Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta shfaqim faqen pa stilizim dhe JavaScript.
Propozohet një mekanizëm i ri i bazuar në shkrirjen selektive me lazer për të kontrolluar mikrostrukturën e produkteve në procesin e prodhimit. Mekanizmi mbështetet në gjenerimin e valëve ultrasonike me intensitet të lartë në pellgun e shkrirë nga rrezatimi kompleks me lazer i moduluar me intensitet. Studimet eksperimentale dhe simulimet numerike tregojnë se ky mekanizëm kontrolli është teknikisht i realizueshëm dhe mund të integrohet në mënyrë efektive në projektimin e makinave moderne të shkrirjes selektive me lazer.
Prodhimi aditiv (AM) i pjesëve me formë komplekse është rritur ndjeshëm në dekadat e fundit. Megjithatë, pavarësisht shumëllojshmërisë së proceseve të prodhimit aditiv, duke përfshirë shkrirjen selektive me lazer (SLM)1,2,3, depozitimin direkt të metaleve me lazer4,5,6, shkrirjen me rreze elektroni7,8 dhe të tjera9,10, pjesët mund të jenë defektoze. Kjo kryesisht për shkak të karakteristikave specifike të procesit të ngurtësimit të pishinës së shkrirë të shoqëruar me gradiente të larta termike, shkallë të lartë ftohjeje dhe kompleksitetin e cikleve të ngrohjes në materialet e shkrirjes dhe rishkrirjes11, të cilat çojnë në rritje epitaksiale të kokrrizave dhe porozitet të konsiderueshëm12,13. Rezultatet tregojnë se, është e nevojshme të kontrollohen gradientët termikë, shkallët e ftohjes dhe përbërja e aliazhit, ose të aplikohen goditje fizike shtesë përmes fushave të jashtme me veti të ndryshme (p.sh., ultratinguj) për të arritur struktura kokrrizash të holla ekuivalente.
Publikime të shumta merren me efektin e trajtimit me dridhje në procesin e ngurtësimit në proceset konvencionale të derdhjes14,15. Megjithatë, aplikimi i një fushe të jashtme në shkrirjet masive nuk prodhon mikrostrukturën e dëshiruar të materialit. Nëse vëllimi i fazës së lëngshme është i vogël, situata ndryshon në mënyrë dramatike. Në këtë rast, fusha e jashtme ndikon ndjeshëm në procesin e ngurtësimit. Efektet elektromagnetike janë marrë në konsideratë gjatë fushave intensive akustike16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, përzierjes me hark28 dhe lëkundjes29, harqeve të plazmës së pulsuar30,31 dhe metodave të tjera32. Bashkangjiteni në substrat duke përdorur një burim ultratingujsh të jashtëm me intensitet të lartë (në 20 kHz). Përsosja e kokrrizave të shkaktuara nga ultratingujt i atribuohet zonës së rritur të nënftohjes përbërëse për shkak të gradientit të reduktuar të temperaturës dhe përmirësimit me ultratinguj për të gjeneruar kristalite të reja përmes kavitacionit.
Në këtë punim, ne hetuam mundësinë e ndryshimit të strukturës së kokrrizave të çelikëve inox austenitë duke sonifikuar pishinën e shkrirë me valë zanore të gjeneruara nga vetë lazeri i shkrirjes. Modulimi i intensitetit të rrezatimit lazer që bie në mjedisin thithës të dritës rezulton në gjenerimin e valëve tejzanore, të cilat ndryshojnë mikrostrukturën e materialit. Ky modulim i intensitetit të rrezatimit lazer mund të integrohet lehtësisht në printerët ekzistues 3D SLM. Eksperimentet në këtë punim u kryen në pllaka çeliku inox, sipërfaqet e të cilave ishin të ekspozuara ndaj rrezatimit lazer me intensitet të moduluar. Pra, teknikisht, bëhet trajtimi sipërfaqësor me lazer. Megjithatë, nëse një trajtim i tillë me lazer kryhet në sipërfaqen e secilës shtresë, gjatë ndërtimit shtresë pas shtrese, arrihen efekte në të gjithë vëllimin ose në pjesë të zgjedhura të vëllimit. Me fjalë të tjera, nëse pjesa ndërtohet shtresë pas shtrese, trajtimi sipërfaqësor me lazer i secilës shtresë është ekuivalent me "trajtimin e vëllimit me lazer".
Ndërsa në terapinë tejzanore me bazë briri tejzanor, energjia tejzanore e valës së zërit në këmbë shpërndahet në të gjithë përbërësin, ndërsa intensiteti tejzanor i induktuar nga lazeri është shumë i përqendruar pranë pikës ku absorbohet rrezatimi lazer. Përdorimi i një sonotrode në një makinë shkrirjeje me shtrat pluhuri SLM është i ndërlikuar sepse sipërfaqja e sipërme e shtratit të pluhurit të ekspozuar ndaj rrezatimit lazer duhet të mbetet stacionare. Përveç kësaj, nuk ka stres mekanik në sipërfaqen e sipërme të pjesës. Prandaj, stresi akustik është afër zeros dhe shpejtësia e grimcave ka një amplitudë maksimale mbi të gjithë sipërfaqen e sipërme të pjesës. Presioni i zërit brenda të gjithë pishinës së shkrirë nuk mund të kalojë 0.1% të presionit maksimal të gjeneruar nga koka e saldimit, sepse gjatësia e valëve tejzanor me një frekuencë prej 20 kHz në çelik inox është \(\sim 0.3~\text {m}\), dhe thellësia është zakonisht më e vogël se \(\sim 0.3~\text {mm}\). Prandaj, efekti i ultrazërit në kavitacion mund të jetë i vogël.
Duhet theksuar se përdorimi i rrezatimit lazer të moduluar me intensitet në depozitimin direkt të metaleve me lazer është një fushë aktive kërkimore35,36,37,38.
Efekti termik i rrezatimit lazer që bie mbi mjedisin është baza për pothuajse të gjitha teknikat lazer 39, 40 për përpunimin e materialeve, siç janë prerja 41, saldimi, forcimi, shpimi 42, pastrimi i sipërfaqes, aliazhimi i sipërfaqes, lustrimi i sipërfaqes 43, etj. Shpikja e lazerit stimuloi zhvillime të reja në teknikat e përpunimit të materialeve, dhe rezultatet paraprake janë përmbledhur në rishikime dhe monografi të shumta 44,45,46.
Duhet theksuar se çdo veprim jostacionar në mjedis, përfshirë veprimin lazerik në mjedisin thithës, rezulton në ngacmimin e valëve akustike në të me pak a shumë efikasitet. Fillimisht, fokusi kryesor ishte në ngacmimin lazer të valëve në lëngje dhe mekanizmat e ndryshëm të ngacmimit termik të zërit (zgjerimi termik, avullimi, ndryshimi i vëllimit gjatë kalimit të fazës, tkurrja, etj.) 47, 48, 49. Monografi të shumta 50, 51, 52 ofrojnë analiza teorike të këtij procesi dhe zbatimeve të tij të mundshme praktike.
Këto çështje u diskutuan më pas në konferenca të ndryshme, dhe ngacmimi me lazer i ultrazërit ka zbatime si në aplikimet industriale të teknologjisë lazer53 ashtu edhe në mjekësi54. Prandaj, mund të konsiderohet se është vendosur koncepti bazë i procesit me të cilin drita lazer e pulsuar vepron në një medium thithës. Inspektimi me ultratinguj me lazer përdoret për zbulimin e defekteve të mostrave të prodhuara me SLM55,56.
Efekti i valëve goditëse të gjeneruara nga lazeri në materiale është baza e depërtimit të goditjes me lazer57,58,59, i cili përdoret gjithashtu për trajtimin sipërfaqësor të pjesëve të prodhuara me aditivë60. Megjithatë, forcimi i goditjes me lazer është më efektiv në pulset lazer nanosekondash dhe sipërfaqet e ngarkuara mekanikisht (p.sh., me një shtresë lëngu)59 sepse ngarkesa mekanike rrit presionin maksimal.
U kryen eksperimente për të hetuar efektet e mundshme të fushave të ndryshme fizike në mikrostrukturën e materialeve të ngurtësuara. Diagrama funksionale e konfigurimit eksperimental është treguar në Figurën 1. U përdor një lazer Nd:YAG në gjendje të ngurtë i pulsuar që vepron në modalitetin e funksionimit të lirë (kohëzgjatja e pulsit \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Çdo puls lazeri kalon nëpër një seri filtrash me dendësi neutrale dhe një sistem pllakash ndarës rrezesh. Në varësi të kombinimit të filtrave me dendësi neutrale, energjia e pulsit në shënjestër ndryshon nga \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) në \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Rrezja lazer e reflektuar nga ndarësi i rrezes ushqehet në një fotodiodë për marrjen e të dhënave njëkohësisht, dhe dy kalorimetra (fotodioda me një kohë përgjigjeje të gjatë që tejkalon \(1~\text {ms}\)) përdoren për të përcaktuar incidentin në dhe reflektimin nga shënjestra, dhe dy matës të fuqisë (fotodioda me përgjigje të shkurtër herë\(<10~\text {ns}\)) për të përcaktuar fuqinë optike incidente dhe të reflektuar. Kalorimetrat dhe matësit e fuqisë u kalibruan për të dhënë vlera në njësi absolute duke përdorur një detektor termopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 dhe një pasqyrë dielektrike të montuar në vendndodhjen e mostrës. Fokusoni rrezen në objektiv duke përdorur një lente (shtresë antireflektuese në \(1.06 \mu \text {m}\), gjatësi fokale \(160~\text {mm}\)) dhe një bel rrezeje në sipërfaqen e objektivit 60– \(100~\mu \text {m}\).
Diagrami skematik funksional i konfigurimit eksperimental: 1 - lazer; 2 - rrezja lazer; 3 - filtër dendësie neutrale; 4 - fotodiodë e sinkronizuar; 5 - ndarës rrezesh; 6 - diafragmë; 7 - kalorimetër i rrezes incidente; 8 - kalorimetër i rrezes së reflektuar; 9 - matës i fuqisë së rrezes incidente; 10 - matës i fuqisë së rrezes së reflektuar; 11 - lente fokusimi; 12 - pasqyrë; 13 - mostër; 14 - transduktor piezoelektrik me brez të gjerë; 15 - konvertues 2D; 16 - mikrokontrollues pozicionimi; 17 - njësi sinkronizimi; 18 - sistem dixhital shumëkanalësh i marrjes së mostrave me shpejtësi të ndryshme; 19 - kompjuter personal.
Trajtimi me ultratinguj kryhet si më poshtë. Lazeri vepron në modalitetin e rrjedhjes së lirë; prandaj kohëzgjatja e pulsit të lazerit është \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), e cila përbëhet nga kohëzgjatje të shumëfishta prej afërsisht \(1.5~\upmu \text {s}\) secila. Forma kohore e pulsit të lazerit dhe spektri i tij përbëhen nga një mbështjellës me frekuencë të ulët dhe një modulim me frekuencë të lartë, me një frekuencë mesatare prej rreth \(0.7~\text {MHz}\), siç tregohet në Figurën 2.- Mbështjellësi i frekuencës siguron ngrohjen dhe shkrirjen dhe avullimin pasues të materialit, ndërsa komponenti i frekuencës së lartë siguron dridhjet tejzanore për shkak të efektit fotoakustik. Forma e valës së pulsit tejzanor të gjeneruar nga lazeri përcaktohet kryesisht nga forma kohore e intensitetit të pulsit të lazerit. Është nga \(7~\text {kHz}\) në \(2~\text {MHz}\), dhe frekuenca qendrore është \(~\text {MHz}\). Pulset akustike për shkak të efektit fotoakustik u regjistruan duke përdorur transduktorë piezoelektrik me brez të gjerë të bërë nga filma fluoride poliviniliden. Forma e valës së regjistruar dhe spektri i saj tregohen në Figurën 2. Duhet të theksohet se forma e pulseve lazer është tipike për një lazer me modalitet të lirë.
Shpërndarja kohore e intensitetit të pulsit të lazerit (a) dhe shpejtësisë së zërit në sipërfaqen e pasme të mostrës (b), spektrat e pulsit të lazerit (c) dhe pulsit ultrasonik (d) mesatarizuan mbi 300 pulse lazeri (kurba e kuqe) për një puls të vetëm lazeri (kurba blu).
Ne mund të dallojmë qartë komponentët me frekuencë të ulët dhe me frekuencë të lartë të trajtimit akustik që korrespondojnë përkatësisht me mbështjellësin me frekuencë të ulët të pulsit lazer dhe modulimin me frekuencë të lartë. Gjatësitë e valëve të valëve akustike të gjeneruara nga mbështjellësi i pulsit lazer tejkalojnë \(40~\text {cm}\); prandaj, pritet efekti kryesor i komponentëve me frekuencë të lartë me brez të gjerë të sinjalit akustik në mikrostrukturë.
Proceset fizike në SLM janë komplekse dhe ndodhin njëkohësisht në shkallë të ndryshme hapësinore dhe kohore. Prandaj, metodat shumëshkallëshe janë më të përshtatshme për analizën teorike të SLM. Modelet matematikore fillimisht duhet të jenë shumëfizike. Mekanika dhe termofizika e një mediumi shumëfazësh "shkrirje e ngurtë-lëngshme" që bashkëvepron me një atmosferë gazi inert mund të përshkruhen më pas në mënyrë efektive. Karakteristikat e ngarkesave termike të materialeve në SLM janë si më poshtë.
Shpejtësi ngrohjeje dhe ftohjeje deri në \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ për shkak të rrezatimit të lokalizuar me lazer me dendësi fuqie deri në \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Cikli shkrirje-ngurtësim zgjat midis 1 dhe \(10~\text {ms}\), gjë që kontribuon në ngurtësimin e shpejtë të zonës së shkrirjes gjatë ftohjes.
Ngrohja e shpejtë e sipërfaqes së mostrës rezulton në formimin e streseve të larta termoelastike në shtresën sipërfaqësore. Një pjesë e mjaftueshme (deri në 20%) e shtresës së pluhurit avullohet fuqishëm63, gjë që rezulton në një ngarkesë shtesë presioni në sipërfaqe në përgjigje të ablacionit me lazer. Si pasojë, tendosja e induktuar shtrembëron ndjeshëm gjeometrinë e pjesës, veçanërisht pranë mbështetëseve dhe elementëve të hollë strukturorë. Shkalla e lartë e ngrohjes në pjekjen me lazer të pulsuar rezulton në gjenerimin e valëve ultrasonike të tendosjes që përhapen nga sipërfaqja në substrat. Për të marrë të dhëna sasiore të sakta mbi shpërndarjen lokale të stresit dhe tendosjes, kryhet një simulim mezoskopik i problemit të deformimit elastik të konjuguar me transferimin e nxehtësisë dhe masës.
Ekuacionet qeverisëse të modelit përfshijnë (1) ekuacione të transferimit të nxehtësisë të paqëndrueshme ku përçueshmëria termike varet nga gjendja e fazës (pluhur, shkrirje, polikristaline) dhe temperatura, (2) luhatjet në deformimin elastik pas ablacionit të vazhdueshëm dhe ekuacionit të zgjerimit termoelastik. Problemi i vlerës kufitare përcaktohet nga kushtet eksperimentale. Fluksi i moduluar i lazerit përcaktohet në sipërfaqen e mostrës. Ftohja konvektive përfshin shkëmbimin përçues të nxehtësisë dhe fluksin avullues. Fluksi masiv përcaktohet bazuar në llogaritjen e presionit të avullit të ngopur të materialit avullues. Marrëdhënia elastoplastike stres-deformim përdoret ku stresi termoelastik është proporcional me ndryshimin e temperaturës. Për fuqinë nominale (300~\text {W}\), frekuencën (10^5~\text {Hz}\), koeficientin intermitent 100 dhe (200~\mu \text {m}\) të diametrit efektiv të rrezes.
Figura 3 tregon rezultatet e simulimit numerik të zonës së shkrirë duke përdorur një model matematik makroskopik. Diametri i zonës së shkrirjes është \(200~\upmu \text {m}\) (rrezja \(100~\upmu \text {m}\)) dhe \(40~\upmu \text {m}\) thellësi. Rezultatet e simulimit tregojnë se temperatura e sipërfaqes ndryshon lokalisht me kohën si \(100~\text {K}\) për shkak të faktorit të lartë intermitent të modulimit të pulsit. Shkalla e ngrohjes \(V_h\) dhe ftohjes \(V_c\) është përkatësisht në rendin \(10^7\) dhe \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Këto vlera janë në përputhje të mirë me analizën tonë të mëparshme64. Një ndryshim i rendit të madhësisë midis \(V_h\) dhe \(V_c\) rezulton në mbinxehje të shpejtë të shtresës sipërfaqësore, ku përçueshmëria termike në substrat është e pamjaftueshme për të hequr nxehtësinë. Prandaj, në \(t=26~\upmu \text {s}\) temperatura e sipërfaqes arrin kulmin deri në \(4800~\text {K}\). Avullimi i fuqishëm i materialit mund të shkaktojë që sipërfaqja e mostrës t'i nënshtrohet presionit të tepërt dhe të shkëputet.
Rezultatet e simulimit numerik të zonës së shkrirjes së pjekjes me një puls lazeri të vetëm në pllakën e mostrës 316L. Koha nga fillimi i pulsit deri në thellësinë e pellgut të shkrirë që arrin vlerën maksimale është \(180~\upmu\text {s}\). Izoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) përfaqëson kufirin midis fazave të lëngshme dhe të ngurta. Izobaret (vijat e verdha) korrespondojnë me tensionin e rrjedhjes të llogaritur si një funksion i temperaturës në seksionin tjetër. Prandaj, në domenin midis dy izolineve (izotermat\(T=T_L\) dhe izobaret\(\sigma =\sigma _V(T)\)), faza e ngurtë i nënshtrohet ngarkesave të forta mekanike, të cilat mund të çojnë në ndryshime në mikrostrukturë.
Ky efekt shpjegohet më tej në Figurën 4a, ku niveli i presionit në zonën e shkrirë paraqitet si një funksion i kohës dhe distancës nga sipërfaqja. Së pari, sjellja e presionit lidhet me modulimin e intensitetit të pulsit të lazerit të përshkruar në Figurën 2 më sipër. Një presion maksimal prej rreth s) prej rreth 10~\text {MPa}\) u vu re në rreth t=26~\upmu. Së dyti, luhatja e presionit lokal në pikën e kontrollit ka të njëjtat karakteristika lëkundjeje si frekuenca e 500~\text {kHz}\. Kjo do të thotë që valët e presionit tejzanor gjenerohen në sipërfaqe dhe më pas përhapen në substrat.
Karakteristikat e llogaritura të zonës së deformimit pranë zonës së shkrirjes tregohen në Fig. 4b. Ablacioni me lazer dhe stresi termoelastik gjenerojnë valë deformimi elastik që përhapen në substrat. Siç mund të shihet nga figura, ekzistojnë dy faza të gjenerimit të stresit. Gjatë fazës së parë të \(t < 40~\upmu \text {s}\), stresi i Mises rritet në \(8~\text {MPa}\) me një modulim të ngjashëm me presionin sipërfaqësor. Ky stres ndodh për shkak të ablacionit me lazer, dhe nuk u vu re asnjë stres termoelastik në pikat e kontrollit sepse zona fillestare e prekur nga nxehtësia ishte shumë e vogël. Kur nxehtësia shpërndahet në substrat, pika e kontrollit gjeneron stres të lartë termoelastik mbi \(40~\text {MPa}\).
Nivelet e moduluara të stresit të përftuara kanë një ndikim të rëndësishëm në ndërfaqen e ngurtë-lëngshme dhe mund të jenë mekanizmi i kontrollit që rregullon rrugën e ngurtësimit. Madhësia e zonës së deformimit është 2 deri në 3 herë më e madhe se ajo e zonës së shkrirjes. Siç tregohet në Figurën 3, krahasohet vendndodhja e izotermës së shkrirjes dhe niveli i stresit i barabartë me stresin e rrjedhjes. Kjo do të thotë që rrezatimi me lazer të pulsuar siguron ngarkesa të larta mekanike në zona të lokalizuara me një diametër efektiv midis 300 dhe \(800~\upmu \text {m}\) në varësi të kohës së menjëhershme.
Prandaj, modulimi kompleks i pjekjes me lazer të pulsuar çon në efektin tejzanor. Rruga e përzgjedhjes së mikrostrukturës është e ndryshme në krahasim me SLM pa ngarkesë tejzanore. Rajonet e deformuara të paqëndrueshme çojnë në cikle periodike të kompresimit dhe shtrirjes në fazën e ngurtë. Kështu, formimi i kufijve të rinj të kokrrizave dhe kufijve të nënkokrrizave bëhet i realizueshëm. Prandaj, vetitë mikrostrukturore mund të ndryshohen qëllimisht, siç tregohet më poshtë. Përfundimet e marra ofrojnë mundësinë për të projektuar një prototip SLM të drejtuar nga ultratinguj i induktuar nga modulimi i pulsit. Në këtë rast, induktori piezoelektrik 26 i përdorur diku tjetër mund të përjashtohet.
(a) Presioni si funksion i kohës, i llogaritur në distanca të ndryshme nga sipërfaqja 0, 20 dhe ≤40 m përgjatë boshtit të simetrisë. (b) Stresi Von Mises i varur nga koha i llogaritur në një matricë të ngurtë në distanca 70, 120 m dhe ≤170 m nga sipërfaqja e mostrës.
Eksperimentet u kryen në pllaka çeliku inox AISI 321H me dimensione ≤20 herë 20 herë 5 mm. Pas çdo pulsi lazeri, pllaka lëviz ≤50 m, dhe beli i rrezes lazer në sipërfaqen e synuar është rreth ≤100 m. Deri në pesë kalime të njëpasnjëshme të rrezes kryhen përgjatë të njëjtës piste për të nxitur rishkrirjen e materialit të përpunuar për rafinimin e kokrrizave. Në të gjitha rastet, zona e rishkrirë u nënshtrua sonifikimit, varësisht nga komponenti oscilues i rrezatimit të lazerit. Kjo rezulton në një reduktim më shumë se 5-fish në sipërfaqen mesatare të kokrrizave. Figura 5 tregon se si ndryshon mikrostruktura e rajonit të shkrirë me lazer me numrin e cikleve (kalimeve) të mëvonshme të rishkrirjes.
Nën-grafiqet (a, d, g, j) dhe (b, e, h, k) – mikrostruktura e rajoneve të shkrira me lazer, nën-grafiqet (c, f, i, l) – shpërndarja e sipërfaqes së kokrrizave të ngjyrosura. Hija përfaqëson grimcat e përdorura për të llogaritur histogramin. Ngjyrat korrespondojnë me rajonet e kokrrizave (shih shiritin e ngjyrave në krye të histogramit). Nën-grafiqet (ac) korrespondojnë me çelik inox të patrajtuar, dhe nën-grafiqet (df), (gi), (jl) korrespondojnë me 1, 3 dhe 5 shkrirje të përsëritura.
Meqenëse energjia e pulsit të lazerit nuk ndryshon midis kalimeve pasuese, thellësia e zonës së shkrirë është e njëjtë. Kështu, kanali pasues "mbulon" plotësisht atë të mëparshëm. Megjithatë, histograma tregon se sipërfaqja mesatare dhe mediane e kokrrizave zvogëlohet me rritjen e numrit të kalimeve. Kjo mund të tregojë se lazeri po vepron në substrat dhe jo në shkrirje.
Rafinimi i kokrrizave mund të shkaktohet nga ftohja e shpejtë e pellgut të shkrirë65. Një tjetër grup eksperimentesh u krye në të cilat sipërfaqet e pllakave të çelikut inox (321H dhe 316L) u ekspozuan ndaj rrezatimit lazer me valë të vazhdueshme në atmosferë (Fig. 6) dhe vakum (Fig. 7). Fuqia mesatare e lazerit (respektivisht 300 W dhe 100 W) dhe thellësia e pellgut të shkrirë janë afër rezultateve eksperimentale të lazerit Nd:YAG në modalitetin e funksionimit të lirë. Megjithatë, u vu re një strukturë tipike kolone.
Mikrostruktura e rajonit të shkrirë me lazer të një lazeri me valë të vazhdueshme (fuqi konstante 300 W, shpejtësi skanimi 200 mm/s, çelik inox AISI 321H).
(a) Mikrostruktura dhe (b) imazhe të difraksionit të shpërndarjes së elektroneve të rajonit të shkrirë me lazer në vakum me një lazer me valë të vazhdueshme (fuqi konstante 100 W, shpejtësi skanimi 200 mm/s, çelik inox AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Prandaj, tregohet qartë se modulimi kompleks i intensitetit të pulsit të lazerit ka një efekt të rëndësishëm në mikrostrukturën që rezulton. Ne besojmë se ky efekt është mekanik në natyrë dhe ndodh për shkak të gjenerimit të vibracioneve tejzanore që përhapen nga sipërfaqja e rrezatuar e shkrirjes thellë në mostër. Rezultate të ngjashme u morën në 13, 26, 34, 66, 67 duke përdorur transduktorë piezoelektrik të jashtëm dhe sonotrode që ofrojnë ultratinguj me intensitet të lartë në materiale të ndryshme duke përfshirë lidhjen Ti-6Al-4V 26 dhe çelikun inox 34 si rezultat i. Mekanizmi i mundshëm spekulohet si më poshtë. Ultratingujt intensivë mund të shkaktojnë kavitacion akustik, siç demonstrohet në imazhet ultra të shpejta me rreze X sinkrotron in situ. Rënia e flluskave të kavitacionit nga ana tjetër gjeneron valë shoku në materialin e shkrirë, presioni i përparmë i të cilit arrin rreth \(100~\text {MPa}\)69. Valë të tilla shoku mund të jenë mjaft të forta për të nxitur formimin e bërthamave të fazës së ngurtë me madhësi kritike në lëngje masive, duke prishur strukturën tipike kolonare të kokrrizave të shtresë-për-shtresa. prodhim aditiv.
Këtu, ne propozojmë një mekanizëm tjetër përgjegjës për modifikimin strukturor me anë të sonifikimit intensiv. Menjëherë pas ngurtësimit, materiali është në një temperaturë të lartë afër pikës së shkrirjes dhe ka një stres jashtëzakonisht të ulët të rrjedhshmërisë. Valët intensive tejzanore mund të shkaktojnë që rrjedha plastike të ndryshojë strukturën e kokrrizave të materialit të nxehtë, të sapo ngurtësuar. Megjithatë, të dhëna të besueshme eksperimentale mbi varësinë e stresit të rrjedhshmërisë nga temperatura janë të disponueshme në \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (shih Figurën 8). Prandaj, për të testuar këtë hipotezë, ne kryem simulime të dinamikës molekulare (MD) të një përbërjeje Fe-Cr-Ni të ngjashme me çelikun AISI 316 L në mënyrë që të vlerësojmë sjelljen e stresit të rrjedhshmërisë pranë pikës së shkrirjes. Për të llogaritur stresin e rrjedhshmërisë, ne përdorëm teknikën e relaksimit të stresit të prerjes MD të detajuar në 70, 71, 72, 73. Për llogaritjet e ndërveprimit ndëratomik, ne përdorëm Modelin Atomik të Integruar (EAM) nga 74. Simulimet MD u kryen duke përdorur kodet LAMMPS 75,76. Detajet e simulimeve MD do të publikohen diku tjetër. Rezultatet e llogaritjes MD e stresit të rrjedhjes si një funksion i temperaturës tregohen në Fig. 8 së bashku me të dhënat eksperimentale të disponueshme dhe vlerësime të tjera77,78,79,80,81,82.
Stresi i rrjedhshmërisë për çelikun inox austenitik AISI grade 316 dhe përbërja e modelit kundrejt temperaturës për simulimet MD. Matjet eksperimentale nga referencat: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. referojuni. (f) 82 është një model empirik i varësisë së stresit të rrjedhshmërisë-temperaturës për matjen e stresit në linjë gjatë prodhimit aditiv me ndihmën e lazerit. Rezultatet e simulimeve MD në shkallë të gjerë në këtë studim shënohen si \(\vartriangleleft\) për një kristal të vetëm infinit pa defekte dhe \(\vartriangleright\) për kokrriza të fundme duke marrë parasysh madhësinë mesatare të kokrrizave nëpërmjet relacionit Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Mund të shihet se në \(T>1500~\text {K}\) tensioni i rrjedhjes bie nën \(40~\text {MPa}\). Nga ana tjetër, vlerësimet parashikojnë që amplituda ultrasonike e gjeneruar nga lazeri tejkalon \(40~\text {MPa}\) (shih Fig. 4b), e cila është e mjaftueshme për të nxitur rrjedhje plastike në materialin e nxehtë të sapo ngurtësuar.
Formimi i mikrostrukturës së çelikut inox austenitik 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) gjatë SLM u hetua eksperimentalisht duke përdorur një burim lazeri pulsues të moduluar me intensitet kompleks.
Një zvogëlim i madhësisë së kokrrizave në zonën e shkrirjes me lazer u vu re për shkak të rishkrirjes së vazhdueshme me lazer pas 1, 3 ose 5 kalimeve.
Modelimi makroskopik tregon se madhësia e vlerësuar e rajonit ku deformimi tejzanor mund të ndikojë pozitivisht në frontin e ngurtësimit është deri në \(1~\text {mm}\).
Modeli mikroskopik MD tregon se kufiri i rrjedhshmërisë së çelikut inox austenitik AISI 316 është reduktuar ndjeshëm në \(40~\text {MPa}\) afër pikës së shkrirjes.
Rezultatet e marra sugjerojnë një metodë për kontrollin e mikrostrukturës së materialeve duke përdorur përpunim kompleks të moduluar me lazer dhe mund të shërbejnë si bazë për krijimin e modifikimeve të reja të teknikës SLM të pulsuar.
Liu, Y. et al. Evolucioni mikrostrukturor dhe vetitë mekanike të kompozitëve in situ TiB2/AlSi10Mg me shkrirje selektive me lazer [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Inxhinieria kufitare e kokrrizave të rikristalizimit të shkrirjes selektive me lazer të çelikut inox 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Zhvillimi in situ i mikrostrukturave sanduiç me duktilitet të shtuar me anë të ngrohjes me lazer të lidhjeve të titanit të shkrirë me lazer. science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Prodhimi aditiv i pjesëve Ti-6Al-4V me anë të depozitimit të metalit me lazer (LMD): procesi, mikrostruktura dhe vetitë mekanike. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Modelimi mikrostrukturor i depozitimit të energjisë së drejtuar nga pluhuri metalik me lazer i Aliazhit 718. Shto në.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Studimi Parametrik i Imazherisë së Skajit Bragg të Neutroneve të Mostrave të Prodhuara në Mënyrë Aditive të Trajtuara me Lazer Shock Peening. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Mikrostruktura e gradientit dhe vetitë mekanike të Ti-6Al-4V të prodhuara në mënyrë adititive nga shkrirja e rrezeve të elektroneve. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).