ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันอัปเดต (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงเว็บไซต์โดยไม่มีการจัดรูปแบบและ JavaScript
มีการเสนอวิธีการใหม่ที่ใช้การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะเพื่อควบคุมโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์ในกระบวนการผลิต กลไกนี้อาศัยการสร้างคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงในบ่อหลอมโดยการฉายรังสีเลเซอร์ที่มีการปรับความเข้มอย่างซับซ้อน การศึกษาเชิงทดลองและการจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่ากลไกการควบคุมนี้มีความเป็นไปได้ทางเทคนิคและสามารถบูรณาการเข้ากับการออกแบบเครื่องหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะที่ทันสมัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การผลิตชิ้นส่วนรูปทรงซับซ้อนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (Additive Manufacturing: AM) ได้เติบโตขึ้นอย่างมากในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม แม้จะมีกระบวนการผลิตแบบพิมพ์ 3 มิติที่หลากหลาย รวมถึงการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (Selective Laser Melting: SLM)1,2,3 การตกตะกอนโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรง4,5,6 การหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน7,8 และอื่นๆ9,10 ชิ้นส่วนที่ได้ก็อาจมีข้อบกพร่องได้ สาเหตุหลักมาจากลักษณะเฉพาะของกระบวนการแข็งตัวของบ่อหลอมเหลวที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของอุณหภูมิสูง อัตราการเย็นตัวสูง และความซับซ้อนของวงจรความร้อนในการหลอมและหลอมซ้ำของวัสดุ11 ซึ่งนำไปสู่การเติบโตของเกรนแบบเอพิเท็กเซียลและรูพรุนจำนวนมาก12,13 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า จำเป็นต้องควบคุมความแตกต่างของอุณหภูมิ อัตราการเย็นตัว และองค์ประกอบของโลหะผสม หรือใช้แรงกระแทกทางกายภาพเพิ่มเติมผ่านสนามภายนอกที่มีคุณสมบัติต่างๆ (เช่น อัลตราซาวนด์) เพื่อให้ได้โครงสร้างเกรนแบบสมดุลที่ละเอียด
สิ่งพิมพ์จำนวนมากเกี่ยวข้องกับผลของการบำบัดด้วยการสั่นสะเทือนต่อกระบวนการแข็งตัวในกระบวนการหล่อแบบดั้งเดิม14,15 อย่างไรก็ตาม การใช้สนามภายนอกกับโลหะหลอมเหลวจำนวนมากไม่ได้ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ต้องการ หากปริมาตรของเฟสของเหลวมีขนาดเล็ก สถานการณ์จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ในกรณีนี้ สนามภายนอกจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการแข็งตัว ผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการพิจารณาในระหว่างสนามเสียงที่มีความเข้มสูง16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 การกวนด้วยอาร์ค28 และการสั่น29 อาร์คพลาสมาแบบพัลส์30,31 และวิธีการอื่นๆ32 การยึดติดกับพื้นผิวโดยใช้แหล่งกำเนิดอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงภายนอก (ที่ 20 kHz) การปรับขนาดเกรนที่เกิดจากอัลตราซาวนด์นั้นเกิดจากโซนการเย็นตัวย่อยขององค์ประกอบที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากความชันของอุณหภูมิที่ลดลงและการเสริมประสิทธิภาพของอัลตราซาวนด์เพื่อสร้างผลึกใหม่ผ่านการเกิดโพรงอากาศ
ในงานวิจัยนี้ เราได้ศึกษาความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเกรนของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกโดยการใช้คลื่นเสียงที่เกิดจากเลเซอร์หลอมเหลวกับบริเวณหลอมเหลว การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์ที่ตกกระทบลงบนตัวกลางดูดซับแสงจะทำให้เกิดคลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ การปรับความเข้มของรังสีเลเซอร์นี้สามารถนำไปรวมเข้ากับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ SLM ที่มีอยู่แล้วได้อย่างง่ายดาย การทดลองในงานวิจัยนี้ดำเนินการกับแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีพื้นผิวสัมผัสกับรังสีเลเซอร์ที่ปรับความเข้มแล้ว ดังนั้นในทางเทคนิคแล้ว การปรับสภาพพื้นผิวด้วยเลเซอร์จึงเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม หากทำการปรับสภาพพื้นผิวด้วยเลเซอร์บนพื้นผิวของแต่ละชั้นในระหว่างการสร้างแบบทีละชั้น ผลกระทบจะเกิดขึ้นกับปริมาตรทั้งหมดหรือเฉพาะบางส่วนของปริมาตรเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นทีละชั้น การปรับสภาพพื้นผิวด้วยเลเซอร์ของแต่ละชั้นจะเทียบเท่ากับ "การปรับสภาพปริมาตรด้วยเลเซอร์"
ในขณะที่การบำบัดด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิกโดยใช้หัวอัลตราโซนิก พลังงานอัลตราโซนิกของคลื่นเสียงนิ่งจะกระจายไปทั่วชิ้นส่วน ในขณะที่ความเข้มของคลื่นเสียงอัลตราโซนิกที่เกิดจากเลเซอร์จะมีความเข้มข้นสูงใกล้จุดที่รังสีเลเซอร์ถูกดูดซับ การใช้หัวอัลตราโซนิกในเครื่องเชื่อมผงโลหะ SLM นั้นซับซ้อน เนื่องจากพื้นผิวด้านบนของชั้นผงโลหะที่สัมผัสกับรังสีเลเซอร์จะต้องอยู่นิ่ง นอกจากนี้ยังไม่มีความเค้นทางกลบนพื้นผิวด้านบนของชิ้นส่วน ดังนั้นความเค้นทางเสียงจึงใกล้เคียงกับศูนย์ และความเร็วของอนุภาคจะมีแอมพลิจูดสูงสุดทั่วทั้งพื้นผิวด้านบนของชิ้นส่วน ความดันเสียงภายในบ่อหลอมทั้งหมดไม่สามารถเกิน 0.1% ของความดันสูงสุดที่เกิดจากหัวเชื่อม เนื่องจากความยาวคลื่นของคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่ 20 kHz ในเหล็กกล้าไร้สนิมคือประมาณ 0.3 เมตร และความลึกมักจะน้อยกว่าประมาณ 0.3 มิลลิเมตร ดังนั้นผลของคลื่นเสียงอัลตราโซนิกต่อการเกิดโพรงอากาศจึงอาจมีน้อย
ควรสังเกตว่าการใช้รังสีเลเซอร์แบบปรับความเข้มในการตกตะกอนโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรงเป็นหัวข้อวิจัยที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมาก35,36,37,38
ผลกระทบทางความร้อนของรังสีเลเซอร์ที่ตกกระทบลงบนตัวกลางเป็นพื้นฐานของเทคนิคเลเซอร์เกือบทั้งหมด 39, 40 สำหรับการแปรรูปวัสดุ เช่น การตัด41 การเชื่อม การชุบแข็ง การเจาะ42 การทำความสะอาดพื้นผิว การผสมโลหะบนพื้นผิว การขัดเงาพื้นผิว43 เป็นต้น การประดิษฐ์เลเซอร์กระตุ้นให้เกิดการพัฒนาใหม่ๆ ในเทคนิคการแปรรูปวัสดุ และผลลัพธ์เบื้องต้นได้ถูกสรุปไว้ในบทวิจารณ์และเอกสารจำนวนมาก44,45,46
ควรสังเกตว่าการกระทำใดๆ ที่ไม่คงที่บนตัวกลาง รวมถึงการกระทำของเลเซอร์บนตัวกลางดูดซับ จะส่งผลให้เกิดการกระตุ้นคลื่นเสียงในตัวกลางนั้นด้วยประสิทธิภาพมากหรือน้อย ในตอนแรก จุดสนใจหลักอยู่ที่การกระตุ้นคลื่นด้วยเลเซอร์ในของเหลวและกลไกการกระตุ้นเสียงด้วยความร้อนต่างๆ (การขยายตัวทางความร้อน การระเหย การเปลี่ยนแปลงปริมาตรระหว่างการเปลี่ยนเฟส การหดตัว ฯลฯ) 47, 48, 49 เอกสารทางวิชาการจำนวนมาก 50, 51, 52 ได้นำเสนอการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของกระบวนการนี้และการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่เป็นไปได้
ประเด็นเหล่านี้ได้รับการหารือในงานประชุมต่างๆ ในเวลาต่อมา และการกระตุ้นอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์มีการประยุกต์ใช้ทั้งในด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ในอุตสาหกรรม53 และด้านการแพทย์54 ดังนั้นจึงถือได้ว่าแนวคิดพื้นฐานของกระบวนการที่แสงเลเซอร์แบบพัลส์กระทำต่อตัวกลางดูดซับนั้นได้รับการสร้างขึ้นแล้ว การตรวจสอบด้วยเลเซอร์อัลตราโซนิกใช้สำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องของตัวอย่างที่ผลิตด้วย SLM55,56
ผลของคลื่นกระแทกที่เกิดจากเลเซอร์ต่อวัสดุเป็นพื้นฐานของเลเซอร์ช็อกพีนนิ่ง57,58,59 ซึ่งใช้สำหรับการปรับสภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีการเพิ่มเนื้อวัสดุ60 อย่างไรก็ตาม การเสริมความแข็งแรงด้วยเลเซอร์ช็อกพีนนิ่งจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดกับพัลส์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีและพื้นผิวที่รับแรงทางกล (เช่น มีชั้นของเหลว)59 เนื่องจากแรงทางกลจะเพิ่มแรงดันสูงสุด
ได้มีการทำการทดลองเพื่อตรวจสอบผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากสนามทางกายภาพต่างๆ ต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่แข็งตัวแล้ว แผนภาพการทำงานของชุดอุปกรณ์ทดลองแสดงในรูปที่ 1 ใช้เลเซอร์โซลิดสเตท Nd:YAG แบบพัลส์ที่ทำงานในโหมดฟรีรันนิ่ง (ระยะเวลาพัลส์ \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) แต่ละพัลส์เลเซอร์จะผ่านชุดตัวกรองความหนาแน่นกลางและระบบแผ่นแยกแสง ขึ้นอยู่กับการรวมกันของตัวกรองความหนาแน่นกลาง พลังงานพัลส์บนเป้าหมายจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ถึง \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) ลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากแผ่นแยกแสงจะถูกส่งไปยังโฟโตไดโอดเพื่อเก็บข้อมูลพร้อมกัน และใช้แคลอริเมตรสองตัว (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองนานเกิน \(1~\text {ms}\)) เพื่อกำหนดพลังงานที่ตกกระทบและสะท้อนจากเป้าหมาย และใช้เครื่องวัดกำลังสองตัว ใช้เครื่องวัดพลังงาน (โฟโตไดโอดที่มีเวลาตอบสนองสั้น <10 นาโนวินาที) เพื่อกำหนดกำลังแสงตกกระทบและแสงสะท้อน เครื่องวัดพลังงานและเครื่องวัดความร้อนได้รับการสอบเทียบเพื่อให้ได้ค่าในหน่วยสัมบูรณ์โดยใช้ตัวตรวจจับเทอร์โมไพล์ Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 และกระจกไดอิเล็กทริกที่ติดตั้ง ณ ตำแหน่งตัวอย่าง โฟกัสลำแสงไปยังเป้าหมายโดยใช้เลนส์ (เคลือบสารป้องกันการสะท้อนที่ 1.06 ไมโครเมตร ความยาวโฟกัส 160 มิลลิเมตร) และขนาดลำแสงที่พื้นผิวเป้าหมาย 60–100 ไมโครเมตร
แผนภาพแสดงการทำงานของชุดอุปกรณ์ทดลอง: 1—เลเซอร์; 2—ลำแสงเลเซอร์; 3—ตัวกรองความหนาแน่นกลาง; 4—โฟโตไดโอดแบบซิงโครไนซ์; 5—ตัวแยกแสง; 6—ไดอะแฟรม; 7—แคลอรีมิเตอร์ของลำแสงตกกระทบ; 8—แคลอรีมิเตอร์ของลำแสงสะท้อน; 9—เครื่องวัดกำลังของลำแสงตกกระทบ; 10—เครื่องวัดกำลังของลำแสงสะท้อน; 11—เลนส์โฟกัส; 12—กระจก; 13—ตัวอย่าง; 14—ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกแบบบรอดแบนด์; 15—ตัวแปลง 2 มิติ; 16—ไมโครคอนโทรลเลอร์กำหนดตำแหน่ง; 17—หน่วยซิงโครไนซ์; 18—ระบบเก็บข้อมูลดิจิทัลหลายช่องสัญญาณที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่างต่างๆ; 19—คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
การรักษาด้วยคลื่นอัลตราโซนิคดำเนินการดังนี้ เลเซอร์ทำงานในโหมดฟรีรันนิ่ง ดังนั้นระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์จึงอยู่ที่ประมาณ 150 ไมโครวินาที ซึ่งประกอบด้วยช่วงเวลาหลายช่วง โดยแต่ละช่วงมีความยาวประมาณ 1.5 ไมโครวินาที รูปทรงของพัลส์เลเซอร์และสเปกตรัมประกอบด้วยซองความถี่ต่ำและการมอดูเลชันความถี่สูง โดยมีความถี่เฉลี่ยประมาณ 0.7 เมกะเฮิร์ตซ์ ดังแสดงในรูปที่ 2 ซองความถี่ทำให้เกิดความร้อนและการหลอมเหลวและการระเหยของวัสดุ ในขณะที่ส่วนประกอบความถี่สูงทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของคลื่นอัลตราโซนิคเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตอะคูสติก รูปคลื่นของพัลส์อัลตราโซนิคที่สร้างโดยเลเซอร์นั้นส่วนใหญ่กำหนดโดยรูปทรงของความเข้มของพัลส์เลเซอร์ตามเวลา ช่วงความถี่อยู่ระหว่าง 7 kHz ถึง 2 MHz และความถี่ศูนย์กลางอยู่ที่ประมาณ 0.7 MHz คลื่นเสียงที่เกิดจากปรากฏการณ์โฟโตอะคูสติกถูกบันทึกโดยใช้ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกแบบบรอดแบนด์ที่ทำจากฟิล์มโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ รูปคลื่นและสเปกตรัมที่บันทึกได้แสดงในรูปที่ 2 ควรสังเกตว่ารูปร่างของพัลส์เลเซอร์นั้นเป็นลักษณะทั่วไปของเลเซอร์โหมดทำงานอิสระ
การกระจายตัวตามเวลาของความเข้มของพัลส์เลเซอร์ (a) และความเร็วเสียงที่พื้นผิวด้านหลังของตัวอย่าง (b) สเปกตรัมของพัลส์เลเซอร์ (c) และพัลส์อัลตราโซนิก (d) ที่เฉลี่ยจากพัลส์เลเซอร์ 300 พัลส์ (เส้นโค้งสีแดง) สำหรับพัลส์เลเซอร์เดี่ยว (เส้นโค้งสีน้ำเงิน)
เราสามารถแยกแยะส่วนประกอบความถี่ต่ำและความถี่สูงของการบำบัดด้วยคลื่นเสียงได้อย่างชัดเจน โดยสอดคล้องกับซองคลื่นความถี่ต่ำของพัลส์เลเซอร์และการมอดูเลชั่นความถี่สูงตามลำดับ ความยาวคลื่นของคลื่นเสียงที่เกิดจากซองคลื่นพัลส์เลเซอร์มีค่าเกิน 40 ซม. ดังนั้นจึงคาดว่าส่วนประกอบความถี่สูงแบบบรอดแบนด์ของสัญญาณเสียงจะมีผลหลักต่อโครงสร้างจุลภาค
กระบวนการทางกายภาพใน SLM มีความซับซ้อนและเกิดขึ้นพร้อมกันในระดับเชิงพื้นที่และเวลาที่แตกต่างกัน ดังนั้น วิธีการแบบหลายระดับจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของ SLM แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ควรเป็นแบบหลายฟิสิกส์ตั้งแต่เริ่มต้น กลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ของตัวกลางหลายเฟส "ของแข็ง-ของเหลวหลอมเหลว" ที่มีปฏิสัมพันธ์กับบรรยากาศก๊าซเฉื่อยจึงสามารถอธิบายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลักษณะของภาระความร้อนของวัสดุใน SLM มีดังต่อไปนี้
อัตราการให้ความร้อนและความเย็นสูงถึง \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ เนื่องจากการฉายรังสีเลเซอร์เฉพาะจุดด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
วัฏจักรการหลอมเหลวและการแข็งตัวใช้เวลาประมาณ 1 ถึง 10 มิลลิวินาที ซึ่งส่งผลให้บริเวณที่หลอมเหลวแข็งตัวอย่างรวดเร็วในระหว่างการเย็นตัว
การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วแก่พื้นผิวตัวอย่างส่งผลให้เกิดความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสูงในชั้นผิว ผงส่วนหนึ่ง (มากถึง 20%) ระเหยไปอย่างรุนแรง63 ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงดันเพิ่มเติมบนพื้นผิวอันเนื่องมาจากการระเหยด้วยเลเซอร์ ดังนั้น ความเครียดที่เกิดขึ้นจึงทำให้รูปทรงของชิ้นส่วนบิดเบี้ยวอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณใกล้กับส่วนรองรับและองค์ประกอบโครงสร้างที่บาง อัตราการให้ความร้อนสูงในการอบอ่อนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ส่งผลให้เกิดคลื่นความเครียดอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายจากพื้นผิวไปยังวัสดุรองรับ เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงปริมาณที่แม่นยำเกี่ยวกับการกระจายความเค้นและความเครียดในระดับท้องถิ่น จึงได้ทำการจำลองระดับเมโซสโคปิกของปัญหาการเสียรูปยืดหยุ่นที่เชื่อมโยงกับการถ่ายเทความร้อนและมวล
สมการควบคุมของแบบจำลองประกอบด้วย (1) สมการการถ่ายเทความร้อนที่ไม่คงที่ โดยที่ค่าการนำความร้อนขึ้นอยู่กับสถานะเฟส (ผง, หลอมเหลว, ผลึกหลายเหลี่ยม) และอุณหภูมิ (2) ความผันผวนในการเสียรูปยืดหยุ่นหลังจากการระเหยแบบต่อเนื่องและสมการการขยายตัวทางเทอร์โมอิลาสติก ปัญหาค่าขอบเขตถูกกำหนดโดยเงื่อนไขการทดลอง ฟลักซ์เลเซอร์ที่ปรับเปลี่ยนจะถูกกำหนดบนพื้นผิวตัวอย่าง การระบายความร้อนแบบพาความร้อนประกอบด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำและฟลักซ์การระเหย ฟลักซ์มวลถูกกำหนดโดยอิงจากการคำนวณความดันไออิ่มตัวของวัสดุที่ระเหย ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดแบบอิลาสโตพลาสติกถูกนำมาใช้ โดยที่ความเค้นเทอร์โมอิลาสติกเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิ สำหรับกำลังไฟฟ้าที่กำหนด 300 วัตต์ ความถี่ 10⁵ เฮิรตซ์ สัมประสิทธิ์การไม่ต่อเนื่อง 100 และเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่มีประสิทธิภาพ 200 ไมโครเมตร
รูปที่ 3 แสดงผลลัพธ์ของการจำลองเชิงตัวเลขของโซนหลอมเหลวโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ระดับมหภาค เส้นผ่านศูนย์กลางของโซนหลอมเหลวคือ 200 ไมโครเมตร (รัศมี 100 ไมโครเมตร) และความลึก 40 ไมโครเมตร ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิพื้นผิวเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ตามเวลาประมาณ 100 เคลวิน เนื่องมาจากปัจจัยความไม่ต่อเนื่องสูงของการปรับพัลส์ อัตราการให้ความร้อน Vh และการระบายความร้อน Vc อยู่ในลำดับ 10⁷ และ 10⁶ เคลวิน/วินาที ตามลำดับ ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับการวิเคราะห์ก่อนหน้านี้ของเราเป็นอย่างดี⁶⁴ ความแตกต่างของขนาดระหว่าง Vh และ Vc ส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปอย่างรวดเร็วของชั้นผิว ซึ่งการนำความร้อนไปยังพื้นผิวรองรับนั้น ไม่เพียงพอที่จะระบายความร้อนออกไป ดังนั้นที่ t=26 μs อุณหภูมิพื้นผิวจึงพุ่งสูงถึง 4800 K การระเหยอย่างรุนแรงของวัสดุอาจทำให้พื้นผิวของตัวอย่างได้รับแรงดันมากเกินไปและหลุดลอกออกได้
ผลการจำลองเชิงตัวเลขของโซนหลอมเหลวของการอบอ่อนด้วยพัลส์เลเซอร์เดี่ยวบนแผ่นตัวอย่าง 316L เวลาตั้งแต่เริ่มต้นพัลส์จนถึงความลึกของบ่อหลอมเหลวถึงค่าสูงสุดคือ 180 ไมโครวินาที เส้นไอโซเทอร์ม T = T_L = 1723 เคลวิน แสดงถึงขอบเขตระหว่างเฟสของเหลวและของแข็ง เส้นไอโซบาร์ (เส้นสีเหลือง) สอดคล้องกับความเค้นครากที่คำนวณเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิในส่วนถัดไป ดังนั้น ในบริเวณระหว่างเส้นไอโซไลน์ทั้งสอง (เส้นไอโซเทอร์ม T=T_L และเส้นไอโซบาร์ σ = σ_V(T)) เฟสของแข็งจะได้รับภาระทางกลสูง ซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาค
ผลกระทบนี้ได้รับการอธิบายเพิ่มเติมในรูปที่ 4a ซึ่งแสดงระดับความดันในบริเวณหลอมเหลวเป็นฟังก์ชันของเวลาและระยะห่างจากพื้นผิว ประการแรก พฤติกรรมของความดันเกี่ยวข้องกับการปรับความเข้มของพัลส์เลเซอร์ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2 ข้างต้น ความดันสูงสุด (σ) ประมาณ 10 MPa ถูกสังเกตพบที่เวลาประมาณ t = 26 μm ประการที่สอง ความผันผวนของความดันเฉพาะที่ ณ จุดควบคุมมีลักษณะการแกว่งเหมือนกับความถี่ 500 kHz ซึ่งหมายความว่าคลื่นความดันอัลตราโซนิกถูกสร้างขึ้นที่พื้นผิวแล้วแพร่กระจายเข้าไปในวัสดุรองรับ
ลักษณะที่คำนวณได้ของโซนการเสียรูปใกล้โซนหลอมเหลวแสดงในรูปที่ 4b การระเหยด้วยเลเซอร์และความเค้นเทอร์โมอิลาสติกก่อให้เกิดคลื่นการเสียรูปยืดหยุ่นที่แพร่กระจายเข้าไปในพื้นผิว ดังที่เห็นได้จากรูป มีการสร้างความเค้นสองขั้นตอน ในช่วงแรกที่ t < 40 μs ความเค้น Mises เพิ่มขึ้นเป็น 8 MPa โดยมีการเปลี่ยนแปลงคล้ายกับความดันพื้นผิว ความเค้นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการระเหยด้วยเลเซอร์ และไม่พบความเค้นเทอร์โมอิลาสติกในจุดควบคุมเนื่องจากโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนเริ่มต้นมีขนาดเล็กเกินไป เมื่อความร้อนกระจายเข้าไปในพื้นผิว จุดควบคุมจะสร้างความเค้นเทอร์โมอิลาสติกสูงกว่า 40 MPa
ระดับความเค้นที่ปรับเปลี่ยนได้นั้นมีผลกระทบอย่างมากต่อส่วนต่อประสานของของแข็งและของเหลว และอาจเป็นกลไกควบคุมที่ควบคุมเส้นทางการแข็งตัว ขนาดของโซนการเสียรูปนั้นใหญ่กว่าโซนการหลอมเหลว 2 ถึง 3 เท่า ดังแสดงในรูปที่ 3 ตำแหน่งของเส้นไอโซเทอร์มการหลอมเหลวและระดับความเค้นที่เท่ากับความเค้นคราดนั้นถูกนำมาเปรียบเทียบกัน ซึ่งหมายความว่าการฉายแสงเลเซอร์แบบพัลส์จะให้ภาระทางกลสูงในบริเวณเฉพาะที่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพระหว่าง 300 ถึง 800 ไมโครเมตร ขึ้นอยู่กับเวลาทันที
ดังนั้น การปรับเปลี่ยนที่ซับซ้อนของการอบอ่อนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์จึงนำไปสู่ผลของคลื่นอัลตราโซนิก เส้นทางการเลือกโครงสร้างจุลภาคจะแตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับ SLM ที่ไม่มีการโหลดอัลตราโซนิก บริเวณที่ไม่เสถียรที่เสียรูปนำไปสู่รอบการบีบอัดและการยืดเป็นระยะในเฟสของแข็ง ดังนั้น การก่อตัวของขอบเกรนใหม่และขอบเกรนย่อยจึงเป็นไปได้ ด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติของโครงสร้างจุลภาคจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยเจตนา ดังแสดงด้านล่าง ข้อสรุปที่ได้ให้ความเป็นไปได้ในการออกแบบต้นแบบ SLM ที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกที่เหนี่ยวนำโดยการปรับเปลี่ยนพัลส์ ในกรณีนี้ ตัวเหนี่ยวนำเพียโซอิเล็กทริก 26 ที่ใช้ในที่อื่นสามารถตัดออกได้
(a) ความดันเป็นฟังก์ชันของเวลา คำนวณที่ระยะห่างต่าง ๆ จากพื้นผิว 0, 20 และ 40 ไมโครเมตร ตามแนวแกนสมมาตร (b) ความเค้นวอนมิเซสที่ขึ้นอยู่กับเวลา คำนวณในเมทริกซ์ของแข็งที่ระยะห่าง 70, 120 และ 170 ไมโครเมตร จากพื้นผิวของตัวอย่าง
การทดลองได้ดำเนินการกับแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิม AISI 321H ขนาด 20 x 20 x 5 มม. หลังจากการยิงเลเซอร์แต่ละครั้ง แผ่นจะเคลื่อนที่ 50 ไมโครเมตร และจุดโฟกัสของลำแสงเลเซอร์บนพื้นผิวเป้าหมายอยู่ที่ประมาณ 100 ไมโครเมตร มีการยิงลำแสงเลเซอร์ต่อเนื่องกันสูงสุดห้าครั้งในแนวเดียวกัน เพื่อกระตุ้นให้วัสดุที่ผ่านการประมวลผลเกิดการหลอมใหม่เพื่อปรับปรุงโครงสร้างผลึก ในทุกกรณี บริเวณที่หลอมใหม่จะถูกทำให้แตกตัวด้วยคลื่นเสียง ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบการสั่นของรังสีเลเซอร์ ส่งผลให้พื้นที่เฉลี่ยของผลึกลดลงมากกว่า 5 เท่า ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อจำนวนรอบการหลอมใหม่ (การยิงลำแสง) เปลี่ยนแปลงไป
แผนภาพย่อย (a,d,g,j) และ (b,e,h,k) – โครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์ แผนภาพย่อย (c,f,i,l) – การกระจายพื้นที่ของเม็ดเกรนสี การแรเงาแสดงถึงอนุภาคที่ใช้ในการคำนวณฮิสโตแกรม สีต่างๆ สอดคล้องกับบริเวณเม็ดเกรน (ดูแถบสีด้านบนของฮิสโตแกรม) แผนภาพย่อย (ac) สอดคล้องกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่ไม่ผ่านการบำบัด และแผนภาพย่อย (df), (gi), (jl) สอดคล้องกับการหลอมซ้ำ 1, 3 และ 5 ครั้ง
เนื่องจากพลังงานพัลส์เลเซอร์ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการผ่านแต่ละครั้ง ความลึกของโซนหลอมเหลวจึงเท่ากัน ดังนั้น ช่องถัดไปจึง "ครอบคลุม" ช่องก่อนหน้าได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ฮิสโตแกรมแสดงให้เห็นว่าพื้นที่เกรนเฉลี่ยและมัธยฐานลดลงเมื่อจำนวนการผ่านเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจบ่งชี้ว่าเลเซอร์กำลังทำงานกับพื้นผิวมากกว่าส่วนที่หลอมเหลว
การปรับปรุงโครงสร้างผลึกอาจเกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของบ่อหลอมเหลว65 การทดลองอีกชุดหนึ่งดำเนินการโดยให้พื้นผิวของแผ่นสแตนเลส (321H และ 316L) สัมผัสกับรังสีเลเซอร์แบบต่อเนื่องในบรรยากาศ (รูปที่ 6) และสุญญากาศ (รูปที่ 7) กำลังเลเซอร์เฉลี่ย (300 วัตต์และ 100 วัตต์ ตามลำดับ) และความลึกของบ่อหลอมเหลวใกล้เคียงกับผลการทดลองของเลเซอร์ Nd:YAG ในโหมดการทำงานแบบอิสระ อย่างไรก็ตาม สังเกตเห็นโครงสร้างแบบคอลัมน์ทั่วไป
โครงสร้างจุลภาคของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (กำลังคงที่ 300 วัตต์ ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 321H)
(a) ภาพโครงสร้างจุลภาค และ (b) ภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบย้อนกลับของบริเวณที่หลอมด้วยเลเซอร์ในสุญญากาศ โดยใช้เลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (กำลังคงที่ 100 วัตต์ ความเร็วในการสแกน 200 มม./วินาที เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 316L) (ประมาณ 2 มิลลิบาร์)
ดังนั้น จึงแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการปรับเปลี่ยนที่ซับซ้อนของความเข้มของพัลส์เลเซอร์มีผลอย่างมากต่อโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้น เราเชื่อว่าผลกระทบนี้มีลักษณะทางกลและเกิดขึ้นเนื่องจากการสร้างการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายจากพื้นผิวที่ถูกฉายรังสีของโลหะหลอมเหลวลึกเข้าไปในตัวอย่าง ผลลัพธ์ที่คล้ายกันนี้ได้จากการใช้ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกภายนอกและโซโนโทรดที่ให้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงในวัสดุต่างๆ รวมถึงโลหะผสม Ti-6Al-4V 26 และเหล็กกล้าไร้สนิม 34 ในงานวิจัย 13, 26, 34, 66, 67 กลไกที่เป็นไปได้คาดการณ์ไว้ดังนี้ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงสามารถทำให้เกิดโพรงอากาศอะคูสติกได้ ดังที่แสดงให้เห็นในการถ่ายภาพเอกซเรย์ซินโครตรอนแบบอินซิทูความเร็วสูง การยุบตัวของฟองอากาศอะคูสติกจะสร้างคลื่นกระแทกในวัสดุหลอมเหลว ซึ่งความดันด้านหน้าสูงถึงประมาณ 100 MPa 69 คลื่นกระแทกดังกล่าวอาจมีความแรงเพียงพอที่จะส่งเสริมการก่อตัวของนิวเคลียสของเฟสของแข็งที่มีขนาดวิกฤตในเนื้อวัสดุ ของเหลวจะรบกวนโครงสร้างเม็ดเกรนแบบเสาตามปกติของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุทีละชั้น
ในที่นี้ เราเสนออีกกลไกหนึ่งที่รับผิดชอบต่อการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโดยการใช้คลื่นเสียงความถี่สูง ทันทีหลังจากการแข็งตัว วัสดุจะมีอุณหภูมิสูงใกล้จุดหลอมเหลวและมีความเค้นคราต่ำมาก คลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเข้มสูงสามารถทำให้เกิดการไหลแบบพลาสติกเพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเกรนของวัสดุที่ร้อนและเพิ่งแข็งตัว อย่างไรก็ตาม ข้อมูลการทดลองที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับการพึ่งพาอุณหภูมิของความเค้นครามีอยู่แล้วที่ \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ดูรูปที่ 8) ดังนั้น เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ เราจึงทำการจำลองพลศาสตร์โมเลกุล (MD) ขององค์ประกอบ Fe-Cr-Ni ที่คล้ายกับเหล็กกล้า AISI 316 L เพื่อประเมินพฤติกรรมความเค้นคราใกล้จุดหลอมเหลว ในการคำนวณความเค้นครา เราใช้เทคนิคการผ่อนคลายความเค้นเฉือน MD ที่อธิบายรายละเอียดไว้ใน 70, 71, 72, 73 สำหรับการคำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม เราใช้แบบจำลองอะตอมฝังตัว (EAM) จาก 74 การจำลอง MD ดำเนินการโดยใช้รหัส LAMMPS 75,76. รายละเอียดของการจำลอง MD จะได้รับการเผยแพร่ในที่อื่น ผลการคำนวณ MD ของความเค้นครากเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิแสดงในรูปที่ 8 พร้อมกับข้อมูลการทดลองที่มีอยู่และการประเมินอื่นๆ77,78,79,80,81,82
ความเค้นครากสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกเกรด AISI 316 และองค์ประกอบแบบจำลองเทียบกับอุณหภูมิสำหรับการจำลอง MD การวัดเชิงทดลองจากเอกสารอ้างอิง: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81 โปรดดู (f) 82 เป็นแบบจำลองเชิงประจักษ์ของความเค้นครากที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสำหรับการวัดความเค้นแบบอินไลน์ระหว่างการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ ผลลัพธ์ของการจำลอง MD ขนาดใหญ่ในงานวิจัยนี้แสดงเป็น \(\vartriangleleft\) สำหรับผลึกเดี่ยวอนันต์ที่ปราศจากข้อบกพร่อง และ \(\vartriangleright\) สำหรับเกรนจำกัดโดยคำนึงถึงขนาดเกรนเฉลี่ยผ่านความสัมพันธ์ Hall-Petch มิติ \(d = 50~\upmu \text {m}\).
จะเห็นได้ว่าที่อุณหภูมิ \(T>1500~\text {K}\) ค่าความเค้นครากจะลดลงต่ำกว่า \(40~\text {MPa}\) ในทางกลับกัน การประมาณการคาดการณ์ว่าแอมพลิจูดอัลตราโซนิกที่เกิดจากเลเซอร์มีค่าเกิน \(40~\text {MPa}\) (ดูรูปที่ 4b) ซึ่งเพียงพอที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดการไหลแบบพลาสติกในวัสดุร้อนที่เพิ่งแข็งตัว
การก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนไนต์ 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ในระหว่างกระบวนการ SLM ได้รับการศึกษาเชิงทดลองโดยใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีการปรับความเข้มที่ซับซ้อน
พบว่าขนาดของเกรนในบริเวณหลอมด้วยเลเซอร์ลดลงเนื่องจากการหลอมซ้ำด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่องหลังจากผ่านเลเซอร์ 1, 3 หรือ 5 ครั้ง
การสร้างแบบจำลองระดับมหภาคแสดงให้เห็นว่าขนาดโดยประมาณของบริเวณที่การเปลี่ยนรูปด้วยคลื่นอัลตราโซนิคอาจส่งผลดีต่อแนวหน้าของการแข็งตัวนั้นมีขนาดสูงสุดถึง 1 มม.
แบบจำลอง MD ระดับจุลภาคแสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงคราของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก AISI 316 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเหลือเพียง 40 MPa ใกล้จุดหลอมเหลว
ผลลัพธ์ที่ได้ชี้ให้เห็นถึงวิธีการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของวัสดุโดยใช้กระบวนการเลเซอร์แบบปรับแต่งที่ซับซ้อน และสามารถใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างการดัดแปลงใหม่ของเทคนิค SLM แบบพัลส์ได้
Liu, Y. และคณะ วิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิต TiB2/AlSi10Mg ที่เกิดขึ้นเองโดยการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021)
Gao, S. และคณะ วิศวกรรมขอบเกรนการตกผลึกใหม่ของการหลอมเลือกด้วยเลเซอร์ของเหล็กกล้าไร้สนิม 316L [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020)
Chen, X. & Qiu, C. การพัฒนาโครงสร้างจุลภาคแบบแซนด์วิชที่มีความยืดหยุ่นสูงขึ้นในแหล่งกำเนิดโดยการให้ความร้อนซ้ำด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไทเทเนียมที่หลอมด้วยเลเซอร์ science.Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020)
Azarniya, A. และคณะ การผลิตชิ้นส่วน Ti-6Al-4V ด้วยเทคนิคการสะสมโลหะด้วยเลเซอร์ (LMD): กระบวนการ โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติทางกล J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019)
Kumara, C. และคณะ การสร้างแบบจำลองโครงสร้างจุลภาคของการตกตะกอนพลังงานโดยตรงของผงโลหะด้วยเลเซอร์ของโลหะผสม 718 Add to.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019)
Busey, M. และคณะ. การศึกษาการสร้างภาพขอบแบร็กของนิวตรอนแบบพาราเมตริกของตัวอย่างที่ผลิตด้วยวิธีการเพิ่มเนื้อวัสดุที่ผ่านการบำบัดด้วยการกระแทกด้วยเลเซอร์ science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021)
Tan, X. และคณะ โครงสร้างจุลภาคแบบไล่ระดับและคุณสมบัติทางกลของ Ti-6Al-4V ที่ผลิตด้วยวิธีการหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015)