ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดโหมดการทำงานร่วมกันใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงเว็บไซต์โดยไม่มีการออกแบบและ JavaScript
มีการเสนอกลไกใหม่ที่ใช้การหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุดเพื่อควบคุมโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์ในกระบวนการผลิต กลไกนี้ใช้การสร้างคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเข้มข้นสูงในสระหลอมโลหะโดยการฉายรังสีเลเซอร์ที่ปรับความเข้มข้นอย่างซับซ้อน การศึกษาทดลองและการจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่ากลไกควบคุมนี้มีความเป็นไปได้ทางเทคนิค และสามารถผสานรวมเข้ากับการออกแบบเครื่องหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุดที่ทันสมัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การผลิตแบบเติมแต่ง (AM) ของชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนได้เติบโตอย่างมีนัยสำคัญในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม แม้จะมีกระบวนการผลิตแบบเติมแต่งหลากหลาย เช่น การหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (SLM)1,2,3 การสะสมโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรง4,5,6 การหลอมโลหะด้วยลำแสงอิเล็กตรอน7,8 และอื่นๆ9,10 แต่ชิ้นส่วนก็อาจมีข้อบกพร่องได้ ซึ่งสาเหตุหลักมาจากลักษณะเฉพาะของกระบวนการทำให้แข็งตัวของแอ่งหลอมที่เกี่ยวข้องกับการไล่ระดับความร้อนสูง อัตราการระบายความร้อนสูง และความซับซ้อนของรอบการให้ความร้อนในการหลอมและหลอมซ้ำวัสดุ11 ซึ่งนำไปสู่การเติบโตของเมล็ดพืชแบบเอพิแทกเซียลและรูพรุนจำนวนมาก12,13 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า จำเป็นต้องควบคุมการไล่ระดับความร้อน อัตราการระบายความร้อน และองค์ประกอบของโลหะผสม หรือใช้แรงกระแทกทางกายภาพเพิ่มเติมผ่านสนามภายนอกที่มีคุณสมบัติต่างๆ (เช่น อัลตราซาวนด์) เพื่อให้ได้โครงสร้างเมล็ดพืชที่มีแกนเท่ากันที่ละเอียด
สิ่งพิมพ์จำนวนมากเกี่ยวข้องกับผลกระทบของการบำบัดด้วยการสั่นสะเทือนต่อกระบวนการแข็งตัวในกระบวนการหล่อแบบธรรมดา14,15 อย่างไรก็ตาม การใช้สนามภายนอกกับวัสดุหลอมจำนวนมากจะไม่สามารถสร้างโครงสร้างจุลภาคของวัสดุตามต้องการได้ หากปริมาตรของเฟสของเหลวมีขนาดเล็ก สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างมาก ในกรณีนี้ สนามภายนอกส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการแข็งตัว ผลกระทบของแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการพิจารณาในระหว่างสนามอะคูสติกที่มีความเข้มข้นสูง16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 การกวนอาร์ก28 และการแกว่ง29 อาร์กพลาสมาแบบพัลส์30,31 และวิธีการอื่นๆ32 ติดกับพื้นผิวโดยใช้แหล่งอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงภายนอก (ที่ 20 kHz) การปรับแต่งเมล็ดพืชที่เหนี่ยวนำโดยอัลตราซาวนด์นั้นมาจากโซนการลดอุณหภูมิขององค์ประกอบที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการไล่ระดับอุณหภูมิที่ลดลงและการเพิ่มประสิทธิภาพของอัลตราซาวนด์เพื่อสร้างผลึกใหม่ผ่านการเกิดโพรงอากาศ
ในงานนี้ เราได้ศึกษาความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเกรนของสแตนเลสออสเทนนิติกด้วยการใช้คลื่นเสียงที่สร้างจากเลเซอร์หลอมละลายทำให้เกิดคลื่นเสียงความถี่สูงในสระหลอมเหลว การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์ที่ตกกระทบตัวกลางที่ดูดซับแสงจะส่งผลให้เกิดคลื่นอัลตราโซนิกซึ่งจะเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์นี้สามารถผสานเข้ากับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ SLM ที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย การทดลองในงานนี้ดำเนินการบนแผ่นสแตนเลสที่มีพื้นผิวสัมผัสกับรังสีเลเซอร์ที่ปรับความเข้ม ดังนั้น ในทางเทคนิคแล้ว การบำบัดพื้นผิวด้วยเลเซอร์จึงเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม หากมีการบำบัดด้วยเลเซอร์ดังกล่าวบนพื้นผิวของแต่ละชั้น ในระหว่างการสร้างชั้นต่อชั้น จะเกิดผลกระทบต่อปริมาตรทั้งหมดหรือส่วนที่เลือกของปริมาตร กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นต่อชั้น การบำบัดพื้นผิวด้วยเลเซอร์ของแต่ละชั้นจะเทียบเท่ากับ "การบำบัดปริมาตรด้วยเลเซอร์"
ในขณะที่ในการบำบัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแบบฮอร์นอัลตราโซนิก พลังงานอัลตราโซนิกของคลื่นเสียงนิ่งจะกระจายไปทั่วทั้งส่วนประกอบ ในขณะที่ความเข้มข้นของอัลตราโซนิกที่เหนี่ยวนำโดยเลเซอร์จะมีความเข้มข้นสูงใกล้จุดที่รังสีเลเซอร์ถูกดูดซับ การใช้โซโนโทรดในเครื่องหลอมผง SLM นั้นซับซ้อน เนื่องจากพื้นผิวด้านบนของผงที่สัมผัสกับรังสีเลเซอร์ควรจะคงที่ นอกจากนี้ จะไม่มีแรงกดทางกลบนพื้นผิวด้านบนของชิ้นส่วน ดังนั้น แรงกดเสียงจึงใกล้เคียงกับศูนย์ และความเร็วของอนุภาคจะมีแอมพลิจูดสูงสุดเหนือพื้นผิวด้านบนทั้งหมดของชิ้นส่วน ความดันเสียงภายในแอ่งหลอมเหลวทั้งหมดไม่สามารถเกิน 0.1% ของความดันสูงสุดที่สร้างขึ้นโดยหัวเชื่อม เนื่องจากความยาวคลื่นของคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่ 20 kHz ในสแตนเลสคือ \(\sim 0.3~\text {m}\) และความลึกมักจะน้อยกว่า \(\sim 0.3~\text {mm}\) ดังนั้น ผลของอัลตราซาวนด์ต่อการเกิดโพรงอากาศจึงอาจน้อย
ควรสังเกตว่าการใช้รังสีเลเซอร์ที่ปรับความเข้มข้นในการสะสมโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรงเป็นสาขาการวิจัยที่กำลังดำเนินการอยู่35,36,37,38
ผลกระทบทางความร้อนของรังสีเลเซอร์ที่ตกกระทบตัวกลางเป็นพื้นฐานสำหรับเทคนิคเลเซอร์เกือบทั้งหมด 39, 40 สำหรับการประมวลผลวัสดุ เช่น การตัด41 การเชื่อม การชุบแข็ง การเจาะ42 การทำความสะอาดพื้นผิว การชุบโลหะผสมพื้นผิว การขัดพื้นผิว43 เป็นต้น การประดิษฐ์เลเซอร์กระตุ้นให้มีการพัฒนาใหม่ๆ ทางเทคนิคการประมวลผลวัสดุ และผลเบื้องต้นได้รับการสรุปไว้ในบทวิจารณ์และเอกสารประกอบจำนวนมาก44, 45, 46
ควรสังเกตว่าการกระทำที่ไม่นิ่งใดๆ บนตัวกลาง รวมถึงการกระทำด้วยเลเซอร์บนตัวกลางการดูดซับ จะส่งผลให้คลื่นเสียงในตัวกลางถูกกระตุ้นอย่างมีประสิทธิภาพมากหรือน้อย ในช่วงแรกนั้น มุ่งเน้นไปที่การกระตุ้นคลื่นด้วยเลเซอร์ในของเหลวและกลไกการกระตุ้นความร้อนต่างๆ ของเสียง (การขยายตัวเนื่องจากความร้อน การระเหย การเปลี่ยนแปลงปริมาตรระหว่างการเปลี่ยนเฟส การหดตัว ฯลฯ) 47, 48, 49 เอกสารวิชาการจำนวนมาก50, 51, 52 ให้การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเกี่ยวกับกระบวนการนี้และการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่เป็นไปได้
ปัญหาเหล่านี้ได้รับการหารือในภายหลังในการประชุมต่างๆ และการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ด้วยอัลตราซาวนด์มีการประยุกต์ใช้ในทั้งการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมของเทคโนโลยีเลเซอร์53 และในทางการแพทย์54 ดังนั้นจึงถือได้ว่าแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับกระบวนการที่แสงเลเซอร์แบบพัลส์ทำปฏิกิริยากับตัวกลางที่ดูดกลืนนั้นได้รับการจัดทำขึ้นแล้ว การตรวจสอบอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์ใช้สำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องของตัวอย่างที่ผลิตโดย SLM55,56
ผลกระทบของคลื่นกระแทกที่เกิดจากเลเซอร์บนวัสดุเป็นพื้นฐานของการขัดผิวด้วยเลเซอร์57,58,59 ซึ่งใช้สำหรับการปรับพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นโดยการเติมสารเติมแต่ง60 อย่างไรก็ตาม การเสริมความแข็งแรงด้วยเลเซอร์จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดกับพัลส์เลเซอร์นาโนวินาทีและพื้นผิวที่มีการรับน้ำหนักทางกล (เช่น ด้วยชั้นของของเหลว)59 เนื่องจากการรับน้ำหนักทางกลจะช่วยเพิ่มแรงดันสูงสุด
การทดลองได้ดำเนินการเพื่อตรวจสอบผลกระทบที่เป็นไปได้ของสนามกายภาพต่างๆ ต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุแข็งตัว แผนภาพการทำงานของการตั้งค่าการทดลองแสดงอยู่ในรูปที่ 1 ใช้เลเซอร์โซลิดสเตต Nd:YAG แบบพัลส์ที่ทำงานในโหมดการทำงานอิสระ (ระยะเวลาพัลส์ \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) พัลส์เลเซอร์แต่ละพัลส์จะถูกส่งผ่านชุดฟิลเตอร์ความหนาแน่นเป็นกลางและระบบแผ่นแยกลำแสง ขึ้นอยู่กับการใช้ฟิลเตอร์ความหนาแน่นเป็นกลางร่วมกัน พลังงานพัลส์บนเป้าหมายจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ถึง \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) ลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากตัวแยกลำแสงจะถูกป้อนไปยังโฟโตไดโอดสำหรับการรวบรวมข้อมูลพร้อมกัน และใช้แคลอรีมิเตอร์สองตัว (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองยาวเกิน \(1~\text {ms}\)) เพื่อกำหนดการตกกระทบและสะท้อนจากเป้าหมาย และมิเตอร์วัดกำลังสองเครื่อง (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองสั้น \(<10~\text {ns}\)) เพื่อกำหนดกำลังแสงตกกระทบและพลังงานแสงสะท้อน เครื่องวัดแคลอรีมิเตอร์และมิเตอร์วัดกำลังได้รับการสอบเทียบเพื่อให้ค่าในหน่วยสัมบูรณ์โดยใช้เครื่องตรวจจับเทอร์โมไพล์ Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 และกระจกไดอิเล็กตริกที่ติดตั้งอยู่ที่ตำแหน่งตัวอย่าง โฟกัสลำแสงไปที่เป้าหมายโดยใช้เลนส์ (สารเคลือบป้องกันการสะท้อนที่ \(1.06 \upmu \text {m}\), ระยะโฟกัส \(160~\text {mm}\)) และเอวของลำแสงที่พื้นผิวเป้าหมาย 60– \(100~\upmu\text {m}\)
แผนผังการทำงานของการตั้งค่าการทดลอง: 1—เลเซอร์; 2—ลำแสงเลเซอร์; 3—ฟิลเตอร์ความหนาแน่นเป็นกลาง; 4—โฟโตไดโอดแบบซิงโครไนซ์; 5—ตัวแยกลำแสง; 6—ไดอะแฟรม; 7—เครื่องวัดค่าแคลอรีมิเตอร์ของลำแสงตกกระทบ; 8 – เครื่องวัดค่าแคลอรีมิเตอร์ของลำแสงสะท้อน; 9 – เครื่องวัดกำลังลำแสงตกกระทบ; 10 – เครื่องวัดกำลังลำแสงสะท้อน; 11 – เลนส์โฟกัส; 12 – กระจก; 13 – ตัวอย่าง; 14 – ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกแบนด์กว้าง; 15 – ตัวแปลง 2 มิติ; 16 – ไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับกำหนดตำแหน่ง; 17 – หน่วยซิงโครไนซ์; 18 – ระบบการรับข้อมูลดิจิทัลหลายช่องสัญญาณที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่างต่างๆ; 19 – คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
การบำบัดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงดำเนินการดังต่อไปนี้ เลเซอร์ทำงานในโหมดการทำงานอิสระ ดังนั้นระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์คือ \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) ซึ่งประกอบด้วยระยะเวลาหลายช่วงที่แต่ละช่วงประมาณ \(1.5~\upmu \text {s } \) รูปร่างชั่วคราวของพัลส์เลเซอร์และสเปกตรัมประกอบด้วยซองความถี่ต่ำและการมอดูเลตความถี่สูง โดยมีความถี่เฉลี่ยประมาณ \(0.7~\text {MHz}\) ดังแสดงในรูปที่ 2 ซองความถี่จะให้ความร้อน การหลอมละลาย และการระเหยของวัสดุในเวลาต่อมา ในขณะที่ส่วนประกอบความถี่สูงจะให้การสั่นสะเทือนของคลื่นเสียงความถี่สูงอันเนื่องมาจากเอฟเฟกต์โฟโตอะคูสติก รูปคลื่นของพัลส์คลื่นเสียงความถี่สูงที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์นั้นส่วนใหญ่กำหนดโดยรูปร่างเวลาของความเข้มของพัลส์เลเซอร์ อยู่ในช่วง \(7~\text {kHz}\) ถึง \ (2~\text {MHz}\) และความถี่ศูนย์กลางคือ \(~ 0.7~\text {MHz}\) พัลส์อะคูสติกอันเกิดจากเอฟเฟกต์โฟโตอะคูสติกได้รับการบันทึกโดยใช้เครื่องแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกแบนด์กว้างที่ทำจากฟิล์มโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ รูปคลื่นที่บันทึกได้และสเปกตรัมจะแสดงในรูปที่ 2 โปรดทราบว่ารูปร่างของพัลส์เลเซอร์นั้นเป็นลักษณะเฉพาะของเลเซอร์โหมดวิ่งอิสระ
การกระจายตามเวลาของความเข้มของพัลส์เลเซอร์ (a) และความเร็วของเสียงที่พื้นผิวด้านหลังของตัวอย่าง (b) สเปกตรัมของพัลส์เลเซอร์ (c) และพัลส์อัลตราโซนิก (d) โดยเฉลี่ยมากกว่าพัลส์เลเซอร์ 300 พัลส์ (เส้นโค้งสีแดง) สำหรับพัลส์เลเซอร์หนึ่งพัลส์ (เส้นโค้งสีน้ำเงิน)
เราสามารถแยกส่วนประกอบความถี่ต่ำและความถี่สูงของการบำบัดด้วยเสียงได้อย่างชัดเจน ซึ่งสอดคล้องกับซองความถี่ต่ำของพัลส์เลเซอร์และการมอดูเลตความถี่สูงตามลำดับ ความยาวคลื่นของคลื่นเสียงที่สร้างขึ้นโดยซองพัลส์เลเซอร์จะเกิน \(40~\text {cm}\); ดังนั้น จึงคาดว่าจะมีผลกระทบหลักของส่วนประกอบความถี่สูงแบบแบนด์วิดท์กว้างของสัญญาณเสียงบนโครงสร้างจุลภาค
กระบวนการทางกายภาพใน SLM นั้นซับซ้อนและเกิดขึ้นพร้อมกันในมาตราส่วนเชิงพื้นที่และเวลาที่แตกต่างกัน ดังนั้น วิธีการหลายมาตราส่วนจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของ SLM แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ควรเป็นแบบหลายฟิสิกส์ก่อน จากนั้นจึงสามารถอธิบายกลศาสตร์และเทอร์โมฟิสิกส์ของ "ของเหลวและของแข็งที่หลอมละลาย" ของตัวกลางหลายเฟสที่โต้ตอบกับบรรยากาศก๊าซเฉื่อยได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลักษณะของภาระความร้อนของวัสดุใน SLM มีดังต่อไปนี้
อัตราความร้อนและความเย็นสูงถึง \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ เนื่องมาจากการฉายรังสีเลเซอร์เฉพาะที่ที่มีความหนาแน่นของกำลังสูงถึง \(10^{13}~\text {W} cm}^2\)
วงจรการหลอมละลาย-แข็งตัวจะกินเวลาระหว่าง 1 ถึง \(10~\text {ms}\) ซึ่งช่วยให้โซนการหลอมละลายแข็งตัวอย่างรวดเร็วในระหว่างการทำความเย็น
การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวของตัวอย่างส่งผลให้เกิดความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสูงในชั้นพื้นผิว ชั้นผงส่วนใหญ่ (มากถึง 20%) จะระเหยไปอย่างมาก63 ซึ่งส่งผลให้มีแรงกดดันเพิ่มเติมบนพื้นผิวอันเป็นผลมาจากการระเหิดด้วยเลเซอร์ ดังนั้น ความเครียดที่เหนี่ยวนำจึงทำให้รูปทรงของชิ้นส่วนผิดเพี้ยนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณใกล้ตัวรองรับและองค์ประกอบโครงสร้างที่บาง อัตราความร้อนที่สูงในการอบด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ส่งผลให้เกิดคลื่นความเครียดอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายจากพื้นผิวไปยังพื้นผิว เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงปริมาณที่แม่นยำเกี่ยวกับการกระจายความเค้นและความเครียดในพื้นที่ จึงทำการจำลองระดับเมโสสโคปิกของปัญหาการเสียรูปยืดหยุ่นที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและถ่ายเทมวล
สมการควบคุมของแบบจำลองประกอบด้วย (1) สมการการถ่ายเทความร้อนไม่คงที่ซึ่งค่าการนำความร้อนขึ้นอยู่กับสถานะเฟส (ผง ของเหลวหลอมเหลว โพลีคริสตัลไลน์) และอุณหภูมิ (2) ความผันผวนของการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นหลังการระเหยต่อเนื่องและสมการการขยายตัวเทอร์โมอิลาสติก ปัญหาค่าขอบเขตถูกกำหนดโดยเงื่อนไขการทดลอง ฟลักซ์เลเซอร์ที่ปรับเปลี่ยนได้ถูกกำหนดไว้บนพื้นผิวตัวอย่าง การระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนรวมถึงการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและฟลักซ์การระเหย ฟลักซ์มวลถูกกำหนดขึ้นตามการคำนวณความดันไออิ่มตัวของวัสดุที่ระเหย ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียดยืดหยุ่นพลาสติกจะใช้ในกรณีที่ความเค้นเทอร์โมอิลาสติกเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิ สำหรับกำลังที่กำหนด \(300~\text {W}\), ความถี่ \(10^5~\text {Hz}\), ค่าสัมประสิทธิ์ไม่ต่อเนื่อง 100 และ \(200~\upmu \text {m}\ ) ของเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่มีประสิทธิภาพ
รูปที่ 3 แสดงผลของการจำลองเชิงตัวเลขของโซนหลอมเหลวโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ระดับมหภาค เส้นผ่านศูนย์กลางของโซนฟิวชันคือ \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) รัศมี) และ \(40~\upmu \text {m}\) ความลึก ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิพื้นผิวแปรผันในแต่ละช่วงเวลาเป็น \(100~\text {K}\) เนื่องจากปัจจัยความไม่ต่อเนื่องสูงของการมอดูเลตพัลส์ อัตราการให้ความร้อน \(V_h\) และการทำความเย็น \(V_c\) อยู่ในลำดับของ \(10^7\) และ \(10^6~\text {K}/\text {s}\) ตามลำดับ ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับการวิเคราะห์ครั้งก่อนของเรา64 ความแตกต่างของลำดับขนาดระหว่าง \(V_h\) และ \(V_c\) ส่งผลให้ชั้นผิวร้อนเกินไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งการนำความร้อนไปยังพื้นผิวคือ ไม่เพียงพอที่จะระบายความร้อนออก ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวถึง \(t=26~\upmu \text {s}\) อุณหภูมิพื้นผิวจะสูงสุดที่ \(4800~\text {K}\) การระเหยของวัสดุอย่างรุนแรงสามารถทำให้พื้นผิวตัวอย่างอยู่ภายใต้แรงกดดันที่มากเกินไปและหลุดออกได้
ผลการจำลองเชิงตัวเลขของโซนการหลอมเหลวของการอบด้วยพัลส์เลเซอร์เดี่ยวบนแผ่นตัวอย่าง 316L เวลาตั้งแต่จุดเริ่มต้นของพัลส์ไปจนถึงความลึกของแอ่งหลอมเหลวที่ถึงค่าสูงสุดคือ \(180~\upmu\text {s}\) ไอโซเทอร์ม\(T = T_L = 1723~\text {K}\) แสดงถึงขอบเขตระหว่างเฟสของเหลวและของแข็ง ไอโซบาร์ (เส้นสีเหลือง) สอดคล้องกับความเค้นผลผลิตที่คำนวณเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิในหัวข้อถัดไป ดังนั้น ในโดเมนระหว่างไอโซไลน์ทั้งสอง (ไอโซเทอร์ม\(T=T_L\) และไอโซบาร์\(\sigma =\sigma _V(T)\)) เฟสของแข็งจะต้องรับภาระทางกลที่รุนแรง ซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาค
ผลกระทบนี้จะอธิบายเพิ่มเติมในรูปที่ 4a โดยที่ระดับความดันในโซนที่หลอมละลายถูกพล็อตเป็นฟังก์ชันของเวลาและระยะห่างจากพื้นผิว ประการแรก พฤติกรรมของความดันจะสัมพันธ์กับการปรับความเข้มของพัลส์เลเซอร์ตามที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2 ด้านบน ความดันสูงสุด \text{s}\) ประมาณ \(10~\text {MPa}\) ถูกสังเกตที่ประมาณ \(t=26~\upmu) ประการที่สอง ความผันผวนของความดันในท้องถิ่นที่จุดควบคุมมีลักษณะการแกว่งเดียวกันกับความถี่ \(500~\text {kHz}\) ซึ่งหมายความว่าคลื่นความดันอัลตราโซนิกจะถูกสร้างขึ้นที่พื้นผิวแล้วแพร่กระจายไปยังพื้นผิว
ลักษณะที่คำนวณได้ของโซนการเสียรูปใกล้กับโซนการหลอมเหลวแสดงอยู่ในรูปที่ 4b การระเหิดด้วยเลเซอร์และความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสร้างคลื่นการเสียรูปยืดหยุ่นที่แพร่กระจายไปยังพื้นผิว ดังที่เห็นได้จากรูป มีการสร้างความเค้นสองขั้นตอน ระหว่างเฟสแรกของ \(t < 40~\upmu \text {s}\) ความเค้นของมิเซสจะเพิ่มขึ้นเป็น \(8~\text {MPa}\) โดยมีการปรับที่คล้ายกับแรงกดบนพื้นผิว ความเค้นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากระเหิดด้วยเลเซอร์ และไม่สังเกตเห็นความเค้นเทอร์โมอิลาสติกในจุดควบคุม เนื่องจากโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนเริ่มต้นมีขนาดเล็กเกินไป เมื่อความร้อนกระจายไปที่พื้นผิว จุดควบคุมจะสร้างความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสูงกว่า \(40~\text {MPa}\)
ระดับความเค้นที่ปรับเปลี่ยนได้ที่ได้จะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออินเทอร์เฟซระหว่างของแข็งและของเหลว และอาจเป็นกลไกควบคุมที่ควบคุมเส้นทางการแข็งตัว ขนาดของโซนการเสียรูปจะใหญ่กว่าโซนการหลอมเหลว 2 ถึง 3 เท่า ดังที่แสดงในรูปที่ 3 จะมีการเปรียบเทียบตำแหน่งของเส้นไอโซเทอร์มการหลอมเหลวและระดับความเค้นที่เท่ากับความเค้นที่ถึงจุดยืดหยุ่น ซึ่งหมายความว่าการฉายรังสีเลเซอร์แบบพัลส์จะให้ภาระทางกลสูงในบริเวณเฉพาะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพระหว่าง 300 และ \(800~\upmu \text {m}\) ขึ้นอยู่กับเวลาขณะหนึ่ง
ดังนั้น การปรับเปลี่ยนที่ซับซ้อนของการอบด้วยเลเซอร์แบบพัลส์จะนำไปสู่ผลอัลตราโซนิก เส้นทางการเลือกโครงสร้างจุลภาคจะแตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับ SLM ที่ไม่มีการโหลดอัลตราโซนิก บริเวณที่ไม่เสถียรที่ถูกเปลี่ยนรูปจะนำไปสู่วัฏจักรเป็นระยะของการบีบอัดและการยืดในเฟสแข็ง ดังนั้น การก่อตัวของขอบเกรนและขอบย่อยเกรนใหม่จึงเป็นไปได้ ดังนั้น คุณสมบัติของโครงสร้างจุลภาคจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยเจตนา ดังที่แสดงด้านล่าง ข้อสรุปที่ได้นั้นทำให้สามารถออกแบบต้นแบบ SLM ที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราซาวนด์ที่เหนี่ยวนำโดยการมอดูเลตพัลส์ได้ ในกรณีนี้ สามารถแยกตัวเหนี่ยวนำพีโซอิเล็กทริก 26 ที่ใช้ในที่อื่นออกได้
(ก) แรงกดดันเป็นฟังก์ชันของเวลา คำนวณจากระยะทางต่างๆ จากพื้นผิว 0, 20 และ _(40~_upmu \text {m}\) ตามแนวแกนสมมาตร (ข) ความเค้นฟอน ไมเซสที่ขึ้นกับเวลา คำนวณในเมทริกซ์ของแข็งที่ระยะทาง 70, 120 และ _(170~_upmu \text {m}\) จากพื้นผิวตัวอย่าง
การทดลองได้ดำเนินการบนแผ่นสแตนเลส AISI 321H ที่มีขนาด \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) หลังจากแต่ละพัลส์เลเซอร์ แผ่นจะเคลื่อนที่ \(50~\upmu \text {m}\) และเอวของลำแสงเลเซอร์บนพื้นผิวเป้าหมายอยู่ที่ประมาณ \(100~\upmu \text {m}\) จะมีการฉายลำแสงต่อเนื่องสูงสุดห้าครั้งบนแทร็กเดียวกันเพื่อเหนี่ยวนำการหลอมละลายใหม่ของวัสดุที่ผ่านการประมวลผลเพื่อทำให้เมล็ดพืชละเอียดขึ้น ในทุกกรณี โซนที่หลอมละลายใหม่จะถูกโซนิเคต ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบการแกว่งของรังสีเลเซอร์ ส่งผลให้พื้นที่เมล็ดพืชโดยเฉลี่ยลดลงมากกว่า 5 เท่า รูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมละลายด้วยเลเซอร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตามจำนวนรอบ (รอบ) การหลอมละลายใหม่ที่ตามมา
กราฟย่อย (a,d,g,j) และ (b,e,h,k) – โครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมละลายด้วยเลเซอร์ กราฟย่อย (c,f,i,l) – การกระจายพื้นที่ของเมล็ดพืชสี การแรเงาแสดงถึงอนุภาคที่ใช้ในการคำนวณฮิสโทแกรม สีจะสอดคล้องกับบริเวณเมล็ดพืช (ดูแถบสีที่ด้านบนของฮิสโทแกรม กราฟย่อย (ac) สอดคล้องกับสเตนเลสสตีลที่ไม่ได้รับการบำบัด และกราฟย่อย (df), (gi), (jl) สอดคล้องกับการหลอมละลายใหม่ 1, 3 และ 5 ครั้ง
เนื่องจากพลังงานพัลส์เลเซอร์ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการผ่านครั้งต่อๆ ไป ความลึกของโซนหลอมเหลวจึงเท่าเดิม ดังนั้น ช่องที่ตามมาจะ “ครอบคลุม” ช่องก่อนหน้าอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ฮิสโทแกรมแสดงให้เห็นว่าพื้นที่เกรนเฉลี่ยและมัธยฐานลดลงเมื่อจำนวนรอบเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจบ่งบอกว่าเลเซอร์กำลังทำปฏิกิริยากับพื้นผิวแทนที่จะเป็นของเหลวที่หลอมเหลว
การปรับแต่งเมล็ดพืชอาจเกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของสระหลอมเหลว65 มีการดำเนินการทดลองชุดอื่นซึ่งพื้นผิวของแผ่นสแตนเลส (321H และ 316L) จะถูกสัมผัสกับรังสีเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องในบรรยากาศ (รูปที่ 6) และสุญญากาศ (รูปที่ 7) กำลังเลเซอร์เฉลี่ย (300 W และ 100 W ตามลำดับ) และความลึกของสระหลอมเหลวใกล้เคียงกับผลการทดลองของเลเซอร์ Nd:YAG ในโหมดการทำงานอิสระ อย่างไรก็ตาม มีการสังเกตเห็นโครงสร้างคอลัมน์แบบทั่วไป
โครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์ของเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง (กำลังคงที่ 300 วัตต์ ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที สเตนเลส AISI 321H)
(ก) โครงสร้างจุลภาคและ (ข) ภาพการเลี้ยวเบนกลับของอิเล็กตรอนของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์ในสุญญากาศด้วยเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง (กำลังคงที่ 100 วัตต์ ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที สเตนเลส AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\)
ดังนั้น จึงแสดงให้เห็นชัดเจนว่าการปรับความเข้มของพัลส์เลเซอร์ที่ซับซ้อนมีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้น เราเชื่อว่าผลกระทบนี้มีลักษณะทางกลและเกิดขึ้นเนื่องจากการสร้างการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายจากพื้นผิวของสารหลอมที่ฉายรังสีลึกลงไปในตัวอย่าง ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันได้รับใน 13, 26, 34, 66, 67 โดยใช้เครื่องแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกภายนอกและโซโนโทรดที่ให้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงในวัสดุต่างๆ รวมถึงโลหะผสม Ti-6Al-4V 26 และสแตนเลส 34 ผลลัพธ์ของ กลไกที่เป็นไปได้มีสมมติฐานดังต่อไปนี้ คลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเข้มข้นสูงสามารถทำให้เกิดโพรงอากาศอะคูสติกได้ ดังที่แสดงให้เห็นในภาพเอกซเรย์ซินโครตรอนในสถานที่ที่รวดเร็วเป็นพิเศษ การยุบตัวของฟองโพรงอากาศจะสร้างคลื่นกระแทกในวัสดุที่หลอมละลาย ซึ่งแรงดันด้านหน้าจะอยู่ที่ประมาณ \(100~\text {MPa}\)69 คลื่นกระแทกดังกล่าวอาจรุนแรงเพียงพอที่จะส่งเสริมการก่อตัวของนิวเคลียสเฟสแข็งที่มีขนาดวิกฤต ในของเหลวจำนวนมาก ซึ่งทำลายโครงสร้างเมล็ดพืชแบบคอลัมน์ทั่วไปของการผลิตสารเติมแต่งชั้นต่อชั้น
ที่นี่ เราเสนออีกกลไกหนึ่งที่รับผิดชอบในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโดยการใช้คลื่นเสียงความถี่สูง ทันทีหลังจากการแข็งตัว วัสดุจะอยู่ที่อุณหภูมิสูงใกล้กับจุดหลอมเหลว และมีความเค้นยืดหยุ่นต่ำมาก คลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเข้มข้นสูงสามารถทำให้การไหลของพลาสติกเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเกรนของวัสดุที่ร้อนและเพิ่งแข็งตัวได้ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลการทดลองที่เชื่อถือได้เกี่ยวกับการพึ่งพาอุณหภูมิของความเค้นยืดหยุ่นสามารถดูได้ที่ \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ดูรูปที่ 8) ดังนั้น เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ เราจึงได้ทำการจำลองพลศาสตร์โมเลกุล (MD) ขององค์ประกอบ Fe-Cr-Ni ที่คล้ายกับเหล็ก AISI 316 L เพื่อประเมินพฤติกรรมของความเค้นยืดหยุ่นใกล้กับจุดหลอมเหลว เพื่อคำนวณความเค้นยืดหยุ่น เราใช้เทคนิคการคลายความเค้นเฉือน MD ซึ่งมีรายละเอียดใน 70, 71, 72, 73 สำหรับการคำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม เราใช้ Embedded Atomic Model (EAM) จาก 74 การจำลอง MD ดำเนินการโดยใช้โค้ด LAMMPS 75,76 รายละเอียดของการจำลอง MD จะถูกเผยแพร่ในที่อื่น ผลการคำนวณ MD ของความเค้นผลผลิตเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิจะแสดงอยู่ในรูปที่ 8 ร่วมกับข้อมูลการทดลองที่มีอยู่และการประเมินอื่นๆ77,78,79,80,81,82
ความเค้นยอมให้ผลผลิตสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกเกรด AISI 316 และองค์ประกอบจำลองเทียบกับอุณหภูมิสำหรับการจำลอง MD การวัดเชิงทดลองจากเอกสารอ้างอิง: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81 อ้างถึง (f)82 เป็นแบบจำลองเชิงประจักษ์ของการพึ่งพาระหว่างความเค้นยอมให้ผลผลิตและอุณหภูมิสำหรับการวัดความเค้นในสายการผลิตระหว่างการผลิตแบบเติมแต่งด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์ ผลลัพธ์ของการจำลอง MD ขนาดใหญ่ในการศึกษานี้แสดงเป็น \(\vartriangleleft\) สำหรับผลึกเดี่ยวอนันต์ปราศจากข้อบกพร่อง และ \(\vartriangleright\) สำหรับเมล็ดพืชจำกัดโดยคำนึงถึงขนาดเมล็ดพืชโดยเฉลี่ยผ่านความสัมพันธ์ Hall-Petch มิติ\(d = 50~\upmu \text {m}\)
จะเห็นได้ว่าที่ \(T>1500~\text {K}\) ความเค้นยืดหยุ่นจะลดลงต่ำกว่า \(40~\text {MPa}\) ในทางกลับกัน การประมาณค่าคาดการณ์ว่าแอมพลิจูดอัลตราโซนิกที่สร้างด้วยเลเซอร์จะเกิน \(40~\text {MPa}\) (ดูรูปที่ 4b) ซึ่งเพียงพอที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดการไหลของพลาสติกในวัสดุร้อนที่เพิ่งแข็งตัว
การสร้างโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ในระหว่าง SLM ได้รับการตรวจสอบโดยการทดลองโดยใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์ที่ปรับความเข้มที่ซับซ้อน
พบการลดลงของขนาดเกรนในโซนการหลอมด้วยเลเซอร์เนื่องมาจากการหลอมซ้ำด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่องหลังจากผ่านไป 1, 3 หรือ 5 ครั้ง
การสร้างแบบจำลองระดับมหภาคแสดงให้เห็นว่าขนาดโดยประมาณของบริเวณที่การเปลี่ยนรูปด้วยคลื่นเหนือเสียงอาจส่งผลในเชิงบวกต่อแนวการแข็งตัวนั้นอยู่ที่ประมาณ \(1~\text {mm}\)
แบบจำลอง MD ด้วยกล้องจุลทรรศน์แสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงผลผลิตของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก AISI 316 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเหลือ \(40~\text {MPa}\) ใกล้จุดหลอมเหลว
ผลลัพธ์ที่ได้ชี้ให้เห็นถึงวิธีการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของวัสดุโดยใช้การประมวลผลเลเซอร์แบบปรับเปลี่ยนที่ซับซ้อน และสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างการปรับเปลี่ยนใหม่ๆ ของเทคนิค SLM แบบพัลส์
Liu, Y. et al. วิวัฒนาการโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของคอมโพสิต TiB2/AlSi10Mg ในแหล่งโดยการหลอมโลหะแบบเลือกด้วยเลเซอร์ [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. วิศวกรรมขอบเกรนของการตกผลึกใหม่ของการหลอมโลหะแบบเลือกเลเซอร์ของสแตนเลส 316L [J]. Journal of Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020)
Chen, X. & Qiu, C. การพัฒนาโครงสร้างจุลภาคแบบแซนวิชในสถานที่ด้วยความเหนียวที่เพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนซ้ำด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไททาเนียมที่หลอมด้วยเลเซอร์ science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020)
Azarniya, A. et al. การผลิตแบบเติมแต่งของชิ้นส่วน Ti-6Al-4V โดยการสะสมโลหะด้วยเลเซอร์ (LMD): กระบวนการ โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติเชิงกล J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019)
Kumara, C. et al. การสร้างแบบจำลองโครงสร้างจุลภาคของการสะสมพลังงานที่กำกับด้วยผงโลหะด้วยเลเซอร์ของโลหะผสม 718 เพิ่มใน.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019)
Busey, M. et al. การศึกษาการถ่ายภาพขอบพาราเมตริกนิวตรอนแบรกก์ของตัวอย่างที่ผลิตแบบเติมแต่งที่ได้รับการบำบัดด้วยการช็อตด้วยเลเซอร์ science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021)
Tan, X. et al. โครงสร้างจุลภาคแบบไล่ระดับและคุณสมบัติเชิงกลของ Ti-6Al-4V ที่ผลิตขึ้นโดยการหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015)