Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да искључите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилизовања и JavaScript-а.
Предложен је нови механизам заснован на селективном ласерском топљењу за контролу микроструктуре производа у процесу производње. Механизам се ослања на генерисање ултразвучних таласа високог интензитета у растопљеном базену помоћу комплексног ласерског зрачења модулисаног интензитетом. Експерименталне студије и нумеричке симулације показују да је овај механизам контроле технички изводљив и да се може ефикасно интегрисати у дизајн модерних машина за селективно ласерско топљење.
Адитивна производња (АМ) делова сложеног облика значајно је порасла последњих деценија. Међутим, упркос разноврсности процеса адитивне производње, укључујући селективно ласерско топљење (СЛМ)1,2,3, директно ласерско таложење метала4,5,6, топљење електронским снопом7,8 и друге9,10, делови могу бити неисправни. То је углавном због специфичних карактеристика процеса очвршћавања растопљеног базена повезаних са високим термичким градијентима, високим брзинама хлађења и сложеношћу циклуса загревања код материјала за топљење и претопљивање11, што доводи до епитаксијалног раста зрна и значајне порозности12,13. Резултати показују да је неопходно контролисати термичке градијенте, брзине хлађења и састав легуре или применити додатне физичке ударе кроз спољашња поља различитих својстава (нпр. ултразвук) да би се постигле фине једнакоосне структуре зрна.
Бројне публикације се баве ефектом вибрационе обраде на процес очвршћавања у конвенционалним процесима ливења14,15. Међутим, примена спољашњег поља на растопљене материјале не производи жељену микроструктуру материјала. Ако је запремина течне фазе мала, ситуација се драматично мења. У овом случају, спољашње поље значајно утиче на процес очвршћавања. Електромагнетни ефекти су разматрани током интензивних акустичних поља16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, лучног мешања28 и осцилације29, пулсирајућих плазма лукова30,31 и других метода32. Причврстите за подлогу помоћу спољашњег ултразвучног извора високог интензитета (на 20 kHz). Ултразвучно индуковано рафинирање зрна приписује се повећаној зони потхлађивања композиције због смањеног температурног градијента и ултразвучног појачања за генерисање нових кристалита кроз кавитацију.
У овом раду, истраживали смо могућност промене структуре зрна аустенитних нерђајућих челика соницирањем растопљеног базена звучним таласима које генерише сам ласер за топљење. Модулација интензитета ласерског зрачења које пада на медијум који апсорбује светлост резултира генерисањем ултразвучних таласа, који мењају микроструктуру материјала. Ова модулација интензитета ласерског зрачења може се лако интегрисати у постојеће SLM 3D штампаче. Експерименти у овом раду су изведени на плочама од нерђајућег челика чије су површине биле изложене ласерском зрачењу модулисаног интензитета. Дакле, технички, врши се ласерска обрада површине. Међутим, ако се таква ласерска обрада врши на површини сваког слоја, током наношења слој по слој, постижу се ефекти на целу запремину или на одабране делове запремине. Другим речима, ако је део конструисан слој по слој, ласерска обрада површине сваког слоја је еквивалентна „ласерској обради запремине“.
Док се код ултразвучне терапије засноване на рогу, ултразвучна енергија стојећег звучног таласа дистрибуира по целој компоненти, док је интензитет ултразвука индукован ласером високо концентрисан близу тачке где се ласерско зрачење апсорбује. Коришћење сонотроде у машини за фузију прашкастог слоја са SLM је компликовано јер горња површина прашкастог слоја изложена ласерском зрачењу треба да остане непокретна. Поред тога, нема механичког напрезања на горњој површини дела. Стога је акустично напрезање близу нуле, а брзина честица има максималну амплитуду на целој горњој површини дела. Звучни притисак унутар целог растопљеног базена не може прећи 0,1% максималног притиска који генерише глава за заваривање, јер је таласна дужина ултразвучних таласа са фреквенцијом од 20 kHz у нерђајућем челику ≤ 0,3 м, а дубина је обично мања од ≤ 0,3 мм. Стога, ефекат ултразвука на кавитацију може бити мали.
Треба напоменути да је употреба ласерског зрачења модулисаног интензитета у директном ласерском таложењу метала активно подручје истраживања35,36,37,38.
Термички ефекат ласерског зрачења које пада на медијум је основа за скоро све ласерске технике 39, 40 за обраду материјала, као што су сечење41, заваривање, каљење, бушење42, чишћење површина, легирање површина, полирање површина43 итд. Изум ласера ​​​​стимулисао је нови развој у техникама обраде материјала, а прелиминарни резултати су сумирани у бројним прегледима и монографијама44,45,46.
Треба напоменути да свако нестационарно дејство на медијум, укључујући и дејство ласера ​​на апсорбујући медијум, резултира побуђивањем акустичних таласа у њему са већом или мањом ефикасношћу. У почетку је главни фокус био на ласерском побуђивању таласа у течностима и различитим механизмима термичког побуђивања звука (термичко ширење, испаравање, промена запремине током фазног прелаза, контракција итд.) 47, 48, 49. Бројне монографије 50, 51, 52 пружају теоријске анализе овог процеса и његових могућих практичних примена.
Ова питања су потом разматрана на разним конференцијама, а ласерска побуда ултразвука има примену и у индустријским применама ласерске технологије53 и у медицини54. Стога се може сматрати да је успостављен основни концепт процеса којим импулсна ласерска светлост делује на апсорбујући медијум. Ласерска ултразвучна инспекција се користи за детекцију дефеката узорака произведених SLM-ом55,56.
Ефекат ласерски генерисаних ударних таласа на материјале је основа ласерског ударног ојачавања57,58,59, које се такође користи за површинску обраду адитивно произведених делова60. Међутим, ласерско ударно ојачавање је најефикасније на наносекундним ласерским импулсима и механички оптерећеним површинама (нпр. са слојем течности)59 јер механичко оптерећење повећава вршни притисак.
Експерименти су спроведени како би се испитали могући ефекти различитих физичких поља на микроструктуру очврслих материјала. Функционални дијаграм експерименталне поставке приказан је на слици 1. Коришћен је импулсни Nd:YAG чврстофазни ласер који ради у режиму слободног рада (трајање импулса ≈ 150~μ s). Сваки ласерски импулс пролази кроз низ филтера неутралне густине и систем плоча за разделник снопа. У зависности од комбинације филтера неутралне густине, енергија импулса на мети варира од ≈ 20~mJ до ≈ 100~mJ. Ласерски сноп рефлектован од разделника снопа се доводи до фотодиоде за истовремено прикупљање података, а два калориметра (фотодиоде са дугим временом одзива које прелази ≈ 1ms) се користе за одређивање упада на мету и рефлектованог снопа, а два мерача снаге (фотодиоде са кратким временом одзива)... пута (<10~\text {ns}\)) да би се одредила упадна и рефлектована оптичка снага. Калориметри и мерачи снаге су калибрисани да би се добиле вредности у апсолутним јединицама коришћењем термопилног детектора Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 и диелектричног огледала постављеног на локацији узорка. Фокусирајте сноп на мету помоћу сочива (антирефлексни премаз на \(1,06 \upmu \text {m}\), жижна даљина \(160~\text {mm}\)\) и струк снопа на површини мете 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Функционални шематски дијаграм експерименталне поставке: 1—ласер; 2—ласерски сноп; 3—филтер неутралне густине; 4—синхронизована фотодиода; 5—раздвајач снопа; 6—дијафрагма; 7—калориметар упадног снопа; 8 – калориметар рефлектованог снопа; 9 – мерач снаге упадног снопа; 10 – мерач снаге рефлектованог снопа; 11 – фокусирајуће сочиво; 12 – огледало; 13 – узорак; 14 – широкопојасни пиезоелектрични претварач; 15 – 2Д конвертор; 16 – микроконтролер за позиционирање; 17 – јединица за синхронизацију; 18 – вишеканални дигитални систем за аквизицију са различитим брзинама узорковања; 19 – персонални рачунар.
Ултразвучна обрада се спроводи на следећи начин. Ласер ради у режиму слободног рада; стога је трајање ласерског импулса (τ _L ≈ 150~μ s), што се састоји од више трајања од приближно 1,5~μ s. Временски облик ласерског импулса и његов спектар састоје се од нискофреквентне омотаче и високофреквентне модулације, са просечном фреквенцијом од око 0,7~MHz, као што је приказано на слици 2. - Фреквентна омотач обезбеђује загревање и накнадно топљење и испаравање материјала, док високофреквентна компонента обезбеђује ултразвучне вибрације услед фотоакустичног ефекта. Таласни облик ултразвучног импулса који генерише ласер углавном је одређен временским обликом интензитета ласерског импулса. Фреквенција је од 7 kHz до 2 MHz, а централна фреквенција је 0,7 MHz. Акустични импулси услед фотоакустичног ефекта снимљени су коришћењем широкопојасних пиезоелектричних претварача направљених од поливинилиден флуоридних филмова. Снимљени таласни облик и његов спектар приказани су на слици 2. Треба напоменути да је облик ласерских импулса типичан за ласер са слободним радом.
Временска расподела интензитета ласерског импулса (а) и брзине звука на задњој површини узорка (б), спектри ласерског импулса (ц) и ултразвучног импулса (д) усредњени на 300 ласерских импулса (црвена крива) за један ласерски импулс (плава крива).
Јасно можемо разликовати нискофреквентне и високофреквентне компоненте акустичке обраде које одговарају нискофреквентној омотачи ласерског импулса и високофреквентној модулацији, респективно. Таласне дужине акустичних таласа генерисаних омотачем ласерског импулса прелазе \(40~\text {cm}\); стога се очекује главни ефекат широкопојасних високофреквентних компоненти акустичног сигнала на микроструктуру.
Физички процеси у SLM-у су сложени и одвијају се истовремено на различитим просторним и временским скалама. Стога су вишескалне методе најпогодније за теоријску анализу SLM-а. Математички модели треба у почетку да буду вишефизички. Механика и термофизика вишефазне средине „чврсто-течна растопљена фаза“ која интерагује са атмосфером инертног гаса могу се тада ефикасно описати. Карактеристике термичких оптерећења материјала у SLM-у су следеће.
Брзине загревања и хлађења до \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ услед локализованог ласерског зрачења са густинама снаге до \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Циклус топљења и очвршћавања траје између 1 и \(10~\text {ms}\), што доприноси брзом очвршћавању зоне топљења током хлађења.
Брзо загревање површине узорка доводи до стварања високих термоеластичних напона у површинском слоју. Довољан део (до 20%) слоја праха се снажно испарава63, што резултира додатним оптерећењем притиска на површину као одговор на ласерску аблацију. Сходно томе, индукована деформација значајно искривљује геометрију дела, посебно у близини носача и танких структурних елемената. Велика брзина загревања код импулсног ласерског жарења доводи до стварања ултразвучних таласа деформације који се шире од површине до подлоге. Да би се добили тачни квантитативни подаци о локалној расподели напона и деформације, изводи се мезоскопска симулација проблема еластичне деформације спрегнуте са преносом топлоте и масе.
Управљајуће једначине модела укључују (1) нестационарне једначине преноса топлоте где топлотна проводљивост зависи од фазног стања (прах, растоп, поликристал) и температуре, (2) флуктуације еластичне деформације након аблације континуума и једначину термоеластичне експанзије. Гранични проблем је одређен експерименталним условима. Модулисани ласерски флукс је дефинисан на површини узорка. Конвективно хлађење укључује кондуктивну размену топлоте и испаравајући флукс. Масени флукс је дефинисан на основу прорачуна засићеног притиска паре испаравајућег материјала. Користи се еластопластична веза напрезања и деформације где је термоеластични напон пропорционалан температурној разлици. За номиналну снагу ∅300 W, фреквенцију ∅10⁶ Hz, интермитентни коефицијент 100 и ∅200 m² ефективног пречника снопа.
Слика 3 приказује резултате нумеричке симулације растопљене зоне коришћењем макроскопског математичког модела. Пречник зоне топљења је 200~\upmu \text {m}\) (полупречник 100~\upmu \text {m}\) и дубина 40~\upmu \text {m}\). Резултати симулације показују да се површинска температура локално мења са временом као 100~\text {K}\) због високог фактора интермитентности импулсне модулације. Брзине загревања \(V_h\) и хлађења \(V_c\) су реда величине \(10^7\) и \(10^6~\text {K}/\text {s}\), респективно. Ове вредности су у доброј сагласности са нашом претходном анализом64. Разлика реда величине између \(V_h\) и \(V_c\) доводи до брзог прегревања површинског слоја, где је топлотна проводљивост до подлоге недовољна да би се уклонила топлота. Стога, при \(t=26~\upmu \text {s}\) температура површине достиже врхунац и до \(4800~\text {K}\). Снажно испаравање материјала може проузроковати да површина узорка буде изложена прекомерном притиску и да се љушти.
Резултати нумеричке симулације зоне топљења жарења једним ласерским импулсом на узорку плоче 316L. Време од почетка импулса до достизања максималне вредности дубине растопљеног базена је \(180~\upmu\text {s}\). Изотерма\(T = T_L = 1723~\text {K}\) представља границу између течне и чврсте фазе. Изобаре (жуте линије) одговарају граници течења израчунатој као функција температуре у следећем одељку. Стога, у домену између две изолиније (изотерме\(T=T_L\) и изобаре\(\sigma =\sigma _V(T)\)), чврста фаза је изложена јаким механичким оптерећењима, што може довести до промена у микроструктури.
Овај ефекат је даље објашњен на слици 4а, где је ниво притиска у растопљеној зони приказан као функција времена и удаљености од површине. Прво, понашање притиска је повезано са модулацијом интензитета ласерског импулса описаног на слици 2 изнад. Максимални притисак (s) од око 10⁻¹ MPa је примећен на око t=26⁻¹ mu. Друго, флуктуација локалног притиска на контролној тачки има исте карактеристике осцилације као и фреквенција од 500⁻¹ kHz. То значи да се ултразвучни таласи притиска генеришу на површини, а затим се шире у подлогу.
Израчунате карактеристике зоне деформације близу зоне топљења приказане су на слици 4б. Ласерска аблација и термоеластични напон генеришу еластичне деформационе таласе који се шире у подлогу. Као што се може видети са слике, постоје две фазе стварања напона. Током прве фазе од t < 40~\upmu \text {s}\), Мизесов напон расте до \(8~\text {MPa}\) са модулацијом сличном површинском притиску. Овај напон настаје услед ласерске аблације, а није примећен термоеластични напон у контролним тачкама јер је почетна зона утицаја топлоте била премала. Када се топлота расипа у подлогу, контролна тачка генерише висок термоеластични напон изнад \(40~\text {MPa}\).
Добијени модулисани нивои напона имају значајан утицај на границу чврсто-течно стање и могу бити контролни механизам који управља путем очвршћавања. Величина зоне деформације је 2 до 3 пута већа од зоне топљења. Као што је приказано на слици 3, упоређују се локација изотерме топљења и ниво напона једнак напону течења. То значи да импулсно ласерско зрачење пружа висока механичка оптерећења у локализованим областима са ефективним пречником између 300 и 800 м у зависности од тренутног времена.
Стога, комплексна модулација импулсног ласерског жарења доводи до ултразвучног ефекта. Путања селекције микроструктуре је другачија у поређењу са СЛМ-ом без ултразвучног оптерећења. Деформисани нестабилни региони доводе до периодичних циклуса компресије и истезања у чврстој фази. Стога, формирање нових граница зрна и граница подзрна постаје изводљиво. Стога се микроструктурна својства могу намерно мењати, као што је приказано у наставку. Добијени закључци пружају могућност пројектовања прототипа СЛМ-а индукованог импулсном модулацијом, покретаног ултразвуком. У овом случају, пиезоелектрични индуктор 26 који се користи негде другде може се искључити.
(а) Притисак као функција времена, израчунат на различитим растојањима од површине 0, 20 и 40~m дуж осе симетрије. (б) Временски зависни фон Мизесов напон израчунат у чврстој матрици на растојањима 70, 120 и 170~m од површине узорка.
Експерименти су спроведени на плочама од нерђајућег челика AISI 321H димензија \(20\пута 20\пута 5~\text {mm}\). Након сваког ласерског импулса, плоча се помера \(50~\upmu \text {m}\), а струк ласерског снопа на површини циља је око \(100~\upmu \text {m}\). До пет узастопних пролаза снопа се врши дуж исте стазе како би се изазвало претопљење обрађеног материјала ради пречишћавања зрна. У свим случајевима, зона претопљеног снопа је соницирана, у зависности од осцилаторне компоненте ласерског зрачења. Ово резултира смањењем просечне површине зрна за више од 5 пута. Слика 5 приказује како се микроструктура ласерски претопљеног подручја мења са бројем наредних циклуса претопљења (пролаза).
Подграфикони (a,d,g,j) и (b,e,h,k) – микроструктура ласерски отопљених региона, подграфикони (c,f,i,l) – расподела површине обојених зрна. Сенчење представља честице које се користе за израчунавање хистограма. Боје одговарају регионима зрна (видети траку боја на врху хистограма). Подграфикони (ac) одговарају необрађеном нерђајућем челику, а подграфикони (df), (gi), (jl) одговарају 1, 3 и 5 претопљењима.
Пошто се енергија ласерског импулса не мења између наредних пролаза, дубина растопљене зоне је иста. Дакле, следећи канал потпуно „покрива“ претходни. Међутим, хистограм показује да се средња и медијална површина зрна смањује са повећањем броја пролаза. Ово може указивати на то да ласер делује на подлогу, а не на растоп.
Уједначавање зрна може бити узроковано брзим хлађењем растопљеног базена65. Спроведен је још један сет експеримената у којима су површине плоча од нерђајућег челика (321H и 316L) биле изложене континуираном ласерском зрачењу у атмосфери (слика 6) и вакууму (слика 7). Просечна снага ласера ​​(300 W и 100 W, респективно) и дубина растопљеног базена су блиске експерименталним резултатима Nd:YAG ласера ​​у режиму слободног рада. Међутим, примећена је типична стубна структура.
Микроструктура ласерски отопљеног подручја ласера ​​континуалног таласа (константна снага 300 W, брзина скенирања 200 mm/s, нерђајући челик AISI 321H).
(а) Микроструктура и (б) слике дифракције повратног расејања електрона ласерски отопљене области у вакууму помоћу континуалног ласера ​​(константна снага 100 W, брзина скенирања 200 mm/s, нерђајући челик AISI 316L) (сим 2~ mbar).
Стога је јасно показано да комплексна модулација интензитета ласерског импулса има значајан утицај на резултујућу микроструктуру. Верујемо да је овај ефекат механичке природе и да се јавља услед генерисања ултразвучних вибрација које се шире са озрачене површине растопа дубоко у узорак. Слични резултати су добијени у 13, 26, 34, 66, 67 коришћењем спољашњих пиезоелектричних претварача и сонотрода који обезбеђују ултразвук високог интензитета у различитим материјалима, укључујући легуру Ti-6Al-4V 26 и нерђајући челик 34. Могући механизам се спекулише на следећи начин. Интензиван ултразвук може изазвати акустичну кавитацију, као што је показано ултрабрзим in situ синхротронским рендгенским снимањем. Колапс кавитационих мехурића заузврат генерише ударне таласе у растопљеном материјалу, чији предњи притисак достиже око \(100~\text {MPa}\)69. Такви ударни таласи могу бити довољно јаки да подстакну формирање језгара чврсте фазе критичне величине у расутим течностима, нарушавајући типичну стубасту структуру зрна слој по слој. адитивна производња.
Овде предлажемо још један механизам одговоран за структурну модификацију интензивном соникацијом. Одмах након очвршћавања, материјал је на високој температури близу тачке топљења и има изузетно низак напон течења. Интензивни ултразвучни таласи могу проузроковати да пластични ток промени структуру зрна врућег, тек очврслог материјала. Међутим, поуздани експериментални подаци о температурној зависности напона течења доступни су на \(T\lessim 1150~\text {K}\) (видети слику 8). Стога, да бисмо тестирали ову хипотезу, извршили смо симулације молекуларне динамике (MD) Fe-Cr-Ni састава сличног челику AISI 316 L како бисмо проценили понашање напона течења близу тачке топљења. Да бисмо израчунали напон течења, користили смо MD технику релаксације напона смицања детаљно описану у 70, 71, 72, 73. За прорачуне међуатомске интеракције користили смо Уграђени атомски модел (EAM) из 74. MD симулације су извршене коришћењем LAMMPS кодова 75,76. Детаљи MD симулација биће објављени на другом месту. Резултати MD прорачуна Напон течења у функцији температуре приказан је на слици 8 заједно са доступним експерименталним подацима и другим проценама 77, 78, 79, 80, 81, 82.
Граница течења за аустенитни нерђајући челик AISI класе 316 и састав модела у односу на температуру за МД симулације. Експериментална мерења из референци: (а) 77, (б) 78, (ц) 79, (д) ​​80, (е) 81. видети. (ф) 82 је емпиријски модел зависности границе течења од температуре за мерење напона у току линије током адитивне производње уз помоћ ласера. Резултати МД симулација великих размера у овој студији означени су као \(\vartriangleleft\) за бесконачни монокристал без дефеката и \(\vartriangleright\) за коначна зрна, узимајући у обзир просечну величину зрна преко Хол-Печове релације Димензије\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Може се видети да при \(T>1500~\text {K}\) граница течења пада испод \(40~\text {MPa}\). С друге стране, процене предвиђају да ласерски генерисана ултразвучна амплитуда прелази \(40~\text {MPa}\) (видети слику 4б), што је довољно да изазове пластично ток у врућем материјалу који се управо очврснуо.
Формирање микроструктуре аустенитног нерђајућег челика 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) током SLM експериментално је испитано коришћењем комплексног интензитетно модулисаног импулсног ласерског извора.
Смањење величине зрна у зони ласерског топљења утврђено је услед континуираног ласерског претопљења након 1, 3 или 5 пролаза.
Макроскопско моделирање показује да је процењена величина региона где ултразвучна деформација може позитивно утицати на фронт очвршћавања до \(1~\text {mm}\).
Микроскопски МД модел показује да је граница течења аустенитног нерђајућег челика AISI 316 значајно смањена на \(40~\text {MPa}\) близу тачке топљења.
Добијени резултати сугеришу метод за контролу микроструктуре материјала коришћењем комплексне модулисане ласерске обраде и могли би послужити као основа за стварање нових модификација импулсне SLM технике.
Лиу, Ј. и др. Микроструктурна еволуција и механичка својства in situ TiB2/AlSi10Mg композита добијених ласерским селективним топљењем [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. и др. Инжењеринг граница зрна рекристализације ласерског селективног топљења нерђајућег челика 316L [J]. Часопис Алма Матер. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чен, X. и Ћиу, C. Развој сендвич микроструктура са побољшаном дуктилношћу in situ ласерским поновним загревањем ласерски растопљених легура титанијума. science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарнија, А. и др. Адитивна производња Ti-6Al-4V делова ласерским наношењем метала (LMD): процес, микроструктура и механичка својства. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, К. и др. Микроструктурно моделирање ласерског металног праха усмереног енергетског таложења легуре 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Бузи, М. и др. Параметријска неутронска Брегова студија снимања ивица адитивно произведених узорака третираних ласерским ударним ударом. science. Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, X. и др. Градијентна микроструктура и механичка својства Ti-6Al-4V адитивно произведеног топљењем електронским снопом. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).