcontroler de poziționare; 17 – unitate de sincronizare; 18 – sistem de achiziție digitală multicanal cu diferite rate de eșantionare; 19 – computer personal.
Tratamentul cu ultrasunete se efectuează după cum urmează. Laserul funcționează în modul de funcționare liberă; prin urmare, durata impulsului laser este \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), care constă în durate multiple de aproximativ \(1.5~\upmu \text {s} \) fiecare. Forma temporală a impulsului laser și spectrul său constau dintr-o anvelopă de joasă frecvență și o modulație de înaltă frecvență, cu o frecvență medie de aproximativ \(0.7~\text {MHz}\), așa cum se arată în Figura 2. - Anvelopa de frecvență asigură încălzirea și topirea și evaporarea ulterioară a materialului, în timp ce componenta de înaltă frecvență asigură vibrațiile ultrasonice datorate efectului fotoacustic. Forma de undă a impulsului ultrasonic generat de laser este determinată în principal de forma temporală a intensității impulsului laser. Este de la \(7~\text {kHz}\) la \(2~\text {MHz}\), iar frecvența centrală este \(~ 0,7~\text {MHz}\). Impulsurile acustice datorate efectului fotoacustic au fost înregistrate folosind traductoare piezoelectrice în bandă largă realizate din pelicule de fluorură de poliviniliden. Forma de undă înregistrată și spectrul acesteia sunt prezentate în Figura 2. Trebuie menționat că forma impulsurilor laser este tipică unui laser în mod liber.
Distribuția temporală a intensității impulsului laser (a) și a vitezei sunetului (b) pe suprafața din spate a probei, spectrele (curba albastră) ale unui singur impuls laser (c) și ale unui impuls cu ultrasunete (d) mediate pe 300 de impulsuri laser (curba roșie).
Putem distinge clar componentele de joasă și înaltă frecvență ale tratamentului acustic corespunzătoare anvelopei de joasă frecvență a impulsului laser și, respectiv, modulației de înaltă frecvență. Lungimile de undă ale undelor acustice generate de anvelopa impulsului laser depășesc \(40~\text {cm}\); prin urmare, este de așteptat efectul principal al componentelor de înaltă frecvență în bandă largă ale semnalului acustic asupra microstructurii.
Procesele fizice din SLM sunt complexe și au loc simultan la diferite scări spațiale și temporale. Prin urmare, metodele multi-scală sunt cele mai potrivite pentru analiza teoretică a SLM. Modelele matematice ar trebui inițial să fie multi-fizice. Mecanica și termofizica unui mediu multifazic „topită solid-lichid” care interacționează cu o atmosferă de gaz inert pot fi apoi descrise eficient. Caracteristicile încărcărilor termice ale materialelor în SLM sunt următoarele.
Viteze de încălzire și răcire de până la \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ datorită iradierii laser localizate cu densități de putere de până la \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ciclul de topire-solidificare durează între 1 și \(10~\text {ms}\), ceea ce contribuie la solidificarea rapidă a zonei de topire în timpul răcirii.
Încălzirea rapidă a suprafeței probei duce la formarea unor tensiuni termoelastice ridicate în stratul superficial. O porțiune suficientă (până la 20%) din stratul de pulbere este puternic evaporată63, ceea ce duce la o sarcină suplimentară de presiune asupra suprafeței ca răspuns la ablația cu laser. În consecință, deformarea indusă distorsionează semnificativ geometria piesei, în special în apropierea suporturilor și a elementelor structurale subțiri. Rata mare de încălzire în recoacerea cu laser pulsat are ca rezultat generarea de unde de deformare ultrasonică care se propagă de la suprafață la substrat. Pentru a obține date cantitative precise privind distribuția locală a tensiunii și deformării, se efectuează o simulare mezoscopică a problemei deformării elastice conjugate cu transferul de căldură și masă.
Ecuațiile care guvernează modelul includ (1) ecuații de transfer termic instabil, unde conductivitatea termică depinde de starea de fază (pulbere, topitură, policristalină) și temperatură, (2) fluctuații ale deformării elastice după ablația continuă și ecuația de expansiune termoelastică. Problema valorii limită este determinată de condițiile experimentale. Fluxul laser modulat este definit pe suprafața probei. Răcirea convectivă include schimbul de căldură conductiv și fluxul evaporativ. Fluxul de masă este definit pe baza calculului presiunii de vapori saturați a materialului care se evaporă. Se utilizează relația elastoplastică tensiune-deformare, unde tensiunea termoelastică este proporțională cu diferența de temperatură. Pentru puterea nominală \(300~\text {W}\), frecvența \(10^5~\text {Hz}\), coeficientul intermitent 100 și \(200~\upmu \text {m}\) a diametrului efectiv al fasciculului.
Figura 3 prezintă rezultatele simulării numerice a zonei topite utilizând un model matematic macroscopic. Diametrul zonei de fuziune este de \(200~\upmu \text {m}\) (rază de \(100~\upmu \text {m}\)) și adâncime de \(40~\upmu \text {m}\). Rezultatele simulării arată că temperatura suprafeței variază local în timp cu \(100~\text {K}\) datorită factorului intermitent ridicat al modulației impulsurilor. Ratele de încălzire \(V_h\) și răcire \(V_c\) sunt de ordinul \(10^7\) și respectiv \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Aceste valori sunt în bună concordanță cu analiza noastră anterioară64. O diferență de ordin de mărime între \(V_h\) și \(V_c\) are ca rezultat o supraîncălzire rapidă a stratului de suprafață, unde conducția termică către substrat este insuficientă pentru a elimina căldura. Prin urmare, la \(t=26~\upmu \text {s}\) temperatura suprafeței atinge vârfuri de până la \(4800~\text {K}\). Evaporarea puternică a materialului poate face ca suprafața probei să fie supusă unei presiuni excesive și să se dezlipească.
Rezultatele simulării numerice a zonei de topire a recoacerii cu un singur impuls laser pe o placă de probă 316L. Timpul de la începutul impulsului până la atingerea valorii maxime în adâncimea băii topite este \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma \(T = T_L = 1723~\text {K}\) reprezintă limita dintre fazele lichidă și solidă. Izobarele (liniile galbene) corespund tensiunii de curgere calculate în funcție de temperatură în secțiunea următoare. Prin urmare, în domeniul dintre cele două izolinii (izoterme \(T=T_L\) și izobare \(\sigma =\sigma _V(T)\)), faza solidă este supusă unor sarcini mecanice puternice, ceea ce poate duce la modificări ale microstructurii.
Acest efect este explicat în continuare în Figura 4a, unde nivelul presiunii din zona topită este reprezentat grafic în funcție de timp și distanță față de suprafață. În primul rând, comportamentul presiunii este legat de modularea intensității impulsului laser descrisă în Figura 2 de mai sus. O presiune maximă s de aproximativ 10 MPa a fost observată la aproximativ t=26 μm. În al doilea rând, fluctuația presiunii locale în punctul de control are aceleași caracteristici de oscilație ca și frecvența de 500 kHz. Aceasta înseamnă că undele de presiune ultrasonice sunt generate la suprafață și apoi se propagă în substrat.
Caracteristicile calculate ale zonei de deformare din apropierea zonei de topire sunt prezentate în Fig. 4b. Ablația cu laser și tensiunea termoelastică generează unde de deformare elastică care se propagă în substrat. După cum se poate observa din figură, există două etape de generare a tensiunii. În prima fază de \(t < 40~\upmu \text {s}\), tensiunea Mises crește la \(8~\text {MPa}\) cu o modulație similară presiunii superficiale. Această tensiune apare datorită ablației cu laser și nu s-a observat nicio tensiune termoelastică în punctele de control, deoarece zona inițială afectată termic era prea mică. Când căldura este disipată în substrat, punctul de control generează o tensiune termoelastică ridicată peste \(40~\text {MPa}\).
Nivelurile de tensiune modulate obținute au un impact semnificativ asupra interfeței solid-lichid și pot fi mecanismul de control care guvernează traiectoria de solidificare. Dimensiunea zonei de deformare este de 2 până la 3 ori mai mare decât cea a zonei de topire. După cum se arată în Figura 3, sunt comparate locația izotermei de topire și nivelul de tensiune egal cu tensiunea de curgere. Aceasta înseamnă că iradierea cu laser pulsat furnizează sarcini mecanice mari în zone localizate cu un diametru efectiv între 300 și \(800~\upmu \text {m}\) în funcție de timpul instantaneu.
Prin urmare, modularea complexă a recoacerii cu laser pulsat duce la efectul ultrasonic. Calea de selecție a microstructurii este diferită în comparație cu SLM fără încărcare ultrasonică. Regiunile instabile deformate duc la cicluri periodice de compresie și întindere în faza solidă. Astfel, formarea de noi limite de granule și limite de subgranule devine fezabilă. Prin urmare, proprietățile microstructurale pot fi modificate intenționat, așa cum se arată mai jos. Concluziile obținute oferă posibilitatea de a proiecta un prototip SLM acționat de ultrasunete indus de modulația impulsurilor. În acest caz, inductorul piezoelectric 26 utilizat în altă parte poate fi exclus.
(a) Presiunea în funcție de timp, calculată la diferite distanțe față de suprafața 0, 20 și \(40~\upmu \text {m}\) de-a lungul axei de simetrie. (b) Tensiunea Von Mises dependentă de timp, calculată într-o matrice solidă la distanțe 70, 120 și \(170~\upmu \text {m}\) față de suprafața probei.
Experimentele au fost efectuate pe plăci de oțel inoxidabil AISI 321H cu dimensiunile \(20 × 20 × 5 ~ mm \). După fiecare impuls laser, placa se mișcă \(50 ~ \upmu \text {m} \), iar lungimea fasciculului laser pe suprafața țintă este de aproximativ \(100 ~ \upmu \text {m} \). Se efectuează până la cinci treceri ulterioare ale fasciculului de-a lungul aceleiași piste pentru a induce retopirea materialului procesat pentru rafinarea granulelor. În toate cazurile, zona retopită a fost sonicizată, în funcție de componenta oscilatorie a radiației laser. Acest lucru are ca rezultat o reducere de peste 5 ori a suprafeței medii a granulelor. Figura 5 arată cum se modifică microstructura regiunii topite cu laser odată cu numărul de cicluri (treceri) ulterioare de retopire.
Subdiagramele (a, d, g, j) și (b, e, h, k) – microstructura regiunilor topite cu laser, subdiagramele (c, f, i, l) – distribuția ariei granulelor colorate. Umbra reprezintă particulele utilizate pentru calcularea histogramei. Culorile corespund regiunilor granulelor (vezi bara de culori din partea superioară a histogramei). Subdiagramele (ac) corespund oțelului inoxidabil netratat, iar subdiagramele (df), (gi), (jl) corespund la 1, 3 și 5 retopituri.
Deoarece energia impulsului laser nu se modifică între trecerile ulterioare, adâncimea zonei topite este aceeași. Astfel, canalul ulterior îl „acoperă” complet pe cel precedent. Cu toate acestea, histograma arată că aria medie și mediană a granulelor scade odată cu creșterea numărului de treceri. Acest lucru poate indica faptul că laserul acționează asupra substratului și nu asupra topiturii.
Rafinarea granulelor poate fi cauzată de răcirea rapidă a băii de topit65. A fost efectuat un alt set de experimente în care suprafețele plăcilor de oțel inoxidabil (321H și 316L) au fost expuse la radiații laser cu undă continuă în atmosferă (Fig. 6) și în vid (Fig. 7). Puterea medie a laserului (300 W și, respectiv, 100 W) și adâncimea băii de topit sunt apropiate de rezultatele experimentale ale laserului Nd:YAG în modul de funcționare liberă. Cu toate acestea, s-a observat o structură columnară tipică.
Microstructura regiunii topite cu laser a unui laser cu undă continuă (putere constantă de 300 W, viteză de scanare de 200 mm/s, oțel inoxidabil AISI 321H).
(a) Microstructură și (b) imagine de difracție prin retrodifuzie a electronilor a zonei de topire a laserului cu undă continuă în vid (putere constantă 100 W, viteză de scanare 200 mm/s, oțel inoxidabil AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Prin urmare, se demonstrează clar că modularea complexă a intensității impulsului laser are un efect semnificativ asupra microstructurii rezultate. Credem că acest efect este de natură mecanică și apare datorită generării de vibrații ultrasonice care se propagă de la suprafața iradiată a topiturii adânc în probă. Rezultate similare au fost obținute în 13, 26, 34, 66, 67 utilizând traductoare piezoelectrice externe și sonotrode care furnizează ultrasunete de mare intensitate în diverse materiale, inclusiv aliajul Ti-6Al-4V 26 și oțelul inoxidabil 34, rezultatul fiind... Mecanismul posibil este speculat după cum urmează. Ultrasunetele intense pot provoca cavitație acustică, așa cum s-a demonstrat în imagistica cu raze X sincrotron in situ ultrarapidă. Colapsul bulelor de cavitație generează la rândul său unde de șoc în materialul topit, a cărui presiune frontală atinge aproximativ \(100~\text {MPa}\)69. Astfel de unde de șoc pot fi suficient de puternice pentru a promova formarea de nuclee în fază solidă de dimensiuni critice în lichidele vrac, perturbând structura tipică a granulelor columnare a... fabricație aditivă strat cu strat.
Aici, propunem un alt mecanism responsabil pentru modificarea structurală prin sonicare intensă. Materialul imediat după solidificare se află la o temperatură ridicată, aproape de punctul de topire, și are o tensiune de curgere extrem de scăzută. Undele ultrasonice intense pot determina curgerea plastică să modifice structura granulară a materialului fierbinte proaspăt solidificat. Cu toate acestea, date experimentale fiabile privind dependența de temperatură a tensiunii de curgere sunt disponibile la \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (vezi Figura 8). Prin urmare, pentru a testa ipoteza, am efectuat simulări de dinamică moleculară (MD) ale unei compoziții Fe-Cr-Ni similară cu oțelul AISI 316 L pentru a evalua comportamentul tensiunii de curgere în apropierea punctului de topire. Pentru a calcula tensiunea de curgere, am utilizat tehnica de relaxare a tensiunii de forfecare MD detaliată în 70, 71, 72, 73. Pentru calculele de interacțiune interatomică, am utilizat Modelul Atomic Încorporat (EAM) din 74. Simulările MD au fost efectuate folosind codurile LAMMPS 75,76. Detalii despre simularea MD vor fi publicate în altă parte. Rezultatele calculului MD al tensiunii de curgere în funcție de Temperatura este prezentată în Fig. 8 împreună cu datele experimentale disponibile și alte evaluări77,78,79,80,81,82.
Tensiune de curgere pentru oțel inoxidabil austenitic AISI gradul 316 și compoziția modelului în funcție de temperatură pentru simulările MD. Măsurători experimentale din referințele: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Vezi și. (f)82 este un model empiric al dependenței tensiunii de curgere-temperatură pentru măsurarea tensiunii în linie în timpul fabricației aditive asistate cu laser. Rezultatele simulării MD la scară largă din acest studiu sunt notate ca \(\vartriangleleft\) pentru un monocristal infinit fără defecte și \(\vartriangleright\) pentru granule finite, luând în considerare dimensiunea medie a granulelor prin relația Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Se poate observa că la \(T>1500~\text {K}\) tensiunea de curgere scade sub \(40~\text {MPa}\). Pe de altă parte, estimările prevăd că amplitudinea ultrasunetelor generate de laser depășește \(40~\text {MPa}\) (vezi Fig. 4b), ceea ce este suficient pentru a induce curgerea plastică în materialul fierbinte proaspăt solidificat.
Formarea microstructurii oțelului inoxidabil austenitic 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) în timpul SLM a fost investigată experimental utilizând o sursă laser pulsată cu intensitate modulată complexă.
Reducerea dimensiunii granulelor în zona de topire cu laser a fost constatată datorită retopirii continue cu laser după 1, 3 sau 5 treceri.
Modelarea macroscopică arată că dimensiunea estimată a regiunii în care deformarea ultrasonică poate afecta pozitiv frontul de solidificare este de până la \(1~\text {mm}\).
Modelul microscopic MD arată că rezistența la rupere a oțelului inoxidabil austenitic AISI 316 este redusă semnificativ la \(40~\text {MPa}\) în apropierea punctului de topire.
Rezultatele obținute sugerează o metodă de control al microstructurii materialelor utilizând procesare laser modulată complexă și ar putea servi drept bază pentru crearea de noi modificări ale tehnicii SLM pulsate.
Liu, Y. și colab. Evoluția microstructurală și proprietățile mecanice ale compozitelor in situ TiB2/AlSi10Mg prin topire selectivă cu laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. și colab. Ingineria limitelor de granule prin recristalizare a topirii selective cu laser a oțelului inoxidabil 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. și Qiu, C. Dezvoltarea in situ a microstructurilor sandwich cu ductilitate îmbunătățită prin reîncălzirea cu laser a aliajelor de titan topite cu laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. și colab. Fabricarea aditivă a pieselor Ti-6Al-4V prin depunere laser de metal (LMD): proces, microstructură și proprietăți mecanice. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. și colab. Modelare microstructurală a depunerii cu energie dirijată cu laser a pulberii metalice din aliajul 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. și colab. Studiu parametric de imagistică neutronică Bragg a marginilor probelor fabricate aditiv tratate prin cioplire cu șoc laser.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. și colab. Microstructura gradientului și proprietățile mecanice ale Ti-6Al-4V fabricat aditiv prin topire cu fascicul de electroni. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).