Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal nampilkeun situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Hiji mékanisme anyar dumasar kana peleburan laser selektif pikeun ngontrol mikrostruktur produk dina prosés manufaktur diusulkeun. Mékanisme ieu ngandelkeun generasi gelombang ultrasonik inténsitas tinggi dina kolam cair ku iradiasi laser anu dimodulasi inténsitas kompléks. Panilitian ékspériméntal sareng simulasi numerik nunjukkeun yén mékanisme kontrol ieu sacara téknis tiasa dilaksanakeun sareng tiasa diintegrasikeun sacara efektif kana desain mesin peleburan laser selektif modéren.
Manufaktur aditif (AM) tina bagian anu bentukna kompléks parantos ningkat sacara signifikan dina sababaraha dasawarsa terakhir. Nanging, sanaos aya rupa-rupa prosés manufaktur aditif, kalebet peleburan laser selektif (SLM)1,2,3, déposisi logam laser langsung4,5,6, peleburan sinar éléktron7,8 sareng anu sanésna9,10, Bagian-bagian éta tiasa cacad. Ieu utamina kusabab ciri khusus tina prosés solidifikasi kolam cair anu aya hubunganana sareng gradien termal anu luhur, laju pendinginan anu luhur, sareng kompleksitas siklus pemanasan dina bahan peleburan sareng peleburan deui11, anu nyababkeun kamekaran butir epitaksial sareng porositas anu signifikan12,13. Hasilna nunjukkeun yén, perlu pikeun ngontrol gradien termal, laju pendinginan, sareng komposisi paduan, atanapi nerapkeun kejutan fisik tambahan ngalangkungan widang éksternal tina rupa-rupa sipat (contona, ultrasound) pikeun ngahontal struktur butir anu sami.
Seueur publikasi anu museur kana pangaruh perlakuan geter kana prosés solidifikasi dina prosés tuang konvensional14,15. Nanging, nerapkeun médan éksternal kana lebur curah henteu ngahasilkeun mikrostruktur bahan anu dipikahoyong. Upami volume fase cair alit, kaayaan robih sacara dramatis. Dina hal ieu, médan éksternal mangaruhan sacara signifikan prosés solidifikasi. Éfék éléktromagnétik parantos dipertimbangkeun nalika médan akustik anu intens16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, pengadukan busur28 sareng osilasi29, busur plasma pulsed30,31 sareng metode sanésna32. Pasangkeun kana substrat nganggo sumber ultrasound inténsitas tinggi éksternal (dina 20 kHz). Panyempurnaan butir anu diinduksi ultrasound disababkeun ku zona subcooling komposisi anu ningkat kusabab gradien suhu anu dikirangan sareng paningkatan ultrasound pikeun ngahasilkeun kristalit énggal ngalangkungan kavitasi.
Dina ieu karya, urang nalungtik kamungkinan ngarobih struktur butir baja tahan karat austenitik ku cara sonikasi kolam cair ku gelombang sora anu dihasilkeun ku laser anu ngalebur éta sorangan. Modulasi inténsitas radiasi laser anu datang dina média anu nyerep cahaya ngahasilkeun gelombang ultrasonik, anu ngarobih mikrostruktur bahan. Modulasi inténsitas radiasi laser ieu tiasa gampang diintegrasikeun kana printer SLM 3D anu tos aya. Ékspérimén dina ieu karya dilakukeun dina pelat baja tahan karat anu permukaanna kakeunaan radiasi laser anu dimodulasi inténsitasna. Janten, sacara téknis, perlakuan permukaan laser dilakukeun. Nanging, upami perlakuan laser sapertos kitu dilakukeun dina permukaan unggal lapisan, salami ngawangun lapisan-demi-lapisan, épék dina sakumna volume atanapi dina bagian volume anu dipilih kahontal. Kalayan kecap sanésna, upami bagian éta diwangun lapisan demi lapisan, perlakuan permukaan laser unggal lapisan sami sareng "perlakuan volume laser".
Sedengkeun dina terapi ultrasonik dumasar tanduk ultrasonik, énergi ultrasonik tina gelombang sora nangtung disebarkeun ka sakumna komponén, sedengkeun inténsitas ultrasonik anu diinduksi laser kacida terkonsentrasi di deukeut titik dimana radiasi laser diserep. Ngagunakeun sonotrode dina mesin fusi bubuk SLM rumit sabab permukaan luhur bubuk anu kakeunaan radiasi laser kedah tetep cicing. Salaku tambahan, teu aya setrés mékanis dina permukaan luhur bagian éta. Ku alatan éta, setrés akustik caket kana nol sareng kecepatan partikel gaduh amplitudo maksimum di sakumna permukaan luhur bagian éta. Tekanan sora di jero sakabéh kolam renang anu dilelehan teu tiasa ngaleuwihan 0,1% tina tekanan maksimum anu dihasilkeun ku sirah las, sabab panjang gelombang gelombang ultrasonik kalayan frékuénsi 20 kHz dina stainless steel nyaéta \(\sim 0,3~\text {m}\), sareng jerona biasana kirang ti \(\sim 0,3~\text {mm}\). Ku alatan éta, pangaruh ultrasound kana kavitasi tiasa alit.
Perlu dicatet yén panggunaan radiasi laser anu dimodulasi inténsitas dina déposisi logam laser langsung mangrupikeun widang panalungtikan anu aktip35,36,37,38.
Pangaruh termal tina radiasi laser anu asup kana média mangrupikeun dasar pikeun ampir sadaya téknik laser 39, 40 pikeun pamrosésan bahan, sapertos motong 41, ngelas, ngakeraskeun, ngebor 42, beberesih permukaan, paduan permukaan, polesan permukaan 43, jsb. Panemuan laser ngarangsang perkembangan anyar dina téknik pamrosésan bahan, sareng hasil awal parantos diringkeskeun dina seueur ulasan sareng monografi 44, 45, 46.
Perlu dicatet yén sagala tindakan anu teu stasioner dina média, kalebet tindakan laser dina média anu nyerep, ngahasilkeun éksitasi gelombang akustik di jerona kalayan efisiensi anu langkung atanapi kirang. Mimitina, fokus utama nyaéta kana éksitasi laser gelombang dina cairan sareng rupa-rupa mékanisme éksitasi termal sora (ékspasi termal, penguapan, parobahan volume salami transisi fase, kontraksi, jsb.) 47, 48, 49. Seueur monograf 50, 51, 52 nyayogikeun analisis téoritis ngeunaan prosés ieu sareng aplikasi praktis anu mungkin.
Masalah-masalah ieu salajengna dibahas dina sababaraha konferensi, sareng eksitasi laser tina ultrasound gaduh aplikasi dina aplikasi industri téknologi laser53 sareng ubar54. Ku alatan éta, tiasa dianggap yén konsép dasar prosés dimana cahaya laser pulsa meta dina média panyerep parantos ditetepkeun. Inspeksi ultrasonik laser dianggo pikeun deteksi cacad sampel anu diproduksi ku SLM55,56.
Pangaruh gelombang kejut anu dihasilkeun ku laser kana bahan mangrupikeun dasar tina laser shock peening57,58,59, anu ogé dianggo pikeun perawatan permukaan bagian anu diproduksi sacara aditif60. Nanging, penguatan kejut laser paling efektif dina pulsa laser nanodetik sareng permukaan anu dimuat sacara mékanis (contona, nganggo lapisan cairan)59 sabab beban mékanis ningkatkeun tekanan puncak.
Ékspérimén dilakukeun pikeun nalungtik pangaruh anu mungkin tina rupa-rupa widang fisik kana mikrostruktur bahan anu padet. Diagram fungsional tina setelan ékspérimén dipidangkeun dina Gambar 1. Laser solid-state Nd:YAG pulsed anu beroperasi dina modeu free-running (durasi pulsa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) dianggo. Unggal pulsa laser dialirkeun ngaliwatan runtuyan filter kapadetan nétral sareng sistem pelat beam splitter. Gumantung kana kombinasi filter kapadetan nétral, énergi pulsa dina target rupa-rupa ti \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) dugi ka \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Sinar laser anu dipantulkeun tina beam splitter diumpankeun ka fotodioda pikeun akuisisi data simultan, sareng dua kalorimeter (fotodioda kalayan waktos réspon anu panjang ngaleuwihan \(1~\text {ms}\)) dianggo pikeun nangtukeun kajadian ka sareng dipantulkeun tina target, sareng dua méter daya (fotodioda kalayan réspon pondok kali\(<10~\text {ns}\)) pikeun nangtukeun daya optik datang jeung pantulan. Kalorimeter jeung méter daya dikalibrasi pikeun méré nilai dina unit absolut maké detektor termopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 jeung eunteung dielektrik nu dipasang di lokasi sampel. Fokuskeun sinar kana target maké lénsa (lapisan Antireflection dina \(1.06 \upmu \text {m}\), panjang fokus \(160~\text {mm}\)) jeung cangkéng sinar dina permukaan target 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagram skematis fungsional tina setelan ékspérimén: 1—laser; 2—sinar laser; 3—filter kapadetan nétral; 4—fotodioda sinkronisasi; 5—pemisah sinar; 6—diafragma; 7—kalorimeter sinar datang; 8 – kalorimeter sinar pantulan; 9 – méteran daya sinar datang; 10 – méteran daya sinar pantulan; 11 – lénsa fokus; 12 – eunteung; 13 – sampel; 14 – transduser piézoéléktrik broadband; 15 – konverter 2D; 16 – mikrokontroler posisi; 17 – unit sinkronisasi; 18 – sistem akuisisi digital multi-kanal kalayan rupa-rupa laju sampling; 19 – komputer pribadi.
Perawatan ultrasonik dilaksanakeun sapertos kieu. Laser beroperasi dina modeu jalan bébas; ku kituna durasi pulsa laser nyaéta \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), anu diwangun ku sababaraha durasi sakitar \(1,5~\upmu \text {s} \) masing-masing. Bentuk temporal pulsa laser sareng spéktrumna diwangun ku amplop frékuénsi rendah sareng modulasi frékuénsi tinggi, kalayan frékuénsi rata-rata sakitar \(0,7~\text {MHz}\), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2.- Amplop frékuénsi nyayogikeun pemanasan sareng salajengna ngalembereh sareng nguapkeun bahan, sedengkeun komponén frékuénsi tinggi nyayogikeun geteran ultrasonik kusabab pangaruh fotoakustik. Bentuk gelombang pulsa ultrasonik anu dihasilkeun ku laser utamina ditangtukeun ku bentuk waktos tina inténsitas pulsa laser. Éta ti \(7~\text {kHz}\) ka \ (2~\text {MHz}\), sareng frékuénsi puseurna nyaéta \(~ 0.7~\text {MHz}\). Pulsa akustik kusabab éfék fotoakustik dirékam nganggo transduser piezoelektrik broadband anu didamel tina pilem polivinilidena fluorida. Bentuk gelombang anu dirékam sareng spéktrumna dipidangkeun dina Gambar 2. Perlu dicatet yén bentuk pulsa laser khas laser modeu anu ngajalankeun bébas.
Sebaran temporal tina inténsitas pulsa laser (a) sareng kecepatan sora dina permukaan tukang sampel (b), spéktra pulsa laser (c) sareng pulsa ultrasonik (d) dirata-ratakeun langkung ti 300 pulsa laser (kurva beureum) pikeun hiji pulsa laser (kurva biru).
Urang tiasa ngabédakeun sacara jelas komponén frékuénsi handap sareng frékuénsi luhur tina perlakuan akustik anu saluyu sareng amplop frékuénsi handap tina pulsa laser sareng modulasi frékuénsi luhur. Panjang gelombang gelombang akustik anu dihasilkeun ku amplop pulsa laser ngaleuwihan \(40~\text {cm}\); ku kituna, pangaruh utama komponén frékuénsi luhur broadband tina sinyal akustik kana mikrostruktur dipiharep.
Prosés fisik dina SLM rumit sareng lumangsung sacara simultan dina skala spasial sareng temporal anu béda. Ku alatan éta, metode multi-skala paling cocog pikeun analisis téoritis SLM. Modél matematika mimitina kedah multi-fisik. Mékanika sareng termofisika tina média multifase "lelehan padet-cair" anu berinteraksi sareng atmosfir gas inert teras tiasa dijelaskeun sacara efektif. Ciri-ciri beban termal bahan dina SLM nyaéta sapertos kieu.
Laju pemanasan sareng pendinginan dugi ka \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ kusabab iradiasi laser lokal kalayan kapadetan daya dugi ka \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Siklus lééh-padetifikasi lumangsung antara 1 sareng \(10~\text {ms}\), anu nyumbang kana padetifikasi gancang zona lééh nalika niiskeun.
Pemanasan gancang dina permukaan sampel nyababkeun kabentukna setrés termoelastis anu luhur dina lapisan permukaan. Bagian anu cekap (dugi ka 20%) tina lapisan bubuk nguap pisan63, anu nyababkeun beban tekanan tambahan dina permukaan salaku réspon kana ablasi laser. Balukarna, galur anu diinduksi sacara signifikan ngaganggu géométri bagian, khususna caket pangrojong sareng unsur struktural ipis. Laju pemanasan anu luhur dina annealing laser pulsed nyababkeun generasi gelombang galur ultrasonik anu nyebar ti permukaan ka substrat. Pikeun kéngingkeun data kuantitatif anu akurat ngeunaan distribusi setrés sareng galur lokal, simulasi mesoskopik tina masalah deformasi élastis anu dihubungkeun sareng transfer panas sareng massa dilaksanakeun.
Persamaan anu ngatur modél ieu kalebet (1) persamaan transfer panas anu teu ajeg dimana konduktivitas termal gumantung kana kaayaan fase (bubuk, lebur, polikristalin) sareng suhu, (2) fluktuasi dina deformasi élastis saatos ablasi kontinum sareng persamaan ékspansi termoelastis. Masalah nilai wates ditangtukeun ku kaayaan ékspériméntal. Fluks laser anu dimodulasi dihartikeun dina permukaan sampel. Pendinginan konvéktif kalebet pertukaran panas konduktif sareng fluks évaporatif. Fluks massa dihartikeun dumasar kana itungan tekanan uap jenuh tina bahan anu nguap. Hubungan tegangan-galur élastoplastik dianggo dimana tegangan termoelastis sabanding sareng bédana suhu. Pikeun kakuatan nominal \(300~\text {W}\), frékuénsi \(10^5~\text {Hz}\), koéfisién intermiten 100 sareng \(200~\upmu \text {m}\) tina diaméter balok anu efektif.
Gambar 3 nunjukkeun hasil simulasi numerik zona cair nganggo modél matematika makroskopis. Diaméter zona fusi nyaéta \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) radius) sareng \(40~\upmu \text {m}\) jerona. Hasil simulasi nunjukkeun yén suhu permukaan robah sacara lokal sareng waktos salaku \(100~\text {K}\) kusabab faktor intermiten anu luhur tina modulasi pulsa. Laju pemanasan \(V_h\) sareng pendinginan \(V_c\) masing-masing aya dina urutan \(10^7\) sareng \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Nilai-nilai ieu saluyu sareng analisis kami sateuacanna64. Béda urutan gedena antara \(V_h\) sareng \(V_c\) nyababkeun lapisan permukaan panas teuing gancang, dimana konduksi termal ka substrat henteu cekap pikeun miceun panas. Ku alatan éta, dina \(t=26~\upmu \text {s}\) suhu permukaan ngahontal puncakna nepi ka \(4800~\text {K}\). Panguapan bahan anu kuat tiasa nyababkeun permukaan sampel kakeunaan tekanan anu kaleuleuwihi sareng ngalupas.
Hasil simulasi numerik zona lebur tina annealing pulsa laser tunggal dina pelat sampel 316L. Waktos ti mimiti pulsa dugi ka jerona kolam lebur ngahontal nilai maksimum nyaéta \(180~\upmu\text {s}\). Isoterm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) ngagambarkeun wates antara fase cair sareng padet. Isobar (garis konéng) pakait sareng tegangan luluh anu diitung salaku fungsi suhu dina bagian salajengna. Ku alatan éta, dina domain antara dua isolin (isoterm\(T=T_L\) sareng isobar\(\sigma =\sigma _V(T)\)), fase padet kakeunaan beban mékanis anu kuat, anu tiasa nyababkeun parobahan dina mikrostruktur.
Éfék ieu dijelaskeun langkung lanjut dina Gambar 4a, dimana tingkat tekanan dina zona cair diplot salaku fungsi waktos sareng jarak ti permukaan. Mimiti, paripolah tekanan aya hubunganana sareng modulasi inténsitas pulsa laser anu dijelaskeun dina Gambar 2 di luhur. Tekanan maksimum \text{s}\) sakitar \(10~\text {MPa}\) dititénan sakitar \(t=26~\upmu). Kadua, fluktuasi tekanan lokal dina titik kontrol gaduh karakteristik osilasi anu sami sareng frékuénsi \(500~\text {kHz}\). Ieu ngandung harti yén gelombang tekanan ultrasonik dihasilkeun di permukaan teras nyebar ka substrat.
Karakteristik anu diitung tina zona deformasi caket zona lebur dipidangkeun dina Gambar 4b. Ablasi laser sareng setrés termoelastik ngahasilkeun gelombang deformasi elastis anu nyebar ka substrat. Sakumaha anu tiasa ditingali tina gambar, aya dua tahapan generasi setrés. Salila fase kahiji \(t < 40~\upmu \text {s}\), setrés Mises naék ka \(8~\text {MPa}\) kalayan modulasi anu sami sareng tekanan permukaan. Setrés ieu lumangsung kusabab ablasi laser, sareng teu aya setrés termoelastik anu dititénan dina titik kontrol sabab zona anu kapangaruhan panas awalna alit teuing. Nalika panas disalurkeun kana substrat, titik kontrol ngahasilkeun setrés termoelastik anu luhur di luhur \(40~\text {MPa}\).
Tingkat setrés anu dimodulasi anu diala gaduh dampak anu signifikan kana antarmuka padet-cair sareng tiasa janten mékanisme kontrol anu ngatur jalur solidifikasi. Ukuran zona deformasi 2 dugi ka 3 kali langkung ageung tibatan zona lebur. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 3, lokasi isoterm lebur sareng tingkat setrés anu sami sareng setrés luluh dibandingkeun. Ieu ngandung harti yén iradiasi laser pulsed nyayogikeun beban mékanis anu luhur di daérah lokal kalayan diaméter efektif antara 300 sareng \(800~\upmu \text {m}\) gumantung kana waktos sakedapan.
Ku kituna, modulasi kompléks tina annealing laser pulsed ngabalukarkeun éfék ultrasonik. Jalur pamilihan mikrostruktur béda upami dibandingkeun sareng SLM tanpa beban ultrasonik. Daérah anu teu stabil anu cacad nyababkeun siklus komprési sareng peregangan périodik dina fase padet. Ku kituna, formasi wates butir sareng wates subbutir énggal janten tiasa dilakukeun. Ku alatan éta, sipat mikrostruktur tiasa dirobih sacara ngahaja, sapertos anu dipidangkeun di handap ieu. Kacindekan anu diala nyayogikeun kamungkinan pikeun ngarancang prototipe SLM anu didorong ku ultrasound anu diinduksi modulasi pulsa. Dina hal ieu, induktor piezoelektrik 26 anu dianggo di tempat sanés tiasa dikaluarkeun.
(a) Tekanan salaku fungsi waktu, diitung dina jarak anu béda ti permukaan 0, 20 sareng \(40~\upmu \text {m}\) sapanjang sumbu simétri.(b) Tegangan Von Mises anu gumantung kana waktu diitung dina matriks padet dina jarak 70, 120 sareng \(170~\upmu \text {m}\) ti permukaan sampel.
Ékspérimén dilakukeun dina pelat baja tahan karat AISI 321H kalayan diménsi \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Saatos unggal pulsa laser, pelat gerak \(50~\upmu \text {m}\), sareng cangkéng sinar laser dina permukaan target sakitar \(100~\upmu \text {m}\). Nepi ka lima lintasan sinar salajengna dilakukeun sapanjang jalur anu sami pikeun ngainduksi peleburan deui bahan anu diprosés pikeun panyaringan sisikian. Dina sadaya kasus, zona anu dilelehan deui disonikasi, gumantung kana komponén osilasi tina radiasi laser. Ieu ngahasilkeun réduksi langkung ti 5 kali lipat dina rata-rata lega sisikian. Gambar 5 nunjukkeun kumaha mikrostruktur daérah anu dilelehan laser robih kalayan jumlah siklus peleburan deui (lintas) salajengna.
Subplot (a,d,g,j) sareng (b,e,h,k) – mikrostruktur daérah anu dilebur ku laser, subplot (c,f,i,l) – distribusi daérah butir anu diwarnaan. Bayangan ngagambarkeun partikel anu dianggo pikeun ngitung histogram. Warna pakait sareng daérah butir (tingali bilah warna di luhur histogram. Subplot (ac) pakait sareng baja tahan karat anu teu diolah, sareng subplot (df), (gi), (jl) pakait sareng 1, 3 sareng 5 anu dilebur deui.
Kusabab énergi pulsa laser henteu robih antara lintasan salajengna, jerona zona lebur sami. Ku kituna, saluran salajengna "nutupan" saluran sateuacanna sacara lengkep. Nanging, histogram nunjukkeun yén daérah butir rata-rata sareng median ngirangan kalayan ningkatna jumlah lintasan. Ieu tiasa nunjukkeun yén laser bertindak dina substrat tinimbang lebur.
Panyempurnaan sisikian tiasa disababkeun ku pendinginan gancang tina kolam cair65. Sakumpulan ékspérimén anu sanés dilaksanakeun dimana permukaan pelat stainless steel (321H sareng 316L) kakeunaan radiasi laser gelombang kontinyu di atmosfir (Gambar 6) sareng vakum (Gambar 7). Kakuatan laser rata-rata (masing-masing 300 W sareng 100 W) sareng jerona kolam cair caket kana hasil ékspérimén laser Nd:YAG dina modeu jalan bébas. Nanging, struktur kolom has anu dititénan.
Mikrostruktur daérah anu dilebur ku laser tina laser gelombang kontinyu (kakuatan konstan 300 W, kecepatan scan 200 mm/s, baja tahan karat AISI 321H).
(a) Mikrostruktur sareng (b) gambar difraksi hambur balik éléktron tina daérah anu dilebur laser dina vakum nganggo laser gelombang kontinyu (kakuatan konstan 100 W, kecepatan scan 200 mm/s, baja tahan karat AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Ku kituna, jelas dipidangkeun yén modulasi kompléks tina inténsitas pulsa laser gaduh pangaruh anu signifikan kana mikrostruktur anu dihasilkeun. Kami yakin yén pangaruh ieu sipatna mékanis sareng lumangsung kusabab generasi getaran ultrasonik anu nyebar tina permukaan anu diiradiasi tina lebur jero kana sampel. Hasil anu sami diala dina 13, 26, 34, 66, 67 nganggo transduser piezoelektrik éksternal sareng sonotroda anu nyayogikeun ultrasound intensitas tinggi dina rupa-rupa bahan kalebet paduan Ti-6Al-4V 26 sareng stainless steel 34 hasil tina. Mékanisme anu mungkin dispekulasikeun sapertos kieu. Ultrasonografi anu kuat tiasa nyababkeun kavitasi akustik, sapertos anu dipidangkeun dina pencitraan sinar-X sinkrotron in situ ultrafast. Runtuhna gelembung kavitasi dina gilirannana ngahasilkeun gelombang kejut dina bahan cair, anu tekanan payunna ngahontal sakitar \(100~\text {MPa}\)69. Gelombang kejut sapertos kitu tiasa cekap kuat pikeun ngamajukeun formasi inti fase padet ukuran kritis dina cairan massal, ngaganggu struktur butir kolumnar khas tina manufaktur aditif lapis-demi-lapis.
Di dieu, urang ngajukeun mékanisme séjén anu tanggung jawab pikeun modifikasi struktural ku sonikasi anu kuat. Langsung saatos solidifikasi, bahan éta aya dina suhu anu luhur caket kana titik lebur sareng gaduh tegangan luluh anu handap pisan. Gelombang ultrasonik anu kuat tiasa nyababkeun aliran plastik ngarobih struktur butir bahan anu panas sareng nembé padet. Nanging, data ékspérimén anu tiasa dipercaya ngeunaan gumantungna suhu tina tegangan luluh sayogi di \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (tingali Gambar 8). Ku alatan éta, pikeun nguji hipotesis ieu, urang ngalaksanakeun simulasi dinamika molekuler (MD) tina komposisi Fe-Cr-Ni anu sami sareng baja AISI 316 L pikeun meunteun paripolah tegangan luluh caket titik lebur. Pikeun ngitung tegangan luluh, urang nganggo téknik relaksasi tegangan geser MD anu dirinci dina 70, 71, 72, 73. Pikeun itungan interaksi interatomik, urang nganggo Embedded Atomic Model (EAM) ti 74. Simulasi MD dilakukeun nganggo kode LAMMPS 75,76. Rincian simulasi MD bakal diterbitkeun di tempat sanés. MD Hasil itungan tegangan luluh salaku fungsi suhu dipidangkeun dina Gambar 8 sareng data ékspérimén anu sayogi sareng évaluasi sanésna77,78,79,80,81,82.
Tegangan hasil pikeun baja tahan karat austenitik kelas AISI 316 sareng komposisi modél dibandingkeun suhu pikeun simulasi MD. Pangukuran ékspériméntal tina rujukan: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. tingal. (f)82 mangrupikeun modél empiris gumantungna tegangan hasil-suhu pikeun pangukuran tegangan in-line salami manufaktur aditif anu dibantuan laser. Hasil simulasi MD skala ageung dina panilitian ieu dilambangkeun salaku \(\vartriangleleft\) pikeun kristal tunggal anu teu terbatas anu bébas cacad sareng \(\vartriangleright\) pikeun butir anu terbatas kalayan merhatoskeun ukuran butir rata-rata ngalangkungan hubungan Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Bisa katingali yén dina \(T>1500~\text {K}\) tegangan luluh turun di handap \(40~\text {MPa}\). Di sisi séjén, perkiraan ngaduga yén amplitudo ultrasonik anu dihasilkeun ku laser ngaleuwihan \(40~\text {MPa}\) (tingali Gambar 4b), anu cekap pikeun ngainduksi aliran plastik dina bahan panas anu nembé padet.
Pembentukan mikrostruktur baja tahan karat austenitik 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) salami SLM ditalungtik sacara ékspériméntal nganggo sumber laser pulsa anu dimodulasi inténsitasna kompléks.
Pangurangan ukuran butir dina zona lebur laser kapanggih alatan peleburan deui laser anu kontinyu saatos 1, 3 atanapi 5 kali.
Pemodelan makroskopis nunjukkeun yén perkiraan ukuran daérah dimana deformasi ultrasonik tiasa mangaruhan sacara positif kana bagian hareup solidifikasi nyaéta dugi ka \(1~\text {mm}\).
Modél MD mikroskopis nunjukkeun yén kakuatan luluh baja tahan karat austenitik AISI 316 dikirangan sacara signifikan janten \(40~\text {MPa}\) caket titik lebur.
Hasil anu diala nunjukkeun hiji metode pikeun ngontrol mikrostruktur bahan nganggo pamrosésan laser termodulasi anu rumit sareng tiasa janten dasar pikeun nyiptakeun modifikasi énggal tina téknik SLM pulsed.
Liu, Y. et al. Évolusi mikrostruktural sareng sipat mékanis komposit TiB2/AlSi10Mg in situ ku cara ngalembereh selektif laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Rékayasa wates butir rekristalisasi tina peleburan selektif laser tina stainless steel 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Pangwangunan in situ mikrostruktur sandwich kalayan daktilitas anu ditingkatkeun ku cara dipanaskeun deui ku laser tina paduan titanium anu dilebur ku laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Pabrikasi aditif bagian Ti-6Al-4V ku cara déposisi logam laser (LMD): prosés, mikrostruktur sareng sipat mékanis. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Pemodelan mikrostruktur tina déposisi énergi anu diarahkeun ku bubuk logam laser tina Alloy 718. Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Ulikan Pencitraan Tepi Bragg Neutron Parametrik tina Sampel anu Diproduksi sacara Aditif anu Diubaran ku Laser Shock Peening.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Mikrostruktur gradien sareng sipat mékanis Ti-6Al-4V anu didamel sacara aditif ku cara ngalemberehkeun sinar éléktron. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).