Ташаккур барои боздид аз Nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои беҳтарин таҷриба, мо тавсия медиҳем, ки шумо аз браузери навшуда истифода баред (ё режими мутобиқатро дар Internet Explorer хомӯш кунед). Дар айни замон, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услуб ва JavaScript намоиш медиҳем.
Механизми наве, ки ба обшавии интихобӣ бо лазер барои назорати микросохтори маҳсулот дар раванди истеҳсолӣ асос ёфтааст, пешниҳод карда мешавад. Механизм ба тавлиди мавҷҳои ултрасадои баландшиддат дар ҳавзи гудохта тавассути нурпошии мураккаби лазерӣ бо шиддат асос ёфтааст. Таҳқиқоти таҷрибавӣ ва симулятсияҳои рақамӣ нишон медиҳанд, ки ин механизми идоракунӣ аз ҷиҳати техникӣ имконпазир аст ва метавонад ба тарҳрезии мошинҳои муосири обшавии интихобӣ бо лазерӣ самаранок ворид карда шавад.
Истеҳсоли иловагии (ИА) қисмҳои шакли мураккаб дар даҳсолаҳои охир ба таври назаррас рушд кардааст. Аммо, сарфи назар аз гуногунии равандҳои истеҳсолии иловагӣ, аз ҷумла обшавии интихобӣ бо лазер (SLM)1,2,3, ҷойгиркунии мустақими металл бо лазер4,5,6, обшавии шуоъи электронӣ7,8 ва дигарон9,10, қисмҳо метавонанд ноқис бошанд. Ин асосан аз хусусиятҳои хоси раванди сахтшавии ҳавзи гудохта вобаста аст, ки бо градиентҳои баланди гармӣ, суръати баланди хунуккунӣ ва мураккабии давраҳои гармкунӣ дар маводҳои гудохта ва аз нав гудохташаванда11 алоқаманд аст, ки боиси афзоиши донаҳои эпитаксиалӣ ва сӯрохии назаррас12,13 мегардад. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки барои ба даст овардани сохторҳои донаҳои баробармеҳвар назорати градиентҳои гармӣ, суръати хунуккунӣ ва таркиби хӯла ё татбиқи зарбаҳои иловагии ҷисмонӣ тавассути майдонҳои беруна бо хосиятҳои гуногун (масалан, ултрасадо) зарур аст.
Нашрияҳои сершумор ба таъсири коркарди ларзиш ба раванди сахтшавӣ дар равандҳои анъанавии рехтагарӣ нигаронида шудаанд14,15. Аммо, истифодаи майдони беруна ба гудохтаҳои калон сохтори дилхоҳи маводро ба вуҷуд намеорад. Агар ҳаҷми фазаи моеъ хурд бошад, вазъият ба таври назаррас тағйир меёбад. Дар ин ҳолат, майдони беруна ба раванди сахтшавӣ таъсири назаррас мерасонад. Таъсири электромагнитӣ ҳангоми майдонҳои шадиди акустикӣ16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, омехта кардани камон28 ва ларзиш29, камонҳои плазмаи импулсӣ30,31 ва дигар усулҳо32 ба назар гирифта шудааст. Бо истифода аз манбаи берунаи ултрасадои баландшиддат (дар 20 кГц) ба субстрат пайваст кунед. Такмили ғалладонагиҳои аз ултрасадо ба вуҷудомада ба афзоиши минтақаи зерхунуккунии таркибӣ аз сабаби паст шудани градиенти ҳарорат ва беҳтар шудани ултрасадо барои тавлиди кристаллитҳои нав тавассути кавитатсия вобаста аст.
Дар ин кор, мо имконияти тағир додани сохтори доначаҳои пӯлодҳои зангногири аустенитиро тавассути ултрасадо кардани ҳавзи гудохта бо мавҷҳои садо, ки аз ҷониби худи лазери гудохта тавлид мешаванд, таҳқиқ кардем. Модуляцияи шиддати радиатсияи лазерӣ, ки ба муҳити фурӯбарандаи нур меафтад, боиси тавлиди мавҷҳои ултрасадо мегардад, ки сохтори микросохтори маводро тағйир медиҳанд. Ин модулятсияи шиддати радиатсияи лазерӣ метавонад ба осонӣ ба принтерҳои мавҷудаи SLM 3D ворид карда шавад. Таҷрибаҳо дар ин кор дар табақҳои пӯлоди зангногир, ки сатҳҳояшон ба радиатсияи лазерии модулятсияшудаи шиддат дучор шуда буданд, гузаронида шуданд. Аз ин рӯ, аз ҷиҳати техникӣ, коркарди сатҳи лазерӣ анҷом дода мешавад. Аммо, агар чунин коркарди лазерӣ дар сатҳи ҳар як қабат, ҳангоми ташаккули қабат ба қабат анҷом дода шавад, таъсир ба тамоми ҳаҷм ё ба қисмҳои интихобшудаи ҳаҷм ба даст оварда мешавад. Ба ибораи дигар, агар қисм қабат ба қабат сохта шавад, коркарди сатҳи лазерии ҳар як қабат ба "коркарди ҳаҷмии лазерӣ" баробар аст.
Дар ҳоле ки дар терапияи ултрасадои ултрасадои дар асоси шохи ултрасадо, энергияи ултрасадои мавҷи садои истода дар тамоми ҷузъ тақсим мешавад, дар ҳоле ки шиддати ултрасадои аз лазер ба вуҷуд омада дар наздикии нуқтае, ки радиатсияи лазерӣ ҷаббида мешавад, хеле мутамарказ аст. Истифодаи sonotrode дар мошини омехтакунии кати хокагии SLM мураккаб аст, зеро сатҳи болоии кати хока, ки ба радиатсияи лазерӣ дучор мешавад, бояд статсионарӣ боқӣ монад. Ғайр аз ин, дар сатҳи болоии қисм фишори механикӣ вуҷуд надорад. Аз ин рӯ, фишори акустикӣ ба сифр наздик аст ва суръати зарраҳо амплитудаи максималӣ дар тамоми сатҳи болоии қисм дорад. Фишори садо дар дохили тамоми ҳавзи гудохта наметавонад аз 0,1% фишори максималии тавлидшуда аз ҷониби сари кафшер зиёд бошад, зеро дарозии мавҷи мавҷҳои ултрасадо бо басомади 20 кГц дар пӯлоди зангногир \(\sim 0.3~\text {m}\) аст ва умқ одатан аз \(\sim 0.3~\text {mm}\) камтар аст. Аз ин рӯ, таъсири ултрасадо ба кавитатсия метавонад ночиз бошад.
Бояд қайд кард, ки истифодаи радиатсияи лазерии модулятсияшудаи шиддат ҳангоми ҷойгиркунии мустақими металл бо лазер самти фаъоли таҳқиқот мебошад35,36,37,38.
Таъсири гармии радиатсияи лазерӣ ба муҳит асоси қариб ҳамаи усулҳои лазерӣ 39, 40 барои коркарди мавод, ба монанди буридан41, кафшер, сахткунӣ, пармакунӣ42, тоза кардани сатҳ, хӯла кардани сатҳ, сайқал додани сатҳ43 ва ғайра мебошад. Ихтирои лазер таҳаввулоти навро дар усулҳои коркарди мавод ангехт ва натиҷаҳои аввалия дар баррасиҳо ва монографияҳои сершумор44,45,46 ҷамъбаст шудаанд.
Бояд қайд кард, ки ҳама гуна таъсири ғайристатикӣ ба муҳит, аз ҷумла таъсири дарозмуддат ба муҳити ҷаббанда, боиси ангехтани мавҷҳои акустикӣ дар он бо самаранокии бештар ё камтар мегардад. Дар аввал, таваҷҷӯҳи асосӣ ба ангехтани лазерии мавҷҳо дар моеъҳо ва механизмҳои гуногуни ангехтани гармии садо (васеъшавии гармӣ, бухоршавӣ, тағирёбии ҳаҷм ҳангоми гузариши фаза, кашишхӯрӣ ва ғайра) равона карда шуда буд. 47, 48, 49. Монографияҳои сершумор50, 51, 52 таҳлили назариявии ин раванд ва татбиқи амалии имконпазири онро пешниҳод мекунанд.
Ин масъалаҳо баъдан дар конфронсҳои гуногун баррасӣ шуданд ва ангезиши лазерии ултрасадо ҳам дар соҳаҳои саноатии технологияи лазерӣ53 ва ҳам дар тиб54 татбиқ мешавад. Аз ин рӯ, метавон гуфт, ки консепсияи асосии раванде, ки тавассути он нури лазерии импулсӣ ба муҳити ҷаббанда таъсир мерасонад, муқаррар шудааст. Тафтиши ултрасадои лазерӣ барои муайян кардани нуқсонҳои намунаҳои истеҳсолшудаи SLM55,56 истифода мешавад.
Таъсири мавҷҳои зарбаи тавлидшуда аз лазер ба маводҳо асоси пӯсткунии зарбаи лазерӣ мебошад57,58,59, ки инчунин барои коркарди сатҳи қисмҳои иловагии истеҳсолшуда60 истифода мешавад. Аммо, тақвияти зарбаи лазерӣ дар импулсҳои лазерии наносония ва сатҳҳои механикӣ боршуда (масалан, бо қабати моеъ)59 самараноктар аст, зеро боркунии механикӣ фишори қулларо зиёд мекунад.
Барои таҳқиқи таъсири эҳтимолии майдонҳои гуногуни физикӣ ба микросохтори маводҳои сахтшуда таҷрибаҳо гузаронида шуданд. Диаграммаи функсионалии дастгоҳи таҷрибавӣ дар расми 1 нишон дода шудааст. Лазери сахти импулсии Nd:YAG, ки дар ҳолати озод кор мекунад (давомнокии импулс 150~ ... маротиба\(<10~\text {ns}\)) барои муайян кардани қувваи оптикии афтида ва инъикосшуда истифода шуд. Калориметрҳо ва ҳисобкунакҳои қувва барои додани арзишҳо дар воҳидҳои мутлақ бо истифода аз детектори термопил Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ва оинаи диэлектрикие, ки дар макони намуна насб шудааст, калибр карда шуданд. Шуоъро ба ҳадаф бо истифода аз линза (пӯшиши зиддиинъикос дар 1.06 м), масофаи фокусӣ 160 м) ва камарбанди шуоъ дар сатҳи ҳадаф 60-100 м) равона кунед.
Диаграммаи схемавии функсионалии дастгоҳи таҷрибавӣ: 1 — лазер; 2 — шуои лазерӣ; 3 — филтри зичии бетараф; 4 — фотодиоди ҳамоҳангшуда; 5 — тақсимкунандаи шуоъ; 6 — диафрагма; 7 — калориметри шуои афтанда; 8 — калориметри шуои инъикосшуда; 9 — ченкунаки қувваи шуои афтанда; 10 — ченкунаки қувваи шуои инъикосшуда; 11 — линзаи фокускунанда; 12 — оина; 13 — намуна; 14 — табдилдиҳандаи пьезоэлектрикии фарохмаҷро; 15 — табдилдиҳандаи дученака; 16 — микроконтроллери мавқеъгирӣ; 17 — дастгоҳи ҳамоҳангсозӣ; 18 — системаи рақамии бисёрканалӣ бо суръатҳои гуногуни намунагирӣ; 19 — компютери шахсӣ.
Коркарди ултрасадо чунин анҷом дода мешавад. Лазер дар ҳолати озод кор мекунад; аз ин рӯ, давомнокии импулси лазерӣ �(tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) аст, ки аз давомнокии сершумори тақрибан �(1.5~\upmu \text {s}\) иборат аст. Шакли муваққатии импулси лазерӣ ва спектри он аз лифофаи пастбасомад ва модулятсияи баландбасомад иборат аст, ки басомади миёнаи он тақрибан �(0.7~\text {MHz}\) аст, чунон ки дар расми 2 нишон дода шудааст. - Лифофаи басомад гармкунӣ ва обшавӣ ва бухоршавии минбаъдаи маводро таъмин мекунад, дар ҳоле ки ҷузъи басомади баланд ларзишҳои ултрасадоро аз сабаби таъсири фотоакустикӣ таъмин мекунад. Шакли мавҷи импулси ултрасадо, ки аз ҷониби лазер тавлид мешавад, асосан аз рӯи шакли вақтии шиддати импулси лазерӣ муайян карда мешавад. Он аз √7~\text {kHz}\) то √2~\text {MHz}\) аст ва басомади марказӣ √0.7~\text {MHz}\ аст. Импулсҳои акустикӣ аз сабаби таъсири фотоакустикӣ бо истифода аз табдилдиҳандаҳои пьезоэлектрикии фарохмаҷро, ки аз плёнкаҳои фториди поливинилиден сохта шудаанд, сабт карда шуданд. Шакли мавҷи сабтшуда ва спектри он дар расми 2 нишон дода шудааст. Бояд қайд кард, ки шакли импулсҳои лазерӣ хоси лазери режими озод аст.
Тақсимоти муваққатии шиддати импулси лазерӣ (а) ва суръати садо дар сатҳи қафои намуна (б), спектрҳои импулси лазерӣ (в) ва импулси ултрасадоӣ (г), ки ба ҳисоби миёна беш аз 300 импулси лазерӣ (каҷи сурх) барои як импулси лазерӣ (каҷи кабуд) мебошанд.
Мо метавонем ҷузъҳои басомади паст ва басомади баланди коркарди акустикиро, ки мутаносибан ба лифофаи басомади пасти импулси лазерӣ ва модуляцияи басомади баланд мувофиқат мекунанд, ба таври возеҳ фарқ кунем. Дарозии мавҷҳои акустикии тавлидшуда аз ҷониби лифофаи импулси лазерӣ аз 40 см зиёд аст; аз ин рӯ, интизор меравад, ки таъсири асосии ҷузъҳои басомади баланди паҳнои сигнали акустикӣ ба микросохтор таъсир расонад.
Равандҳои физикӣ дар SLM мураккаб буда, ҳамзамон дар миқёсҳои гуногуни фазоӣ ва замонӣ ба амал меоянд. Аз ин рӯ, усулҳои бисёрмиқёсӣ барои таҳлили назариявии SLM бештар мувофиқанд. Моделҳои математикӣ бояд дар аввал бисёрфизикӣ бошанд. Механика ва термофизикаи муҳити бисёрфазавии "обшавии сахт-моеъ", ки бо атмосфераи гази инертӣ ҳамкорӣ мекунад, сипас метавонанд самаранок тавсиф карда шаванд. Хусусиятҳои борҳои гармии мавод дар SLM чунинанд.
Суръати гармкунӣ ва хунуккунӣ то \(10^{13}~\text {W} см}^2\) /\text{ аз сабаби нурпошии маҳаллии лазерӣ.
Давраи обшавӣ-сахтшавӣ аз 1 то 10 мс давом мекунад, ки ба сахтшавии босуръати минтақаи обшавӣ ҳангоми хунукшавӣ мусоидат мекунад.
Гармкунии босуръати сатҳи намуна боиси пайдоиши фишорҳои баланди термоэластикӣ дар қабати сатҳӣ мегардад. Қисми кофии қабати хока (то 20%) ба таври қавӣ бухор мешавад63, ки боиси сарбории иловагии фишор дар рӯи замин дар посух ба аблятсияи лазерӣ мегардад. Дар натиҷа, шиддати индуксияшуда геометрияи қисмро, махсусан дар наздикии такягоҳҳо ва унсурҳои тунуки сохторӣ, ба таври назаррас таҳриф мекунад. Суръати баланди гармкунӣ ҳангоми гармкунии лазерии импулсӣ боиси тавлиди мавҷҳои шиддати ултрасадо мегардад, ки аз сатҳ ба субстрат паҳн мешаванд. Барои ба даст овардани маълумоти дақиқи миқдорӣ дар бораи тақсимоти фишор ва шиддати маҳаллӣ, симулятсияи мезоскопии масъалаи деформатсияи эластикӣ, ки бо интиқоли гармӣ ва масса пайваст карда шудааст, анҷом дода мешавад.
Муодилаҳои идоракунии модел иборатанд аз: (1) муодилаҳои интиқоли гармии ноустувор, ки дар онҳо гузаронандагии гармӣ аз ҳолати фаза (хока, гудохта, поликристаллӣ) ва ҳарорат вобаста аст, (2) ноустувории деформатсияи эластикӣ пас аз аблятсияи континуум ва муодилаи васеъшавии термоэластикӣ. Масъалаи арзиши сарҳадӣ бо шароити таҷрибавӣ муайян карда мешавад. Ҷараёни лазерии модулятсияшуда дар сатҳи намуна муайян карда мешавад. Сардшавии конвективӣ мубодилаи гармии гузаронанда ва ҷараёни бухоршавиро дар бар мегирад. Ҷараёни масса дар асоси ҳисоб кардани фишори буғи сершудаи маводи бухоршаванда муайян карда мешавад. Муносибати шиддат-деформатсияи эластопластикӣ истифода мешавад, ки дар он шиддати термоэластикӣ ба фарқияти ҳарорат мутаносиб аст. Барои қувваи номиналӣ 300~\text {W}\, басомад 10^5~\text {Hz}\, коэффитсиенти фосилавӣ 100 ва 200~\upmu \text {m}\) диаметри самараноки шуоъ.
Дар расми 3 натиҷаҳои моделсозии рақамии минтақаи гудохта бо истифода аз модели математикии макроскопӣ нишон дода шудаанд. Диаметри минтақаи омезиш умқи 200 м (радиус 100 м) ва умқи 40 м аст. Натиҷаҳои моделсозӣ нишон медиҳанд, ки ҳарорати сатҳ бо мурури замон ба андозаи 100 м тағйир меёбад, ки ин ба омили фосилавии баланди модулятсияи импулс вобаста аст. Суръати гармкунӣ ва хунуккунӣ мутаносибан 10 м (7 м) ва 10 м (6 м) мебошанд. Ин арзишҳо бо таҳлили қаблии мо мувофиқат мекунанд. 64. Тафовути бузургӣ байни 1 м (V м) ва 1 м (V м) боиси аз ҳад зиёд гарм шудани қабати сатҳӣ мегардад, ки дар он гузариши гармӣ ба субстрат барои хориҷ кардани гармӣ нокифоя аст. Аз ин рӯ, дар 1 м = 2 м \text {s}\) ҳарорати сатҳ то \(4800~\text {K}\) мерасад. Бухоршавии шадиди мавод метавонад боиси фишори аз ҳад зиёд ва канда шудани сатҳи намуна гардад.
Натиҷаҳои рақамии симулятсияи минтақаи обшавии тафсонидани импулси якка лазерӣ дар лавҳаи намунавии 316L. Вақт аз оғози импулс то умқи ҳавзи гудохта то расидан ба арзиши максималӣ \(180~\upmu\text {s}\) аст. Изотерма \(T = T_L = 1723~\text {K}\) сарҳади байни фазаҳои моеъ ва сахтро ифода мекунад. Изобарҳо (хатҳои зард) ба фишори ҳосилшавӣ, ки ҳамчун функсияи ҳарорат дар қисмати оянда ҳисоб карда шудааст, мувофиқат мекунанд. Аз ин рӯ, дар домени байни ду изолин (изотерма \(T=T_L\) ва изобарҳо \(sigma =\sigma _V(T)\)), фазаи сахт ба борҳои механикии қавӣ дучор мешавад, ки метавонад ба тағирёбии микросохтор оварда расонад.
Ин таъсир дар расми 4a шарҳ дода шудааст, ки дар он сатҳи фишор дар минтақаи гудохта ҳамчун функсияи вақт ва масофа аз сатҳ нишон дода шудааст. Аввалан, рафтори фишор бо модулятсияи шиддати импулси лазерӣ, ки дар расми 2 дар боло тавсиф шудааст, алоқаманд аст. Фишори ҳадди аксар тақрибан 10-10 MPa дар тақрибан 26-26 m³ мушоҳида шуд. Дуюм, ноустувории фишори маҳаллӣ дар нуқтаи назорат хусусиятҳои ларзишро ба монанди басомади 500-000 kHz дорад. Ин маънои онро дорад, ки мавҷҳои фишори ултрасадо дар сатҳ ба вуҷуд меоянд ва сипас ба субстрат паҳн мешаванд.
Хусусиятҳои ҳисобшудаи минтақаи деформатсия дар наздикии минтақаи гудохта дар расми 4b нишон дода шудаанд. Аблятсияи лазерӣ ва фишори термоэластикӣ мавҷҳои деформатсияи эластикиро ба вуҷуд меоранд, ки ба субстрат паҳн мешаванд. Тавре ки аз расм дида мешавад, ду марҳилаи тавлиди фишор вуҷуд дорад. Дар марҳилаи аввали t < 40~\upmu \text {s}\), фишори Мизес то 8~\text {MPa}\) бо модулятсияи монанд ба фишори сатҳӣ баланд мешавад. Ин фишор аз ҳисоби аблятсияи лазерӣ ба вуҷуд меояд ва дар нуқтаҳои назоратӣ фишори термоэластикӣ мушоҳида нашудааст, зеро минтақаи ибтидоии аз гармӣ таъсиргирифта хеле хурд буд. Вақте ки гармӣ ба субстрат пароканда мешавад, нуқтаи назоратӣ фишори баланди термоэластикиро дар боло аз 40~\text {MPa}\ ба вуҷуд меорад.
Сатҳи фишори модулятсияшудаи бадастомада ба сатҳи сатҳи сахт-моеъ таъсири назаррас мерасонад ва метавонад механизми назораткунандаи роҳи сахтшавӣ бошад. Андозаи минтақаи деформатсия аз 2 то 3 маротиба аз минтақаи обшавӣ калонтар аст. Тавре ки дар расми 3 нишон дода шудааст, ҷойгиршавии изотермаи обшавӣ ва сатҳи фишоре, ки ба фишори ҳосил баробар аст, муқоиса карда мешаванд. Ин маънои онро дорад, ки нурпошии лазерии импулсӣ сарбориҳои баланди механикиро дар минтақаҳои маҳаллишуда бо диаметри муассир аз 300 то 800 м вобаста ба вақти фаврӣ таъмин мекунад.
Аз ин рӯ, модулятсияи мураккаби тафсонидани лазерии импулсӣ ба таъсири ултрасадо оварда мерасонад. Роҳи интихоби микросохтор дар муқоиса бо SLM бе боркунии ултрасадо фарқ мекунад. Минтақаҳои ноустувори деформатсияшуда ба давраҳои даврии фишурдашавӣ ва дарозшавӣ дар фазаи сахт оварда мерасонанд. Ҳамин тариқ, ташаккули сарҳадҳои нави донаҳо ва сарҳадҳои зердонаҳо имконпазир мегардад. Аз ин рӯ, хосиятҳои микросохторӣ метавонанд қасдан тағйир дода шаванд, чунон ки дар зер нишон дода шудааст. Хулосаҳои бадастоварда имкон медиҳанд, ки прототипи SLM-и аз ҷониби ултрасадо идорашавандаро, ки аз ҷониби модулятсияи импулсӣ ба вуҷуд оварда шудааст, тарҳрезӣ кунанд. Дар ин ҳолат, индуктори пьезоэлектрикӣ 26, ки дар ҷои дигар истифода мешавад, метавонад истисно карда шавад.
(a) Фишор ҳамчун функсияи вақт, ки дар масофаҳои гуногун аз сатҳи 0, 20 ва 40 м дар баробари меҳвари симметрия ҳисоб карда мешавад.(b) Шиддати аз вақт вобаста ба Von. Шиддати Mises, ки дар матритсаи сахт дар масофаҳои 70, 120 ва 170 м аз сатҳи намуна ҳисоб карда мешавад.
Таҷрибаҳо дар плитаҳои пӯлоди зангногири AISI 321H бо андозаҳои (20 маротиба 20 маротиба 5 мм) гузаронида шуданд. Пас аз ҳар як импулси лазерӣ, плита (50 м) ҳаракат мекунад ва камарбанди нури лазерӣ дар сатҳи ҳадаф тақрибан (100 м) аст. То панҷ гузариши минбаъдаи нур дар як роҳ анҷом дода мешавад, то дубора обшавии маводи коркардшуда барои такмили донаҳо ба вуҷуд ояд. Дар ҳама ҳолатҳо, минтақаи дубора обшуда вобаста ба ҷузъи ларзишии радиатсияи лазерӣ бо ултрасадо коркард карда шуд. Ин боиси кам шудани масоҳати миёнаи донаҳо беш аз 5 маротиба мегардад. Расми 5 нишон медиҳад, ки чӣ гуна сохтори микросохтори минтақаи обшудаи лазерӣ бо шумораи давраҳои (гузаришҳои) минбаъдаи дубора обшавии такрорӣ тағйир меёбад.
Зерқисматҳо (a,d,g,j) ва (b,e,h,k) – сохтори микросохтори минтақаҳои гудохташудаи лазерӣ, зерқисматҳо (c,f,i,l) – тақсимоти масоҳати донаҳои ранга. Соякунӣ зарраҳоеро ифода мекунад, ки барои ҳисоб кардани гистограмма истифода мешаванд. Рангҳо ба минтақаҳои донаҳо мувофиқат мекунанд (нигаред ба сатри ранг дар болои гистограмма. Зерқисматҳо (ac) ба пӯлоди зангногири коркарднашуда ва зерқисматҳо (df), (gi), (jl) ба 1, 3 ва 5 гудохтаҳои такрорӣ мувофиқат мекунанд.
Азбаски энергияи импулси лазер байни гузаришҳои минбаъда тағйир намеёбад, умқи минтақаи гудохташуда якхела аст. Ҳамин тариқ, канали баъдӣ канали қаблиро пурра "пӯшонда" мегирад. Аммо, гистограмма нишон медиҳад, ки масоҳати миёна ва медиании донаҳо бо афзоиши шумораи гузаришҳо кам мешавад. Ин метавонад нишон диҳад, ки лазер ба ҷои гудохта ба субстрат таъсир мерасонад.
Такмили донаҳо метавонад аз сабаби хунукшавии босуръати ҳавзи гудохта ба вуҷуд ояд65. Маҷмӯи дигари таҷрибаҳо гузаронида шуд, ки дар он сатҳҳои плитаҳои пӯлоди зангногир (321H ва 316L) дар атмосфера (Расми 6) ва вакуум (Расми 7) ба радиатсияи мавҷи лазерии пайваста дучор карда шуданд. Қувваи миёнаи лазер (мутаносибан 300 Вт ва 100 Вт) ва чуқурии ҳавзи гудохта ба натиҷаҳои таҷрибавии лазери Nd:YAG дар ҳолати озодона кор кардан наздиканд. Бо вуҷуди ин, сохтори маъмулии сутуншакл мушоҳида карда шуд.
Микросохтори минтақаи бо лазер гудохташудаи лазери мавҷи пайваста (қувваи доимии 300 Вт, суръати сканкунӣ 200 мм/с, пӯлоди зангногир AISI 321H).
(а) Микросохтор ва (б) тасвирҳои дифраксияи парокандагии электронии минтақаи гудохташудаи лазер дар вакуум бо лазери мавҷи пайваста (қувваи доимии 100 Вт, суръати сканкунии 200 мм/с, пӯлоди зангногири AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Аз ин рӯ, ба таври возеҳ нишон дода шудааст, ки модулятсияи мураккаби шиддати импулси лазерӣ ба микросохтори ҳосилшуда таъсири назаррас мерасонад. Мо боварӣ дорем, ки ин таъсир табиатан механикӣ аст ва аз ҳисоби тавлиди ларзишҳои ултрасадо, ки аз сатҳи нурафкании гудохта ба умқи намуна паҳн мешаванд, ба амал меояд. Натиҷаҳои монанд дар 13, 26, 34, 66, 67 бо истифода аз табдилдиҳандаҳои берунаи пьезоэлектрикӣ ва сонотродҳо, ки ултрасадои баландшиддатро дар маводҳои гуногун, аз ҷумла хӯлаи Ti-6Al-4V 26 ва пӯлоди зангногир 34, таъмин мекунанд, ба даст оварда шуданд. Механизми имконпазир чунин тахмин карда мешавад. Ултрасадои шадид метавонад кавитатсияи акустикиро ба вуҷуд орад, чунон ки дар аксбардории рентгении синхротронии ултрафасти in situ нишон дода шудааст. Фурӯпошии ҳубобчаҳои кавитатсия дар навбати худ мавҷҳои зарбаро дар маводи гудохта ба вуҷуд меорад, ки фишори пеши онҳо тақрибан ба 100 ~ \text {MPa} \)69 мерасад. Чунин мавҷҳои зарба метавонанд ба қадри кофӣ қавӣ бошанд, ки ташаккули ядроҳои фазаи сахти андозаи муҳимро дар моеъҳои калонҳаҷм мусоидат кунанд ва сохтори маъмулии донаҳои сутунии истеҳсоли иловаҳои қабат ба қабат.
Дар ин ҷо мо механизми дигареро пешниҳод мекунем, ки барои тағир додани сохтор тавассути ултрасадои шадид масъул аст. Фавран пас аз сахтшавӣ, мавод дар ҳарорати баланд дар наздикии нуқтаи обшавӣ қарор дорад ва фишори ҳосилнокии хеле паст дорад. Мавҷҳои шадиди ултрасадо метавонанд боиси тағйир додани сохтори донаҳои маводи гарм ва нав сахтшуда аз ҷониби ҷараёни пластикӣ шаванд. Аммо, маълумоти боэътимоди таҷрибавӣ дар бораи вобастагии ҳарорат аз фишори ҳосилнокӣ дар \(T\lessim 1150~\text {K}\) дастрасанд (нигаред ба расми 8). Аз ин рӯ, барои санҷидани ин фарзия, мо симулятсияҳои динамикаи молекулавӣ (MD)-и таркиби Fe-Cr-Ni монанд ба пӯлоди AISI 316 L-ро анҷом додем, то рафтори фишори ҳосилнокиро дар наздикии нуқтаи обшавӣ арзёбӣ кунем. Барои ҳисоб кардани фишори ҳосилнокӣ, мо техникаи истироҳати фишори буриши MD-ро, ки дар 70, 71, 72, 73 муфассал шарҳ дода шудааст, истифода бурдем. Барои ҳисобҳои таъсири мутақобилаи байниатомӣ, мо Модели атомии дарунсохт (EAM)-ро аз 74 истифода бурдем. Симулятсияҳои MD бо истифода аз рамзҳои LAMMPS 75,76 анҷом дода шуданд. Тафсилоти симулятсияҳои MD нашр карда мешаванд. дар ҷои дигар. Натиҷаҳои ҳисобкунии MD-и фишори ҳосилнокӣ ҳамчун функсияи ҳарорат дар расми 8 якҷоя бо маълумоти таҷрибавии мавҷуда ва дигар арзёбиҳо нишон дода шудаанд77,78,79,80,81,82.
Шиддати ҳосилшавӣ барои пӯлоди зангногири аустенитии AISI дараҷаи 316 ва таркиби модел нисбат ба ҳарорат барои симулятсияҳои MD. Андозагириҳои таҷрибавӣ аз истинодҳо: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. ба ин истинод нигаред. (f)82 модели эмпирикии вобастагии шиддати ҳосилшавӣ-ҳарорат барои андозагирии шиддати дохилихатӣ ҳангоми истеҳсоли иловаҳои лазерӣ мебошад. Натиҷаҳои симулятсияҳои MD-и миқёси калон дар ин тадқиқот ҳамчун \(\vartriangleft\) барои як кристалли беохири бекамбудӣ ва \(\vartriangleright\) барои донаҳои ниҳоӣ бо назардошти андозаи миёнаи донаҳо тавассути робитаи Холл-Петч Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\) ишора карда мешаванд.
Дидан мумкин аст, ки дар \(T>1500~\text {K}\) фишори ҳосилшавӣ аз \(40~\text {MPa}\) поён меравад. Аз тарафи дигар, тахминҳо пешгӯӣ мекунанд, ки амплитудаи ултрасадои тавлидшуда аз \(40~\text {MPa}\) зиёдтар аст (нигаред ба расми 4b), ки барои ба вуҷуд овардани ҷараёни пластикӣ дар маводи гарми нав сахтшуда кофӣ аст.
Ташаккули микросохтори пӯлоди зангногири аустенитии 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ҳангоми SLM бо истифода аз манбаи лазерии импулсии мураккаб бо модулятсияи шиддат ба таври таҷрибавӣ таҳқиқ карда шуд.
Камшавии андозаи доначаҳо дар минтақаи обшавии лазерӣ дар натиҷаи обшавии пайвастаи лазерӣ пас аз 1, 3 ё 5 гузариш мушоҳида шуд.
Моделсозии макроскопӣ нишон медиҳад, ки андозаи тахминии минтақае, ки дар он деформатсияи ултрасадо метавонад ба фронти сахтшавӣ таъсири мусбат расонад, то \(1~\text {mm}\) аст.
Модели микроскопии MD нишон медиҳад, ки қувваи маҳсулнокии пӯлоди зангногири аустенитии AISI 316 дар наздикии нуқтаи обшавӣ ба таври назаррас то (40~\text {MPa}) коҳиш меёбад.
Натиҷаҳои бадастомада усули идоракунии микросохтори маводҳоро бо истифода аз коркарди мураккаби лазерӣ бо модулятсия пешниҳод мекунанд ва метавонанд ҳамчун асос барои эҷоди тағйироти нави техникаи SLM-и импулсӣ хизмат кунанд.
Liu, Y. ва диг. Таҳаввулоти микросохторӣ ва хосиятҳои механикии композитҳои in situ TiB2/AlSi10Mg бо роҳи обкунии интихобии лазерӣ [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. ва дигарон. Муҳандисии рекристаллизатсияи марзҳои дона дар обшавии интихобии лазерии пӯлоди зангногири 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чен, Х. ва Цю, С. Таҳияи дар макон микросохторҳои сандвич бо баланд бардоштани чандирӣ тавассути гармкунии лазерии хӯлаҳои титани гудохташуда бо лазер. Илм. Тафсир. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. ва дигарон. Истеҳсоли иловагии қисмҳои Ti-6Al-4V бо истифода аз лазери металлӣ (LMD): раванд, сохтори микро ва хосиятҳои механикӣ. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, С. ва диг. Моделсозии микросохтории таҳшиншавии энергияи равонашудаи хокаи металли лазерӣ аз хӯлаи 718. Илова ба истеҳсолот.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Бузи, М. ва дигарон. Таҳқиқоти тасвири канори нейтронии параметрӣ дар Брагг дар намунаҳои иловагии истеҳсолшуда, ки бо истифода аз зарбаи лазерӣ коркард шудаанд. science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, Х. ва диг. Микросохтори градиентӣ ва хосиятҳои механикии Ti-6Al-4V, ки бо роҳи гудохтани шуоъҳои электронӣ илова карда шудаанд. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).