Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali izklopite način združljivosti v Internet Explorerju). Medtem bomo za zagotovitev nadaljnje podpore spletno mesto prikazali brez stilov in JavaScripta.
Predlagan je nov mehanizem, ki temelji na selektivnem laserskem taljenju za nadzor mikrostrukture izdelkov v proizvodnem procesu. Mehanizem temelji na generiranju visokointenzivnih ultrazvočnih valov v staljeni talini s kompleksnim laserskim obsevanjem z modulirano intenzivnostjo. Eksperimentalne študije in numerične simulacije kažejo, da je ta mehanizem nadzora tehnično izvedljiv in ga je mogoče učinkovito integrirati v zasnovo sodobnih strojev za selektivno lasersko taljenje.
Aditivna proizvodnja (AM) kompleksnih delov se je v zadnjih desetletjih znatno povečala. Vendar pa so lahko deli kljub raznolikosti postopkov aditivne proizvodnje, vključno s selektivnim laserskim taljenjem (SLM)1,2,3, direktnim laserskim nanašanjem kovin4,5,6, taljenjem z elektronskim žarkom7,8 in drugimi9,10, okvarjeni. To je predvsem posledica specifičnih značilnosti procesa strjevanja staljene talilne tekočine, povezanih z visokimi toplotnimi gradienti, visokimi hitrostmi ohlajanja in kompleksnostjo ogrevalnih ciklov pri taljenju in pretaljevanju materialov11, kar vodi do epitaksialne rasti zrn in znatne poroznosti12,13. Rezultati kažejo, da je treba nadzorovati toplotne gradiente, hitrosti ohlajanja in sestavo zlitine ali uporabiti dodatne fizikalne udarce z zunanjimi polji različnih lastnosti (npr. ultrazvok), da se dosežejo fine enakoosne strukture zrn.
Številne publikacije se ukvarjajo z vplivom vibracijske obdelave na proces strjevanja v konvencionalnih postopkih litja14,15. Vendar pa uporaba zunanjega polja na taline v razsutem stanju ne ustvari želene mikrostrukture materiala. Če je volumen tekoče faze majhen, se situacija dramatično spremeni. V tem primeru zunanje polje pomembno vpliva na proces strjevanja. Elektromagnetni učinki so bili upoštevani med intenzivnimi akustičnimi polji16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, mešanjem in nihanjem obloka28 in nihanjem29, pulzirajočimi plazemskimi obloki30,31 in drugimi metodami32. Pritrdite na podlago z uporabo zunanjega visokointenzivnega ultrazvočnega vira (pri 20 kHz). Ultrazvočno povzročeno prečiščevanje zrn se pripisuje povečanemu območju podhlajevanja sestave zaradi zmanjšanega temperaturnega gradienta in ultrazvočne okrepitve za ustvarjanje novih kristalitov s kavitacijo.
V tem delu smo raziskali možnost spreminjanja zrnate strukture avstenitnih nerjavnih jekel z ultrazvočno obdelavo staljene taline z zvočnimi valovi, ki jih ustvarja sam talilni laser. Modulacija intenzivnosti laserskega sevanja, ki pada na medij, ki absorbira svetlobo, povzroči nastanek ultrazvočnih valov, ki spremenijo mikrostrukturo materiala. To modulacijo intenzivnosti laserskega sevanja je mogoče enostavno integrirati v obstoječe 3D-tiskalnike SLM. Poskusi v tem delu so bili izvedeni na ploščah iz nerjavečega jekla, katerih površine so bile izpostavljene laserskemu sevanju z modulirano intenzivnostjo. Tehnično gledano gre torej za lasersko površinsko obdelavo. Če pa se takšna laserska obdelava izvede na površini vsake plasti, se med nanosom plast za plastjo dosežejo učinki na celoten volumen ali na izbrane dele volumna. Z drugimi besedami, če je del izdelan plast za plastjo, je laserska površinska obdelava vsake plasti enakovredna "laserski volumski obdelavi".
Medtem ko se pri ultrazvočni terapiji z ultrazvočnim rogom ultrazvočna energija stoječega zvočnega vala porazdeli po celotni komponenti, je lasersko inducirana ultrazvočna intenzivnost močno koncentrirana blizu točke, kjer se lasersko sevanje absorbira. Uporaba sonotrode v stroju za fuzijo praškaste plasti SLM je zapletena, ker mora zgornja površina praškaste plasti, izpostavljena laserskemu sevanju, ostati mirujoča. Poleg tega na zgornji površini dela ni mehanske napetosti. Zato je akustična napetost blizu ničle, hitrost delcev pa ima največjo amplitudo na celotni zgornji površini dela. Zvočni tlak znotraj celotnega staljenega bazena ne sme presegati 0,1 % največjega tlaka, ki ga ustvari varilna glava, ker je valovna dolžina ultrazvočnih valov s frekvenco 20 kHz v nerjavnem jeklu 0,3 ~ m, globina pa je običajno manjša od 0,3 mm. Zato je lahko vpliv ultrazvoka na kavitacijo majhen.
Treba je opozoriti, da je uporaba laserskega sevanja z modulirano intenzivnostjo pri neposrednem laserskem nanašanju kovin aktivno področje raziskav35,36,37,38.
Toplotni učinek laserskega sevanja, ki pada na medij, je osnova za skoraj vse laserske tehnike 39, 40 za obdelavo materialov, kot so rezanje 41, varjenje, kaljenje, vrtanje 42, čiščenje površin, površinsko legiranje, površinsko poliranje 43 itd. Izum laserja je spodbudil nov razvoj tehnik obdelave materialov, predhodni rezultati pa so povzeti v številnih preglednih publikacijah in monografijah 44, 45, 46.
Treba je opozoriti, da vsako nestacionarno delovanje na medij, vključno z laserskim delovanjem na absorpcijski medij, povzroči vzbujanje akustičnih valov v njem z večjo ali manjšo učinkovitostjo. Sprva je bil glavni poudarek na laserskem vzbujanju valov v tekočinah in različnih termičnih mehanizmih vzbujanja zvoka (toplotno raztezanje, izhlapevanje, sprememba volumna med faznim prehodom, krčenje itd.) 47, 48, 49. Številne monografije 50, 51, 52 ponujajo teoretične analize tega procesa in njegovih možnih praktičnih uporab.
O teh vprašanjih so nato razpravljali na različnih konferencah, lasersko vzbujanje ultrazvoka pa se uporablja tako v industrijskih aplikacijah laserske tehnologije53 kot tudi v medicini54. Zato lahko štejemo, da je osnovni koncept procesa, s katerim pulzna laserska svetloba deluje na absorpcijski medij, vzpostavljen. Laserski ultrazvočni pregled se uporablja za odkrivanje napak vzorcev, izdelanih s SLM55,56.
Vpliv lasersko ustvarjenih udarnih valov na materiale je osnova laserskega udarnega kovanja57,58,59, ki se uporablja tudi za površinsko obdelavo aditivno izdelanih delov60. Vendar pa je lasersko udarno utrjevanje najučinkovitejše pri nanosekundnih laserskih impulzih in mehansko obremenjenih površinah (npr. s plastjo tekočine)59, ker mehanska obremenitev poveča najvišji tlak.
Izvedeni so bili poskusi za raziskavo možnih vplivov različnih fizikalnih polj na mikrostrukturo strjenih materialov. Funkcionalni diagram eksperimentalne postavitve je prikazan na sliki 1. Uporabljen je bil impulzni Nd:YAG trdno-tesni laser, ki deluje v prostem teku (trajanje impulza ∑_L 150~∙μ s). Vsak laserski impulz prehaja skozi vrsto filtrov nevtralne gostote in sistem plošč za delitev žarka. Glede na kombinacijo filtrov nevtralne gostote se energija impulza na tarči spreminja od ∑_L 20~∙mJ do ∑_L 100~∙mJ. Laserski žarek, ki se odbije od delilnika žarka, se dovaja fotodiodi za sočasno zajemanje podatkov, dva kalorimetra (fotodiodi z dolgim ​​odzivnim časom, ki presega ∑_L ms), pa se uporabljata za določanje vpadnega in odbitega žarka od tarče ter dva merilnika moči (fotodiodi s kratkim odzivnim časom). krat (<10~\text {ns}\)) za določitev vpadne in odbite optične moči. Kalorimetri in merilniki moči so bili kalibrirani, da so dali vrednosti v absolutnih enotah z uporabo termoelektričnega detektorja Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 in dielektričnega zrcala, nameščenega na mestu vzorca. Žarek se fokusira na tarčo z uporabo leče (protirefleksni premaz pri \(1,06 \upmu \text {m}\), goriščna razdalja \(160~\text {mm}\)) in premera žarka na površini tarče 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Funkcionalni shematski diagram eksperimentalne postavitve: 1 – laser; 2 – laserski žarek; 3 – filter nevtralne gostote; 4 – sinhronizirana fotodioda; 5 – delilnik žarka; 6 – membrana; 7 – kalorimeter vpadnega žarka; 8 – kalorimeter odbitega žarka; 9 – merilnik moči vpadnega žarka; 10 – merilnik moči odbitega žarka; 11 – fokusirna leča; 12 – zrcalo; 13 – vzorec; 14 – širokopasovni piezoelektrični pretvornik; 15 – 2D pretvornik; 16 – pozicionirni mikrokrmilnik; 17 – sinhronizacijska enota; 18 – večkanalni digitalni sistem za zajemanje podatkov z različnimi frekvencami vzorčenja; 19 – osebni računalnik.
Ultrazvočna obdelava se izvaja na naslednji način. Laser deluje v prostem teku; zato je trajanje laserskega impulza (\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), ki je sestavljen iz več trajanj približno \(1,5~\upmu \text {s} \). Časovna oblika laserskega impulza in njegov spekter sta sestavljena iz nizkofrekvenčne ovojnice in visokofrekvenčne modulacije s povprečno frekvenco približno \(0,7~\text {MHz}\), kot je prikazano na sliki 2. - Frekvenčna ovojnica zagotavlja segrevanje in posledično taljenje ter izhlapevanje materiala, medtem ko visokofrekvenčna komponenta zagotavlja ultrazvočne vibracije zaradi fotoakustičnega učinka. Valovna oblika ultrazvočnega impulza, ki ga generira laser, je v glavnem določena s časovno obliko intenzivnosti laserskega impulza. Frekvenca je od (7~\text {kHz}) do (2~\text {MHz}), srednja frekvenca pa je (~ 0,7~\text {MHz}). Akustični impulzi zaradi fotoakustičnega učinka so bili posneti z uporabo širokopasovnih piezoelektričnih pretvornikov, izdelanih iz poliviniliden fluoridnih filmov. Posneta valovna oblika in njen spekter sta prikazana na sliki 2. Treba je opozoriti, da je oblika laserskih impulzov tipična za laser s prostim delovanjem.
Časovna porazdelitev intenzivnosti laserskega impulza (a) in hitrosti zvoka na zadnji površini vzorca (b), spektri laserskega impulza (c) in ultrazvočnega impulza (d), povprečeni na 300 laserskih impulzih (rdeča krivulja) za en sam laserski impulz (modra krivulja).
Jasno lahko ločimo nizkofrekvenčne in visokofrekvenčne komponente akustične obdelave, ki ustrezajo nizkofrekvenčni ovojnici laserskega impulza oziroma visokofrekvenčni modulaciji. Valovne dolžine akustičnih valov, ki jih generira ovojnica laserskega impulza, presegajo 40 cm; zato je pričakovan glavni vpliv širokopasovnih visokofrekvenčnih komponent akustičnega signala na mikrostrukturo.
Fizikalni procesi v SLM so kompleksni in se pojavljajo hkrati na različnih prostorskih in časovnih skalah. Zato so za teoretično analizo SLM najprimernejše večskalne metode. Matematični modeli morajo biti sprva večfizikalni. Nato je mogoče učinkovito opisati mehaniko in termofiziko večfaznega medija "trdno-tekoče taline", ki interagira z atmosfero inertnega plina. Značilnosti toplotnih obremenitev materiala v SLM so naslednje.
Hitrosti segrevanja in hlajenja do \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ zaradi lokaliziranega laserskega obsevanja z gostoto moči do \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Cikel taljenja in strjevanja traja med 1 in (10~\text {ms}), kar prispeva k hitremu strjevanju talilne cone med ohlajanjem.
Hitro segrevanje površine vzorca povzroči nastanek visokih termoelastičnih napetosti v površinski plasti. Zadosten del (do 20 %) praškaste plasti se močno izhlapi63, kar povzroči dodatno tlačno obremenitev površine kot odziv na lasersko ablacijo. Posledično inducirana deformacija znatno popači geometrijo dela, zlasti v bližini nosilcev in tankih strukturnih elementov. Visoka hitrost segrevanja pri pulznem laserskem žarjenju povzroči nastanek ultrazvočnih deformacijskih valov, ki se širijo od površine do podlage. Za pridobitev natančnih kvantitativnih podatkov o lokalni porazdelitvi napetosti in deformacije se izvede mezoskopska simulacija problema elastične deformacije, ki je povezana s prenosom toplote in mase.
Vodilne enačbe modela vključujejo (1) nestacionarne enačbe prenosa toplote, kjer je toplotna prevodnost odvisna od faznega stanja (prah, talina, polikristalni material) in temperature, (2) nihanja elastične deformacije po ablaciji kontinuuma in enačbo termoelastične ekspanzije. Robni problem je določen z eksperimentalnimi pogoji. Moduliran laserski tok je definiran na površini vzorca. Konvektivno hlajenje vključuje konduktivno izmenjavo toplote in izhlapevalni tok. Masni tok je definiran na podlagi izračuna nasičenega parnega tlaka izhlapevajočega materiala. Uporabljena je elastoplastična napetostno-deformacijska relacija, kjer je termoelastična napetost sorazmerna s temperaturno razliko. Za nazivno moč 300 W, frekvenco 105 Hz, intermitentni koeficient 100 in 200 m efektivnega premera žarka.
Slika 3 prikazuje rezultate numerične simulacije staljenega območja z uporabo makroskopskega matematičnega modela. Premer talilnega območja je 200~\upmu \text {m}\) (polmer 100~\upmu \text {m}\) in globina 40~\upmu \text {m}\). Rezultati simulacije kažejo, da se površinska temperatura lokalno s časom spreminja kot 100~\text {K}\) zaradi visokega intermitentnega faktorja impulzne modulacije. Hitrosti segrevanja \(V_h\) in hlajenja \(V_c\) sta reda velikosti \(10^7\) oziroma \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Te vrednosti se dobro ujemajo z našo prejšnjo analizo64. Razlika v velikosti med \(V_h\) in \(V_c\) povzroči hitro pregrevanje površinske plasti, kjer toplotna prevodnost v podlago ni zadostna za odvajanje toplote. Zato pri \(t=26~\upmu \text Temperatura površine doseže najvišjo vrednost do \(4800~\text {K}\). Zaradi močnega izhlapevanja materiala je lahko površina vzorca izpostavljena prekomernemu pritisku in se odlušči.
Rezultati numerične simulacije talilnega območja žarjenja z enim laserskim impulzom na vzorčni plošči 316L. Čas od začetka impulza do največje vrednosti globine staljene talilne lokve je \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) predstavlja mejo med tekočo in trdno fazo. Izobare (rumene črte) ustrezajo napetosti tečenja, izračunani kot funkcija temperature v naslednjem razdelku. Zato je trdna faza v območju med dvema izolinijama (izotermi\(T=T_L\) in izobarama\(\sigma =\sigma _V(T)\)\) izpostavljena močnim mehanskim obremenitvam, kar lahko povzroči spremembe v mikrostrukturi.
Ta učinek je podrobneje pojasnjen na sliki 4a, kjer je raven tlaka v staljenem območju prikazana kot funkcija časa in oddaljenosti od površine. Prvič, obnašanje tlaka je povezano z modulacijo intenzivnosti laserskega impulza, opisane na sliki 2 zgoraj. Največji tlak (s) približno 10⁻¹ MPa je bil opažen pri približno t=26⁻¹ mu. Drugič, nihanje lokalnega tlaka na kontrolni točki ima enake oscilacijske značilnosti kot frekvenca 500⁻¹ kHz. To pomeni, da se na površini ustvarijo ultrazvočni tlačni valovi, ki se nato širijo v podlago.
Izračunane značilnosti deformacijske cone v bližini talilnega območja so prikazane na sliki 4b. Laserska ablacija in termoelastična napetost ustvarjata elastične deformacijske valove, ki se širijo v substrat. Kot je razvidno iz slike, obstajata dve fazi nastajanja napetosti. Med prvo fazo (t < 40~\upmu \text {s}) se Misesova napetost dvigne na (8~\text {MPa}) z modulacijo, podobno površinskemu tlaku. Ta napetost nastane zaradi laserske ablacije in v kontrolnih točkah ni bilo opaziti termoelastične napetosti, ker je bilo začetno območje, na katero vpliva toplota, premajhno. Ko se toplota odda v substrat, kontrolna točka ustvari visoko termoelastično napetost nad (40~\text {MPa}).
Pridobljene modulirane ravni napetosti imajo pomemben vpliv na vmesnik med trdno snovjo in tekočino in so lahko krmilni mehanizem, ki ureja pot strjevanja. Velikost deformacijske cone je 2- do 3-krat večja od velikosti talilne cone. Kot je prikazano na sliki 3, se primerja lokacija talilne izoterme in raven napetosti, ki je enaka meji tečenja. To pomeni, da pulzno lasersko obsevanje zagotavlja visoke mehanske obremenitve na lokaliziranih območjih z efektivnim premerom med 300 in (800~\upmu \text {m}\), odvisno od trenutnega časa.
Zato kompleksna modulacija pulznega laserskega žarjenja vodi do ultrazvočnega učinka. Pot izbire mikrostrukture je drugačna v primerjavi s SLM brez ultrazvočne obremenitve. Deformirana nestabilna območja vodijo do periodičnih ciklov stiskanja in raztezanja v trdni fazi. Tako postane izvedljivo nastanek novih meja zrn in meja podzrn. Zato je mogoče namerno spreminjati mikrostrukturne lastnosti, kot je prikazano spodaj. Pridobljeni sklepi omogočajo načrtovanje prototipa SLM, ki ga inducira pulzna modulacija in poganja ultrazvok. V tem primeru je mogoče izključiti piezoelektrični induktor 26, ki se uporablja drugje.
(a) Tlak kot funkcija časa, izračunan na različnih razdaljah od površine 0, 20 in (40~\upmu \text {m}) vzdolž osi simetrije. (b) Časovno odvisna Von Misesova napetost, izračunana v trdni matriki na razdaljah 70, 120 in (170~\upmu \text {m}) od površine vzorca.
Poskusi so bili izvedeni na ploščah iz nerjavečega jekla AISI 321H z dimenzijami 20 x 20 x 5 mm. Po vsakem laserskem impulzu se plošča premakne za 50 m, pas laserskega žarka na ciljni površini pa je približno 100 m. Po isti poti se izvede do pet zaporednih prehodov žarka, da se sproži ponovno taljenje obdelanega materiala za prečiščevanje zrn. V vseh primerih je bilo območje pretaljevanja ultrazvočno obdelano, odvisno od nihajne komponente laserskega sevanja. To povzroči več kot 5-kratno zmanjšanje povprečne površine zrn. Slika 5 prikazuje, kako se mikrostruktura lasersko taljenega območja spreminja s številom zaporednih ciklov pretaljevanja (prehodov).
Podgrafi (a, d, g, j) in (b, e, h, k) – mikrostruktura lasersko taljenih območij, podgrafi (c, f, i, l) – površinska porazdelitev barvnih zrn. Senčenje predstavlja delce, uporabljene za izračun histograma. Barve ustrezajo območjem zrn (glejte barvno vrstico na vrhu histograma). Podgrafi (ac) ustrezajo neobdelanemu nerjavnemu jeklu, podgrafi (df), (gi), (jl) pa ustrezajo 1, 3 in 5 pretalitvam.
Ker se energija laserskega impulza med naslednjimi prehodi ne spreminja, je globina staljene cone enaka. Tako naslednji kanal popolnoma "prekrije" prejšnjega. Vendar pa histogram kaže, da se povprečna in mediana površina zrn zmanjšujeta z naraščajočim številom prehodov. To lahko kaže, da laser deluje na substrat in ne na talino.
Zbiranje zrn je lahko posledica hitrega ohlajanja staljene kadi65. Izveden je bil še en niz poskusov, v katerih so bile površine plošč iz nerjavečega jekla (321H in 316L) izpostavljene laserskemu sevanju z neprekinjenim valovanjem v atmosferi (slika 6) in vakuumu (slika 7). Povprečna laserska moč (300 W oziroma 100 W) in globina staljene kadi sta blizu eksperimentalnim rezultatom Nd:YAG laserja v prostem teku. Vendar pa je bila opažena tipična stebrična struktura.
Mikrostruktura lasersko staljenega območja laserja z neprekinjenim valovanjem (konstantna moč 300 W, hitrost skeniranja 200 mm/s, nerjaveče jeklo AISI 321H).
(a) Mikrostruktura in (b) slike elektronskega povratnega sipanja lasersko staljenega območja v vakuumu z laserjem z neprekinjenim valovanjem (konstantna moč 100 W, hitrost skeniranja 200 mm/s, nerjaveče jeklo AISI 316L) (sim 2~ mbar).
Zato je jasno razvidno, da ima kompleksna modulacija intenzivnosti laserskega impulza pomemben vpliv na nastalo mikrostrukturo. Menimo, da je ta učinek mehanske narave in se pojavi zaradi nastajanja ultrazvočnih vibracij, ki se širijo z obsevane površine taline globoko v vzorec. Podobni rezultati so bili pridobljeni v 13, 26, 34, 66, 67 z uporabo zunanjih piezoelektričnih pretvornikov in sonotrod, ki zagotavljajo visokointenzivni ultrazvok v različnih materialih, vključno z zlitino Ti-6Al-4V 26 in nerjavnim jeklom 34. Možen mehanizem se ugiba na naslednji način. Intenziven ultrazvok lahko povzroči akustično kavitacijo, kot je bilo dokazano pri ultrahitrem sinhrotronskem rentgenskem slikanju in situ. Zrušitev kavitacijskih mehurčkov nato ustvari udarne valove v staljenem materialu, katerih čelni tlak doseže približno \(100~\text {MPa}\)69. Takšni udarni valovi so lahko dovolj močni, da spodbujajo nastanek trdnofaznih jeder kritične velikosti v razsutih tekočinah, kar moti tipično stebrasto strukturo zrn plast za plastjo. aditivna proizvodnja.
Tukaj predlagamo še en mehanizem, ki je odgovoren za strukturno modifikacijo z intenzivno sonikacijo. Takoj po strjevanju je material pri visoki temperaturi blizu tališča in ima izjemno nizko mejo tečenja. Intenzivni ultrazvočni valovi lahko povzročijo, da plastični tok spremeni strukturo zrn vročega, pravkar strjenega materiala. Vendar pa so zanesljivi eksperimentalni podatki o temperaturni odvisnosti meje tečenja na voljo pri \(T\lessim 1150~\text {K}\) (glej sliko 8). Zato smo za preizkus te hipoteze izvedli simulacije molekularne dinamike (MD) sestave Fe-Cr-Ni, podobne jeklu AISI 316 L, da bi ocenili obnašanje meje tečenja blizu tališča. Za izračun meje tečenja smo uporabili tehniko relaksacije strižne napetosti MD, podrobno opisano v 70, 71, 72, 73. Za izračune medatomskih interakcij smo uporabili vgrajeni atomski model (EAM) iz 74. Simulacije MD so bile izvedene z uporabo kod LAMMPS 75,76. Podrobnosti simulacij MD bodo objavljene drugje. Rezultati izračuna MD Namest tečenja kot funkcija temperature je prikazana na sliki 8 skupaj z razpoložljivimi eksperimentalnimi podatki in drugimi ocenami77,78,79,80,81,82.
Namest tečenja za avstenitno nerjavno jeklo AISI razreda 316 in sestava modela v odvisnosti od temperature za MD simulacije. Eksperimentalne meritve iz referenc: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. glej. (f) 82 je empirični model odvisnosti med napetostjo tečenja in temperaturo za merjenje napetosti v liniji med lasersko podprto aditivno proizvodnjo. Rezultati MD simulacij v velikem obsegu v tej študiji so označeni kot \(\vartriangleleft\) za neskončni monokristal brez napak in \(\vartriangleright\) za končna zrna, pri čemer se upošteva povprečna velikost zrn prek Hall-Petchove relacije. Dimenzije\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Vidimo lahko, da pri T>1500 K napetost tečenja pade pod 40 MPa. Po drugi strani pa ocene napovedujejo, da amplituda lasersko generiranega ultrazvoka presega 40 MPa (glej sliko 4b), kar je dovolj za sprožitev plastičnega toka v pravkar strjenem vročem materialu.
Nastanek mikrostrukture avstenitnega nerjavnega jekla 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) med SLM je bil eksperimentalno raziskan z uporabo kompleksnega pulznega laserskega vira z modulirano intenzivnostjo.
Zmanjšanje velikosti zrn v območju laserskega taljenja je bilo ugotovljeno zaradi neprekinjenega laserskega ponovnega taljenja po 1, 3 ali 5 prehodih.
Makroskopsko modeliranje kaže, da je ocenjena velikost območja, kjer lahko ultrazvočna deformacija pozitivno vpliva na fronto strjevanja, do \(1~\text {mm}\).
Mikroskopski MD model kaže, da se meja tečenja avstenitnega nerjavnega jekla AISI 316 znatno zmanjša na \(40~\text {MPa}\) blizu tališča.
Pridobljeni rezultati nakazujejo metodo za nadzor mikrostrukture materialov z uporabo kompleksne modulirane laserske obdelave in bi lahko služili kot osnova za ustvarjanje novih modifikacij pulzne SLM tehnike.
Liu, Y. et al. Mikrostrukturna evolucija in mehanske lastnosti kompozitov TiB2/AlSi10Mg, pridobljenih in situ z laserskim selektivnim taljenjem [J]. J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Inženiring rekristalizacije meja zrn pri laserskem selektivnem taljenju nerjavečega jekla 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. in Qiu, C. Razvoj sendvič mikrostruktur z izboljšano duktilnostjo in situ z laserskim ponovnim segrevanjem lasersko staljenih titanovih zlitin. science. Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Aditivna proizvodnja delov Ti-6Al-4V z laserskim nanašanjem kovin (LMD): postopek, mikrostruktura in mehanske lastnosti. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Mikrostrukturno modeliranje laserskega nanašanja kovinskega prahu z usmerjeno energijo zlitine 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Parametrična študija nevtronskega Braggovega robnega slikanja aditivno izdelanih vzorcev, obdelanih z laserskim udarnim mikrokovanjem. science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradientna mikrostruktura in mehanske lastnosti Ti-6Al-4V, aditivno izdelanega s taljenjem z elektronskim žarkom. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).