Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta para sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang styling at JavaScript.
Isang bagong mekanismo batay sa selective laser melting upang makontrol ang microstructure ng mga produkto sa proseso ng pagmamanupaktura ang iminungkahi. Ang mekanismo ay umaasa sa pagbuo ng mga high-intensity ultrasonic wave sa tinunaw na pool sa pamamagitan ng complex intensity-modulated laser irradiation. Ipinapakita ng mga eksperimental na pag-aaral at numerical simulation na ang mekanismo ng pagkontrol na ito ay teknikal na magagawa at maaaring epektibong maisama sa disenyo ng mga modernong selective laser melting machine.
Ang additive manufacturing (AM) ng mga bahaging may kumplikadong hugis ay lumago nang malaki sa mga nakaraang dekada. Gayunpaman, sa kabila ng iba't ibang proseso ng additive manufacturing, kabilang ang selective laser melting (SLM)1,2,3, direktang laser metal deposition4,5,6, electron beam melting7,8 at iba pa9,10, ang mga Bahagi ay maaaring may depekto. Ito ay pangunahing dahil sa mga partikular na katangian ng proseso ng solidification ng molten pool na nauugnay sa mataas na thermal gradients, mataas na cooling rates, at ang pagiging kumplikado ng mga heating cycle sa mga materyales na natutunaw at natutunaw muli11, na humahantong sa epitaxial grain growth at makabuluhang porosity12,13. Ipinapakita ng mga resulta na , kinakailangang kontrolin ang thermal gradients, cooling rates, at komposisyon ng haluang metal, o maglapat ng karagdagang physical shocks sa pamamagitan ng mga panlabas na field na may iba't ibang katangian (hal., ultrasound) upang makamit ang pinong equiaxed grain structures.
Maraming publikasyon ang tumatalakay sa epekto ng vibration treatment sa proseso ng solidification sa mga kumbensyonal na proseso ng paghahagis14,15. Gayunpaman, ang paglalapat ng panlabas na field sa mga bulk melt ay hindi nakakagawa ng ninanais na microstructure ng materyal. Kung maliit ang volume ng liquid phase, malaki ang pagbabago ng sitwasyon. Sa kasong ito, malaki ang epekto ng panlabas na field sa proseso ng solidification. Ang mga electromagnetic effect ay isinaalang-alang sa panahon ng matinding acoustic field16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, arc stirring28 at oscillation29, pulsed plasma arcs30,31 at iba pang mga pamamaraan32. Ikabit sa substrate gamit ang isang panlabas na high-intensity ultrasound source (sa 20 kHz). Ang ultrasound-induced grain refinement ay maiuugnay sa pagtaas ng compositional subcooling zone dahil sa pinababang temperature gradient at ultrasound enhancement upang makabuo ng mga bagong crystallite sa pamamagitan ng cavitation.
Sa gawaing ito, sinisiyasat namin ang posibilidad ng pagbabago sa istruktura ng butil ng mga austenitic stainless steel sa pamamagitan ng pag-sonicate sa tinunaw na pool gamit ang mga sound wave na nalilikha mismo ng melting laser. Ang intensity modulation ng laser radiation incident sa light-absorbing medium ay nagreresulta sa pagbuo ng mga ultrasonic wave, na nagpapabago sa microstructure ng materyal. Ang intensity modulation na ito ng laser radiation ay madaling maisama sa mga umiiral na SLM 3D printer. Ang mga eksperimento sa gawaing ito ay isinagawa sa mga stainless steel plate na ang mga ibabaw ay nalantad sa intensity-modulated laser radiation. Kaya, teknikal na ginagawa ang laser surface treatment. Gayunpaman, kung ang naturang laser treatment ay isinasagawa sa ibabaw ng bawat layer, habang bumubuo ng layer-by-layer, makakamit ang mga epekto sa buong volume o sa mga piling bahagi ng volume. Sa madaling salita, kung ang bahagi ay ginawang layer-by-layer, ang laser surface treatment ng bawat layer ay katumbas ng "laser volume treatment".
Samantalang sa ultrasonic horn-based ultrasonic therapy, ang ultrasonic energy ng standing sound wave ay ipinamamahagi sa buong component, habang ang laser-induced ultrasonic intensity ay lubos na konsentrado malapit sa punto kung saan nasisipsip ang laser radiation. Ang paggamit ng sonotrode sa isang SLM powder bed fusion machine ay kumplikado dahil ang ibabaw na bahagi ng powder bed na nakalantad sa laser radiation ay dapat manatiling nakatigil. Bilang karagdagan, walang mechanical stress sa ibabaw na bahagi. Samakatuwid, ang acoustic stress ay malapit sa zero at ang particle velocity ay may maximum amplitude sa buong ibabaw na bahagi. Ang sound pressure sa loob ng buong molten pool ay hindi maaaring lumagpas sa 0.1% ng maximum pressure na nalilikha ng welding head, dahil ang wavelength ng ultrasonic waves na may frequency na 20 kHz sa stainless steel ay \(\sim 0.3~\text {m}\), at ang lalim ay karaniwang mas mababa sa \(\sim 0.3~\text {mm}\). Samakatuwid, ang epekto ng ultrasound sa cavitation ay maaaring maliit.
Dapat tandaan na ang paggamit ng intensity-modulated laser radiation sa direktang laser metal deposition ay isang aktibong larangan ng pananaliksik35,36,37,38.
Ang thermal effect ng laser radiation incident sa medium ang siyang batayan para sa halos lahat ng mga pamamaraan ng laser 39, 40 para sa pagproseso ng materyal, tulad ng pagputol41, hinang, pagpapatigas, pagbabarena42, paglilinis ng ibabaw, pag-alloy ng ibabaw, pagpapakintab ng ibabaw43, atbp. Ang imbensyon ng laser ay nagpasigla ng mga bagong pag-unlad sa mga pamamaraan ng pagproseso ng mga materyales, at ang mga paunang resulta ay naibuod sa maraming mga pagsusuri at monograp44,45,46.
Dapat tandaan na ang anumang di-nakapirming aksyon sa medium, kabilang ang aksyong laser sa sumisipsip na medium, ay nagreresulta sa paggulo ng mga acoustic wave dito na may higit o mas kaunting kahusayan. Sa simula, ang pangunahing pokus ay sa laser excitation ng mga alon sa mga likido at ang iba't ibang mekanismo ng thermal excitation ng tunog (thermal expansion, evaporation, pagbabago ng volume sa panahon ng phase transition, contraction, atbp.) 47, 48, 49. Maraming monograp 50, 51, 52 ang nagbibigay ng mga teoretikal na pagsusuri ng prosesong ito at mga posibleng praktikal na aplikasyon nito.
Ang mga isyung ito ay tinalakay kalaunan sa iba't ibang kumperensya, at ang laser excitation ng ultrasound ay may mga aplikasyon sa parehong pang-industriya na aplikasyon ng teknolohiya ng laser53 at medisina54. Samakatuwid, maituturing na ang pangunahing konsepto ng proseso kung saan ang pulsed laser light ay kumikilos sa isang sumisipsip na medium ay naitatag na. Ang laser ultrasonic inspection ay ginagamit para sa pagtuklas ng depekto ng mga sample na gawa ng SLM55,56.
Ang epekto ng mga shock wave na nabuo ng laser sa mga materyales ang siyang batayan ng laser shock peening57,58,59, na ginagamit din para sa paggamot sa ibabaw ng mga bahaging ginawa nang may dagdag na impormasyon60. Gayunpaman, ang pagpapalakas ng laser shock ay pinakaepektibo sa mga nanosecond laser pulse at mga ibabaw na may mekanikal na karga (hal., na may isang patong ng likido)59 dahil ang mekanikal na karga ay nagpapataas ng peak pressure.
Isinagawa ang mga eksperimento upang siyasatin ang mga posibleng epekto ng iba't ibang pisikal na larangan sa microstructure ng mga solidified na materyales. Ang functional diagram ng experimental setup ay ipinapakita sa Figure 1. Isang pulsed Nd:YAG solid-state laser na tumatakbo sa free-running mode (pulse duration \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) ang ginamit. Ang bawat laser pulse ay dumadaan sa isang serye ng mga neutral density filter at isang beam splitter plate system. Depende sa kombinasyon ng mga neutral density filter, ang pulse energy sa target ay nag-iiba mula \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) hanggang \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Ang laser beam na na-reflect mula sa beam splitter ay ipinapakain sa isang photodiode para sa sabay-sabay na pagkuha ng data, at dalawang calorimeter (photodiodes na may mahabang response time na lumalagpas sa \(1~\text {ms}\)) ang ginagamit upang matukoy ang insidente papunta at mula sa target, at dalawang power meter (photodiodes na may maikling response beses\(<10~\text {ns}\)) upang matukoy ang insidente at na-reflect na optical power. Ang mga calorimeter at power meter ay na-calibrate upang magbigay ng mga halaga sa mga absolute unit gamit ang isang thermopile detector na Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 at isang dielectric mirror na nakakabit sa lokasyon ng sample. I-focus ang beam sa target gamit ang isang lens (Antireflection coating sa \(1.06 \upmu \text {m}\), focal length \(160~\text {mm}\)) at isang beam waist sa ibabaw ng target na 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Functional schematic diagram ng eksperimental na setup: 1—laser; 2—laser beam; 3—neutral density filter; 4—synchronized photodiode; 5—beam splitter; 6—diaphragm; 7—calorimeter ng incident beam; 8 – calorimeter ng reflected beam; 9 – incident beam power meter; 10 – reflected beam power meter; 11 – focusing lens; 12 – mirror; 13 – sample; 14 – broadband piezoelectric transducer; 15 – 2D converter; 16 – positioning microcontroller; 17 – synchronization unit; 18 – multi-channel digital acquisition system na may iba't ibang sampling rates; 19 – personal computer.
Ang paggamot gamit ang ultrasonic ay isinasagawa gaya ng sumusunod. Ang laser ay gumagana sa free-running mode; samakatuwid, ang tagal ng laser pulse ay \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), na binubuo ng maraming tagal na humigit-kumulang \(1.5~\upmu \text {s } \) bawat isa. Ang temporal na hugis ng laser pulse at ang spectrum nito ay binubuo ng isang low-frequency envelope at isang high-frequency modulation, na may average na frequency na humigit-kumulang \(0.7~\text {MHz}\), gaya ng ipinapakita sa Figure 2.- Ang frequency envelope ang nagbibigay ng pag-init at kasunod na pagtunaw at pagsingaw ng materyal, habang ang high frequency component ang nagbibigay ng ultrasonic vibrations dahil sa photoacoustic effect. Ang waveform ng ultrasonic pulse na nalilikha ng laser ay pangunahing natutukoy ng hugis ng oras ng intensity ng laser pulse. Ito ay mula \(7~\text {kHz}\) hanggang \ (2~\text {MHz}\), at ang gitnang dalas ay \(~ 0.7~\text {MHz}\). Ang mga acoustic pulse dahil sa photoacoustic effect ay naitala gamit ang broadband piezoelectric transducer na gawa sa mga polyvinylidene fluoride films. Ang naitalang waveform at ang spectrum nito ay ipinapakita sa Figure 2. Dapat tandaan na ang hugis ng mga laser pulse ay tipikal ng isang free-running mode laser.
Temporal na distribusyon ng tindi ng pulso ng laser (a) at bilis ng tunog sa likurang bahagi ng sample (b), spectra ng pulso ng laser (c) at ultrasonic pulse (d) na na-average sa mahigit 300 pulso ng laser (pulang kurba) para sa isang pulso ng laser (asul na kurba).
Malinaw nating mapag-iiba ang mga low-frequency at high-frequency na bahagi ng acoustic treatment na naaayon sa low-frequency envelope ng laser pulse at high-frequency modulation, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga wavelength ng acoustic waves na nalilikha ng laser pulse envelope ay lumalagpas sa \(40~\text {cm}\); samakatuwid, inaasahan ang pangunahing epekto ng broadband high-frequency na bahagi ng acoustic signal sa microstructure.
Ang mga pisikal na proseso sa SLM ay masalimuot at nangyayari nang sabay-sabay sa iba't ibang spatial at temporal na iskala. Samakatuwid, ang mga multi-scale na pamamaraan ay pinakaangkop para sa teoretikal na pagsusuri ng SLM. Ang mga modelong matematikal ay dapat munang maging multi-pisikal. Ang mekanika at thermophysics ng isang multiphase medium na "solid-liquid melt" na nakikipag-ugnayan sa isang inert gas na atmospera ay maaaring epektibong mailalarawan. Ang mga katangian ng mga thermal load ng materyal sa SLM ay ang mga sumusunod.
Ang mga bilis ng pag-init at paglamig ay hanggang \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ dahil sa lokalisadong pag-iilaw ng laser na may mga densidad ng kuryente na hanggang \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Ang siklo ng pagkatunaw-pagtitigas ay tumatagal sa pagitan ng 1 at \(10~\text {ms}\), na nakakatulong sa mabilis na pagtigas ng sona ng pagkatunaw habang pinapalamig.
Ang mabilis na pag-init ng ibabaw ng sample ay nagreresulta sa pagbuo ng mataas na thermoelastic stresses sa ibabaw na layer. Ang sapat (hanggang 20%) na bahagi ng powder layer ay malakas na nasusunog63, na nagreresulta sa karagdagang pressure load sa ibabaw bilang tugon sa laser ablation. Dahil dito, ang induced strain ay makabuluhang nagpapabago sa geometry ng bahagi, lalo na malapit sa mga suporta at manipis na elemento ng istruktura. Ang mataas na heating rate sa pulsed laser annealing ay nagreresulta sa pagbuo ng ultrasonic strain waves na kumakalat mula sa ibabaw patungo sa substrate. Upang makakuha ng tumpak na quantitative data sa lokal na stress at strain distribution, isang mesoscopic simulation ng problema sa elastic deformation na nauugnay sa heat and mass transfer ang isinasagawa.
Ang mga namamahalang equation ng modelo ay kinabibilangan ng (1) mga unsteady heat transfer equation kung saan ang thermal conductivity ay nakadepende sa phase state (pulbos, tinunaw, polycrystalline) at temperatura, (2) mga pagbabago-bago sa elastic deformation pagkatapos ng continuum ablation at thermoelastic expansion equation. Ang problema sa boundary value ay natutukoy sa pamamagitan ng mga kundisyong pang-eksperimento. Ang modulated laser flux ay tinukoy sa ibabaw ng sample. Kasama sa convective cooling ang conductive heat exchange at evaporative flux. Ang mass flux ay tinukoy batay sa pagkalkula ng saturated vapor pressure ng evaporating material. Ang elastoplastic stress-strain relationship ay ginagamit kung saan ang thermoelastic stress ay proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura. Para sa nominal na power \(300~\text {W}\), frequency \(10^5~\text {Hz}\), intermittent coefficient 100 at \(200~\upmu \text {m}\) ng effective beam diameter.
Ipinapakita ng Figure 3 ang mga resulta ng numerical simulation ng molten zone gamit ang isang macroscopic mathematical model. Ang diameter ng fusion zone ay \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) radius) at \(40~\upmu \text {m}\) depth. Ipinapakita ng mga resulta ng simulation na ang temperatura ng ibabaw ay nag-iiba-iba nang lokal kasabay ng oras bilang \(100~\text {K}\) dahil sa mataas na intermittent factor ng pulse modulation. Ang heating \(V_h\) at cooling \(V_c\) rates ay nasa order na \(10^7\) at \(10^6~\text {K}/\text {s}\), ayon sa pagkakabanggit. Ang mga value na ito ay naaayon sa aming nakaraang pagsusuri64. Ang order of magnitude difference sa pagitan ng \(V_h\) at \(V_c\) ay nagreresulta sa mabilis na overheating ng surface layer, kung saan ang thermal conduction sa substrate ay hindi sapat upang maalis ang init. Samakatuwid, sa \(t=26~\upmu \text {s}\) ang temperatura ng ibabaw ay umaabot sa pinakamataas na \(4800~\text {K}\). Ang malakas na pagsingaw ng materyal ay maaaring maging sanhi ng labis na presyon at pagkatuklap ng ibabaw ng sample.
Mga resulta ng numerikal na simulasyon ng melting zone ng single laser pulse annealing sa 316L sample plate. Ang oras mula sa simula ng pulso hanggang sa lalim ng tinunaw na pool na umaabot sa pinakamataas na halaga ay \(180~\upmu\text {s}\). Ang isotherm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) ay kumakatawan sa hangganan sa pagitan ng likido at solidong mga phase. Ang mga isobar (dilaw na linya) ay tumutugma sa yield stress na kinakalkula bilang isang function ng temperatura sa susunod na seksyon. Samakatuwid, sa domain sa pagitan ng dalawang isoline (isotherms\(T=T_L\) at isobars\(\sigma =\sigma _V(T)\)), ang solidong phase ay napapailalim sa malakas na mechanical load, na maaaring humantong sa mga pagbabago sa microstructure.
Ang epektong ito ay higit pang ipinaliwanag sa Figure 4a, kung saan ang antas ng presyon sa tinunaw na sona ay naka-plot bilang isang function ng oras at distansya mula sa ibabaw. Una, ang pag-uugali ng presyon ay nauugnay sa modulasyon ng intensidad ng pulso ng laser na inilarawan sa Figure 2 sa itaas. Ang pinakamataas na presyon \text{s}\) na humigit-kumulang \(10~\text {MPa}\) ay naobserbahan sa humigit-kumulang \(t=26~\upmu). Pangalawa, ang pagbabago-bago ng lokal na presyon sa control point ay may parehong mga katangian ng osilasyon gaya ng dalas na \(500~\text {kHz}\). Nangangahulugan ito na ang mga ultrasonic pressure wave ay nabubuo sa ibabaw at pagkatapos ay kumakalat sa substrate.
Ang mga kinakalkulang katangian ng deformation zone malapit sa melting zone ay ipinapakita sa Fig. 4b. Ang laser ablation at thermoelastic stress ay bumubuo ng mga elastic deformation wave na kumakalat sa substrate. Gaya ng makikita sa figure, mayroong dalawang yugto ng pagbuo ng stress. Sa unang yugto ng \(t < 40~\upmu \text {s}\), ang Mises stress ay tumataas sa \(8~\text {MPa}\) na may modulation na katulad ng surface pressure. Ang stress na ito ay nangyayari dahil sa laser ablation, at walang thermoelastic stress na naobserbahan sa mga control point dahil ang unang heat-affected zone ay masyadong maliit. Kapag ang init ay natapon sa substrate, ang control point ay bumubuo ng mataas na thermoelastic stress na higit sa \(40~\text {MPa}\).
Ang mga nakuhang modulated stress level ay may malaking epekto sa solid-liquid interface at maaaring ang mekanismo ng kontrol na namamahala sa solidification path. Ang laki ng deformation zone ay 2 hanggang 3 beses na mas malaki kaysa sa melting zone. Gaya ng ipinapakita sa Figure 3, ang lokasyon ng melting isotherm at ang stress level na katumbas ng yield stress ay inihambing. Nangangahulugan ito na ang pulsed laser irradiation ay nagbibigay ng matataas na mechanical load sa mga lokalisadong lugar na may epektibong diameter sa pagitan ng 300 at \(800~\upmu \text {m}\) depende sa instantaneous time.
Samakatuwid, ang kumplikadong modulasyon ng pulsed laser annealing ay humahantong sa ultrasonic effect. Ang pathway ng pagpili ng microstructure ay naiiba kung ikukumpara sa SLM nang walang ultrasonic loading. Ang mga deformed na hindi matatag na rehiyon ay humahantong sa mga pana-panahong siklo ng compression at stretching sa solid phase. Kaya, ang pagbuo ng mga bagong grain boundaries at subgrain boundaries ay nagiging posible. Samakatuwid, ang mga microstructural properties ay maaaring sadyang baguhin, tulad ng ipinapakita sa ibaba. Ang mga nakuha na konklusyon ay nagbibigay ng posibilidad na magdisenyo ng isang pulse modulation-induced ultrasound-driven SLM prototype. Sa kasong ito, ang piezoelectric inductor 26 na ginamit sa ibang lugar ay maaaring hindi isama.
(a) Presyon bilang isang function ng oras, kinakalkula sa iba't ibang distansya mula sa ibabaw 0, 20 at \(40~\upmu \text {m}\) sa kahabaan ng axis ng symmetry.(b) Stress na Von Mises na umaasa sa oras na kinakalkula sa isang solidong matrix sa mga distansyang 70, 120 at \(170~\upmu \text {m}\) mula sa sample na ibabaw.
Isinagawa ang mga eksperimento sa mga platong hindi kinakalawang na asero na AISI 321H na may mga sukat na \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Pagkatapos ng bawat pulso ng laser, ang plato ay gumagalaw \(50~\upmu \text {m}\), at ang baywang ng sinag ng laser sa ibabaw ng target ay humigit-kumulang \(100~\upmu \text {m}\). Hanggang limang kasunod na beam pass ang isinasagawa sa parehong track upang magdulot ng muling pagkatunaw ng naprosesong materyal para sa pagpipino ng butil. Sa lahat ng mga kaso, ang muling natunaw na sona ay na-sonicate, depende sa oscillatory component ng laser radiation. Nagreresulta ito sa mahigit 5 ​​beses na pagbawas sa average na lawak ng butil. Ipinapakita ng Figure 5 kung paano nagbabago ang microstructure ng rehiyon na natunaw ng laser kasabay ng bilang ng mga kasunod na siklo ng muling pagkatunaw (mga pasa).
Mga Subplot (a,d,g,j) at (b,e,h,k) – microstructure ng mga rehiyong tinunaw ng laser, mga subplot (c,f,i,l) – distribusyon ng lawak ng mga butil na may kulay. Ang shading ay kumakatawan sa mga particle na ginamit upang kalkulahin ang histogram. Ang mga kulay ay tumutugma sa mga rehiyon ng butil (tingnan ang color bar sa itaas ng histogram. Ang mga Subplot (ac) ay tumutugma sa hindi ginagamot na hindi kinakalawang na asero, at ang mga subplot (df), (gi), (jl) ay tumutugma sa 1, 3 at 5 na muling natunaw.
Dahil ang enerhiya ng pulso ng laser ay hindi nagbabago sa pagitan ng mga kasunod na pagpasa, ang lalim ng tunaw na sona ay pareho. Kaya, ang kasunod na channel ay ganap na "sumasaklaw" sa nauna. Gayunpaman, ipinapakita ng histogram na ang mean at median grain area ay bumababa kasabay ng pagtaas ng bilang ng mga pagpasa. Maaaring ipahiwatig nito na ang laser ay kumikilos sa substrate sa halip na sa natunaw na sona.
Ang pagpipino ng butil ay maaaring sanhi ng mabilis na paglamig ng tinunaw na pool65. Isa pang hanay ng mga eksperimento ang isinagawa kung saan ang mga ibabaw ng mga platong hindi kinakalawang na asero (321H at 316L) ay nalantad sa continuous wave laser radiation sa atmospera (Fig. 6) at vacuum (Fig. 7). Ang average na lakas ng laser (300 W at 100 W, ayon sa pagkakabanggit) at lalim ng tinunaw na pool ay malapit sa mga resulta ng eksperimento ng Nd:YAG laser sa free-running mode. Gayunpaman, isang tipikal na istrukturang kolumnar ang naobserbahan.
Mikroistruktura ng rehiyong tinunaw ng laser ng isang continuous wave laser (300 W constant power, 200 mm/s scan speed, AISI 321H stainless steel).
(a) Mikroistruktura at (b) mga imahe ng electron backscatter diffraction ng rehiyong natunaw ng laser sa vacuum gamit ang isang continuous wave laser (100 W constant power, 200 mm/s scan speed, AISI 316L stainless steel)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Samakatuwid, malinaw na ipinapakita na ang kumplikadong modulasyon ng intensidad ng laser pulse ay may malaking epekto sa nagresultang microstructure. Naniniwala kami na ang epektong ito ay mekanikal sa kalikasan at nangyayari dahil sa pagbuo ng mga ultrasonic vibrations na kumakalat mula sa irradiated surface ng melt na malalim sa sample. Ang mga katulad na resulta ay nakuha sa 13, 26, 34, 66, 67 gamit ang mga panlabas na piezoelectric transducer at sonotrodes na nagbibigay ng high-intensity ultrasound sa iba't ibang materyales kabilang ang Ti-6Al-4V alloy 26 at stainless steel 34 ang resulta ng. Ang posibleng mekanismo ay haka-haka tulad ng sumusunod. Ang matinding ultrasound ay maaaring magdulot ng acoustic cavitation, tulad ng ipinakita sa ultrafast in situ synchrotron X-ray imaging. Ang pagbagsak ng mga bula ng cavitation ay bumubuo ng mga shock wave sa tinunaw na materyal, na ang front pressure ay umaabot sa humigit-kumulang \(100~\text {MPa}\)69. Ang mga naturang shock wave ay maaaring sapat na malakas upang itaguyod ang pagbuo ng mga critical-sized solid-phase nuclei sa mga bulk liquid, na nakakagambala sa tipikal na columnar grain structure ng pagpapatong-patong na additive manufacturing.
Dito, nagmumungkahi kami ng isa pang mekanismo na responsable para sa pagbabago ng istruktura sa pamamagitan ng matinding sonication. Kaagad pagkatapos ng solidification, ang materyal ay nasa mataas na temperatura na malapit sa melting point at may napakababang yield stress. Ang matinding ultrasonic wave ay maaaring maging sanhi ng pagbabago ng daloy ng plastik sa istruktura ng butil ng mainit, kaka-solido lang na materyal. Gayunpaman, ang maaasahang datos ng eksperimento sa pagdepende sa temperatura ng yield stress ay makukuha sa \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (tingnan ang Figure 8). Samakatuwid, upang subukan ang hypothesis na ito, nagsagawa kami ng mga molecular dynamics (MD) simulation ng isang komposisyon ng Fe-Cr-Ni na katulad ng AISI 316 L steel upang masuri ang pag-uugali ng yield stress malapit sa melting point. Upang kalkulahin ang yield stress, ginamit namin ang MD shear stress relaxation technique na detalyado sa 70, 71, 72, 73. Para sa mga kalkulasyon ng interatomic interaction, ginamit namin ang Embedded Atomic Model (EAM) mula sa 74. Ang mga MD simulation ay isinagawa gamit ang mga LAMMPS code 75,76. Ang mga detalye ng MD simulation ay ilalathala sa ibang lugar. Ang MD Ang mga resulta ng kalkulasyon ng yield stress bilang isang function ng temperatura ay ipinapakita sa Fig. 8 kasama ang magagamit na datos pang-eksperimento at iba pang mga pagsusuri77,78,79,80,81,82.
Yield stress para sa AISI grade 316 austenitic stainless steel at komposisyon ng modelo laban sa temperatura para sa mga MD simulation. Mga eksperimental na sukat mula sa mga sanggunian: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. sumangguni sa. Ang (f)82 ay isang empirical na modelo ng yield stress-temperature dependence para sa in-line stress measurement sa panahon ng laser-assisted additive manufacturing. Ang mga resulta ng malakihang MD simulation sa pag-aaral na ito ay tinutukoy bilang \(\vartriangleleft\) para sa isang defect-free infinite single crystal at \(\vartriangleright\) para sa mga finite grains na isinasaalang-alang ang average na laki ng grain sa pamamagitan ng Hall-Petch relation Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Makikita na sa \(T>1500~\text {K}\) ang yield stress ay bumababa sa \(40~\text {MPa}\). Sa kabilang banda, hinuhulaan ng mga pagtatantya na ang amplitude ng ultrasonic na nabuo ng laser ay lumampas sa \(40~\text {MPa}\) (tingnan ang Fig. 4b), na sapat upang magdulot ng daloy ng plastik sa mainit na materyal na kaka-solido lang.
Ang pagbuo ng microstructure ng 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) austenitic stainless steel sa panahon ng SLM ay eksperimental na siniyasat gamit ang isang complex intensity-modulated pulsed laser source.
Natagpuan ang pagbawas ng laki ng butil sa laser melting zone dahil sa patuloy na laser remelting pagkatapos ng 1, 3 o 5 pagpasa.
Ipinapakita ng makroskopikong pagmomodelo na ang tinantyang laki ng rehiyon kung saan ang ultrasonic deformation ay maaaring positibong makaapekto sa solidification front ay hanggang \(1~\text {mm}\).
Ipinapakita ng mikroskopikong modelo ng MD na ang lakas ng ani ng AISI 316 austenitic stainless steel ay makabuluhang nabawasan sa \(40~\text {MPa}\) malapit sa melting point.
Ang mga nakuhang resulta ay nagmumungkahi ng isang paraan para sa pagkontrol sa microstructure ng mga materyales gamit ang kumplikadong modulated laser processing at maaaring magsilbing batayan para sa paglikha ng mga bagong pagbabago ng pulsed SLM technique.
Liu, Y. et al. Ebolusyong mikroistruktural at mga mekanikal na katangian ng in situ na TiB2/AlSi10Mg composites sa pamamagitan ng laser selective melting [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Inhinyeriya ng hangganan ng butil ng muling pagkikristal ng laser na pumipili ng 316L na hindi kinakalawang na asero [J]. Journal of Alma Mater.200, 366–377.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. In situ na pagbuo ng mga sandwich microstructure na may pinahusay na ductility sa pamamagitan ng laser reheating ng mga laser-melted titanium alloys.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Dagdag na paggawa ng mga bahaging Ti-6Al-4V sa pamamagitan ng laser metal deposition (LMD): proseso, microstructure at mga mekanikal na katangian. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Pagmomodelo ng mikroistruktura ng laser metal powder na nakadirekta sa pagdeposito ng enerhiya ng Alloy 718. Idagdag sa.manufacture.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Pag-aaral ng Parametric Neutron Bragg Edge Imaging ng mga Sampol na Ginawa Gamit ang Additively na Ginamot Gamit ang Laser Shock Peening.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Gradient microstructure at mekanikal na katangian ng Ti-6Al-4V na ginawa gamit ang electron beam melting. Alma Mater Journal.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).