Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü CSS için sınırlı desteğe sahiptir. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Üretim sürecinde ürünlerin mikro yapısını kontrol etmek için seçici lazer eritme yöntemine dayalı yeni bir mekanizma önerilmiştir. Bu mekanizma, karmaşık yoğunluk modülasyonlu lazer ışınımı ile erimiş havuzda yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgaların üretilmesine dayanmaktadır. Deneysel çalışmalar ve sayısal simülasyonlar, bu kontrol mekanizmasının teknik olarak uygulanabilir olduğunu ve modern seçici lazer eritme makinelerinin tasarımına etkili bir şekilde entegre edilebileceğini göstermektedir.
Karmaşık şekilli parçaların eklemeli imalatı (AM), son on yıllarda önemli ölçüde gelişmiştir. Bununla birlikte, seçici lazer eritme (SLM)1,2,3, doğrudan lazer metal biriktirme4,5,6, elektron ışınlı eritme7,8 ve diğerleri9,10 dahil olmak üzere çeşitli eklemeli imalat süreçlerine rağmen, parçalar kusurlu olabilir. Bu, esas olarak, yüksek termal gradyanlar, yüksek soğutma hızları ve malzemenin eritilmesi ve yeniden eritilmesindeki ısıtma döngülerinin karmaşıklığı ile ilişkili erimiş havuz katılaşma sürecinin özel özelliklerinden kaynaklanmaktadır11; bu da epitaksiyel tane büyümesine ve önemli gözenekliliğe yol açar.12,13, ince eş eksenli tane yapıları elde etmek için termal gradyanların, soğutma hızlarının ve alaşım bileşiminin kontrol edilmesinin veya ultrason gibi çeşitli özelliklere sahip dış alanlar tarafından ek fiziksel şokların uygulanmasının gerekli olduğunu göstermiştir.
Geleneksel döküm işlemlerinde titreşim işleminin katılaşma süreci üzerindeki etkisine ilişkin çok sayıda yayın bulunmaktadır14,15. Bununla birlikte, bir kütle eriyiğine harici bir alan uygulamak, istenen malzeme mikro yapısını üretmez. Sıvı fazın hacmi küçükse, durum önemli ölçüde değişir. Bu durumda, harici alan katılaşma sürecini önemli ölçüde etkiler. Yoğun ses alanları16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, ark karıştırma28 ve salınım29, darbeli plazma arkları sırasında elektromanyetik etkiler30,31 ve diğer yöntemler32 dikkate alınmıştır. Yüksek yoğunluklu harici bir ultrason kaynağı (20 kHz'de) kullanılarak alt tabakaya bağlanır. Ultrason kaynaklı tane inceltmesi, azalan sıcaklık gradyanı nedeniyle artan yapısal alt soğutma bölgesine ve kavitasyon yoluyla yeni kristalitler oluşturmak için ultrasonik güçlendirmeye atfedilir.
Bu çalışmada, erimiş havuzun, erimiş lazerin kendisi tarafından üretilen ses dalgalarıyla sonikasyona tabi tutulması yoluyla östenitik paslanmaz çeliklerin tane yapısının değiştirilme olasılığı araştırılmıştır. Işık emici ortama gelen lazer radyasyonunun yoğunluk modülasyonu, malzemenin mikro yapısını değiştiren ultrasonik dalgaların üretilmesine neden olur. Lazer radyasyonunun bu yoğunluk modülasyonu, mevcut SLM 3D yazıcılara kolayca entegre edilebilir. Bu çalışmadaki deneyler, yüzeyleri yoğunluk modülasyonlu lazer radyasyonuna maruz bırakılan paslanmaz çelik levhalar üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yani, teknik olarak lazer yüzey işlemi yapılmıştır. Bununla birlikte, böyle bir lazer işlemi her katmanın yüzeyinde, katman katman oluşturma sırasında yapılırsa, tüm hacim veya hacmin seçilen kısımları üzerinde etkiler elde edilir. Başka bir deyişle, parça katman katman oluşturulursa, her katmanın lazer yüzey işlemi "lazer hacim işlemi"ne eşdeğerdir.
Ultrasonik boynuz tabanlı ultrasonik terapide, durağan ses dalgasının ultrasonik enerjisi bileşen boyunca dağılırken, lazer kaynaklı ultrasonik yoğunluk, lazer radyasyonunun emildiği noktaya yakın bir yerde yüksek oranda yoğunlaşır. SLM toz yataklı füzyon makinesinde sonotrod kullanımı karmaşıktır çünkü lazer radyasyonuna maruz kalan toz yatağının üst yüzeyi sabit kalmalıdır. Ayrıca, parçanın üst yüzeyinde mekanik gerilim yoktur. Bu nedenle, akustik gerilim sıfıra yakındır ve parçacık hızı, parçanın tüm üst yüzeyinde maksimum genliğe sahiptir. Tüm erimiş havuzun içindeki ses basıncı, kaynak başlığı tarafından üretilen maksimum basıncın %0,1'ini aşamaz, çünkü paslanmaz çelikte 20 kHz frekanslı ultrasonik dalgaların dalga boyu yaklaşık 0,3 m'dir ve derinlik genellikle yaklaşık 0,3 mm'den azdır. Bu nedenle, ultrasonun kavitasyon üzerindeki etkisi küçük olabilir.
Yoğunluk modülasyonlu lazer radyasyonunun doğrudan lazer metal biriktirme işleminde kullanımının aktif bir araştırma alanı olduğu belirtilmelidir35,36,37,38.
Ortama düşen lazer radyasyonunun termal etkileri, kesme 41, kaynak, sertleştirme, delme 42, yüzey temizleme, yüzey alaşımlama, yüzey parlatma 43 vb. gibi neredeyse tüm malzeme işleme lazer tekniklerinin 39, 40 temelini oluşturur ve birçok inceleme ve monografide 44, 45, 46 özetlenen ön sonuçlar elde edilmiştir.
Ortam üzerindeki herhangi bir durağan olmayan eylemin, soğurucu ortam üzerindeki lazerleme eylemi de dahil olmak üzere, ortamda az ya da çok verimlilikle akustik dalgaların uyarılmasına yol açtığına dikkat edilmelidir. Başlangıçta, ana odak noktası sıvılarda dalgaların lazerle uyarılması ve sesin çeşitli termal uyarılma mekanizmaları (termal genleşme, buharlaşma, faz geçişi sırasında hacim değişimi, büzülme vb.) 47, 48, 49 idi. Çok sayıda monografi50, 51, 52 bu sürecin teorik analizlerini ve olası pratik uygulamalarını sunmaktadır.
Bu konular daha sonra çeşitli konferanslarda tartışıldı ve ultrasonun lazerle uyarılması hem lazer teknolojisinin endüstriyel uygulamalarında53 hem de tıpta54 uygulamalara sahip. Bu nedenle, darbeli lazer ışığının emici bir ortam üzerinde nasıl etki ettiğine dair temel kavramın oluşturulduğu düşünülebilir. Lazer ultrasonik muayene, SLM ile üretilen numunelerin kusur tespiti için kullanılır55,56.
Lazerle üretilen şok dalgalarının malzemeler üzerindeki etkisi, katmanlı imalatla üretilen parçaların yüzey işleminde de kullanılan lazer şoklu dövme işleminin temelini oluşturur57,58,59,60. Bununla birlikte, lazer şoklu güçlendirme, nanosaniye lazer darbelerinde ve mekanik olarak yüklenen yüzeylerde (örneğin, bir sıvı tabakasıyla)59 en etkilidir, çünkü mekanik yükleme tepe basıncını artırır.
Çeşitli fiziksel alanların katılaşmış malzemelerin mikro yapısı üzerindeki olası etkilerini araştırmak için deneyler yapılmıştır. Deneysel düzeneğin fonksiyonel şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Serbest çalışma modunda çalışan (darbe süresi τL ~ 150 μs) darbeli bir Nd:YAG katı hal lazeri kullanılmıştır. Her lazer darbesi, bir dizi nötr yoğunluk filtresinden ve bir ışın ayırıcı plaka sisteminden geçirilir. Nötr yoğunluk filtrelerinin kombinasyonuna bağlı olarak, hedef üzerindeki darbe enerjisi τL ~ 20 mJ ile τL ~ 100 mJ arasında değişir. Işın ayırıcıdan yansıyan lazer ışını, eş zamanlı veri toplama için bir fotodiyota beslenir ve hedefe gelen ve hedeften yansıyan enerjiyi belirlemek için iki kalorimetre (1 ms'yi aşan uzun tepki süresine sahip fotodiyotlar) ve iki güç ölçer (fotodiyotlar) kullanılır. Kısa tepki süreleriyle (<10 ns) gelen ve yansıyan optik gücü belirlemek için kalorimetreler ve güç ölçerler kullanıldı. Kalorimetreler ve güç ölçerler, numune konumuna monte edilmiş bir termopil dedektörü (Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0) ve bir dielektrik ayna kullanılarak mutlak birimlerde değerler verecek şekilde kalibre edildi. Işın, hedef yüzeyine 60-100 μm'lik bir ışın bel genişliği ve 1,06 μm'de yansıma önleyici kaplamaya sahip bir mercek (160 mm odak uzaklığı) kullanılarak odaklandı.
Deneysel düzeneğin fonksiyonel şematik diyagramı: 1—lazer; 2—lazer ışını; 3—nötr yoğunluk filtresi; 4—senkronize fotodiyot; 5—ışın ayırıcı; 6—diyafram; 7—gelen ışın kalorimetresi; 8—yansıyan ışın kalorimetresi; 9—gelen ışın güç ölçer; 10—yansıyan ışın güç ölçer; 11—odaklama merceği; 12—ayna; 13—örnek; 14—geniş bantlı piezoelektrik dönüştürücü; 15—2D dönüştürücü; 16—konumlandırma mikrodenetleyicisi; 17—senkronizasyon ünitesi; 18—çeşitli örnekleme hızlarına sahip çok kanallı dijital veri toplama sistemi; 19—kişisel bilgisayar.
Ultrasonik tedavi aşağıdaki şekilde gerçekleştirilir. Lazer serbest çalışma modunda çalışır; bu nedenle lazer darbesinin süresi, her biri yaklaşık 1,5 μs olan birden fazla süreden oluşan τL ~ 150 μs'dir. Lazer darbesinin zamansal şekli ve spektrumu, Şekil 2'de gösterildiği gibi, ortalama frekansı yaklaşık 0,7 MHz olan düşük frekanslı bir zarf ve yüksek frekanslı bir modülasyondan oluşur. Frekans zarfı, malzemenin ısıtılmasını ve ardından erimesini ve buharlaşmasını sağlarken, yüksek frekanslı bileşen, fotoakustik etki nedeniyle ultrasonik titreşimleri sağlar. Lazer tarafından üretilen ultrasonik darbenin dalga biçimi, esas olarak lazer darbesi yoğunluğunun zaman şekli tarafından belirlenir. Frekans aralığı 7 kHz ile 2 MHz arasındadır ve merkez frekansı yaklaşık 0,7 MHz'dir. Fotoakustik etki nedeniyle oluşan akustik darbeler, poliviniliden florür filmlerden yapılmış geniş bantlı piezoelektrik dönüştürücüler kullanılarak kaydedilmiştir. Kaydedilen dalga formu ve spektrumu Şekil 2'de gösterilmiştir. Lazer darbelerinin şeklinin, serbest çalışma modundaki bir lazer için tipik olduğu belirtilmelidir.
Numunenin arka yüzeyinde lazer darbesi yoğunluğunun (a) ve ses hızının (b) zamansal dağılımı, tek bir lazer darbesinin (c) ve 300 lazer darbesi üzerinden ortalama alınan bir ultrason darbesinin (d) spektrumları (kırmızı eğri).
Lazer darbesinin düşük frekanslı zarfına ve yüksek frekanslı modülasyona karşılık gelen akustik işlemin düşük frekanslı ve yüksek frekanslı bileşenlerini açıkça ayırt edebiliyoruz. Lazer darbesi zarfı tarafından üretilen akustik dalgaların dalga boyları 40 cm'yi aşmaktadır; bu nedenle, akustik sinyalin geniş bantlı yüksek frekanslı bileşenlerinin mikro yapı üzerindeki ana etkisinin beklendiği söylenebilir.
Katı-sıvı eritme (SLM) sürecindeki fiziksel süreçler karmaşıktır ve farklı uzamsal ve zamansal ölçeklerde eş zamanlı olarak gerçekleşir. Bu nedenle, SLM'nin teorik analizi için çok ölçekli yöntemler en uygunudur. Matematiksel modeller başlangıçta çoklu fiziksel olmalıdır. Bu sayede, inert bir gaz atmosferiyle etkileşim halinde olan çok fazlı bir ortamın ("katı-sıvı eriyik") mekaniği ve termofiziği etkili bir şekilde tanımlanabilir. SLM'deki malzeme termal yüklerinin özellikleri aşağıdaki gibidir.
Yerelleştirilmiş lazer ışınlaması ve güç yoğunluklarının \(10^{13}~\text {W} cm}^2\)'ye kadar çıkması nedeniyle ısıtma ve soğutma hızları \(10^6~\text {K}/\text {s}\)'ye kadar ulaşmaktadır.
Erime-katılaşma döngüsü 1 ile 10 milisaniye arasında sürer ve bu da soğuma sırasında erime bölgesinin hızlı katılaşmasına katkıda bulunur.
Numune yüzeyinin hızlı ısıtılması, yüzey katmanında yüksek termoelastik gerilimlerin oluşmasına neden olur. Toz katmanının yeterli (en fazla %20'si) kısmı güçlü bir şekilde buharlaşır63 ve bu da lazer ablasyonuna yanıt olarak yüzeyde ek bir basınç yüküne neden olur. Sonuç olarak, oluşan gerinim, özellikle desteklerin ve ince yapısal elemanların yakınında, parça geometrisini önemli ölçüde bozar. Darbeli lazer tavlamada yüksek ısıtma hızı, yüzeyden alt tabakaya yayılan ultrasonik gerinim dalgalarının oluşmasına neden olur. Yerel gerilim ve gerinim dağılımı hakkında doğru nicel veriler elde etmek için, ısı ve kütle transferiyle birleştirilmiş elastik deformasyon probleminin mezoskopik bir simülasyonu gerçekleştirilir.
Modelin yönetim denklemleri şunları içerir: (1) termal iletkenliğin faz durumuna (toz, eriyik, polikristalin) ve sıcaklığa bağlı olduğu kararsız ısı transferi denklemleri, (2) sürekli ablasyondan sonra elastik deformasyondaki dalgalanmalar ve termoelastik genleşme denklemi. Sınır değer problemi deneysel koşullar tarafından belirlenir. Modüle edilmiş lazer akısı numune yüzeyinde tanımlanır. Konvektif soğutma, iletken ısı değişimi ve buharlaşma akısını içerir. Kütle akısı, buharlaşan malzemenin doymuş buhar basıncının hesaplanmasına dayanarak tanımlanır. Termoelastik gerilmenin sıcaklık farkıyla orantılı olduğu elastoplastik gerilme-gerinim ilişkisi kullanılır. Nominal güç \(300~\text {W}\), frekans \(10^5~\text {Hz}\), aralıklı katsayı 100 ve etkin ışın çapı \(200~\upmu \text {m}\) için.
Şekil 3, makroskobik bir matematiksel model kullanılarak erime bölgesinin sayısal simülasyonunun sonuçlarını göstermektedir. Erime bölgesinin çapı 200 μm (100 μm yarıçap) ve derinliği 40 μm'dir. Simülasyon sonuçları, darbe modülasyonunun yüksek aralıklı faktörü nedeniyle yüzey sıcaklığının zamanla yerel olarak 100 K olarak değiştiğini göstermektedir. Isıtma (Vh) ve soğutma (Vc) hızları sırasıyla 10⁷ ve 10⁶ K/s mertebesindedir. Bu değerler önceki analizimizle iyi bir uyum içindedir⁶⁴. Vh ve Vc arasındaki bir büyüklük mertebesindeki fark, yüzey tabakasının hızlı bir şekilde aşırı ısınmasına neden olur; burada alt tabakaya termal iletim, ısıyı uzaklaştırmak için yetersizdir. Bu nedenle, \(t=26~\upmu \text {s}\) yüzey sıcaklığı \(4800~\text {K}\) kadar yükselir. Malzemenin şiddetli buharlaşması, numune yüzeyinin aşırı basınca maruz kalmasına ve soyulmasına neden olabilir.
316L numune plakasında tek lazer darbesiyle tavlama işleminin erime bölgesinin sayısal simülasyon sonuçları. Darbenin başlangıcından erime havuzunun maksimum değere ulaştığı derinliğe kadar geçen süre 180 μs'dir. İzoterm (T = T_L = 1723 K), sıvı ve katı fazlar arasındaki sınırı temsil eder. İzobarlar (sarı çizgiler), bir sonraki bölümde sıcaklığın bir fonksiyonu olarak hesaplanan akma gerilimine karşılık gelir. Bu nedenle, iki izoçizgi (izotermler T=T_L ve izobarlar σ = σ_V(T)) arasındaki alanda, katı faz güçlü mekanik yüklere maruz kalır ve bu da mikro yapıda değişikliklere yol açabilir.
Bu etki, erime bölgesindeki basınç seviyesinin zamana ve yüzeyden uzaklığa bağlı olarak çizildiği Şekil 4a'da daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. İlk olarak, basınç davranışı, yukarıdaki Şekil 2'de açıklanan lazer darbe yoğunluğunun modülasyonuyla ilişkilidir. Yaklaşık t=26 μm'de yaklaşık 10 MPa'lık maksimum bir basınç gözlemlenmiştir. İkinci olarak, kontrol noktasındaki yerel basıncın dalgalanması, 500 kHz frekansıyla aynı salınım özelliklerine sahiptir. Bu, ultrasonik basınç dalgalarının yüzeyde üretildiği ve daha sonra alt tabakaya yayıldığı anlamına gelir.
Erime bölgesine yakın deformasyon bölgesinin hesaplanan özellikleri Şekil 4b'de gösterilmiştir. Lazer ablasyonu ve termoelastik gerilim, alt tabakaya yayılan elastik deformasyon dalgaları oluşturur. Şekilden de görülebileceği gibi, gerilim oluşumunun iki aşaması vardır. \(t < 40~\upmu \text {s}\) ilk fazında, Mises gerilimi yüzey basıncına benzer bir modülasyonla \(8~\text {MPa}\)'ya yükselir. Bu gerilim lazer ablasyonu nedeniyle oluşur ve başlangıçtaki ısıdan etkilenen bölge çok küçük olduğu için kontrol noktalarında termoelastik gerilim gözlemlenmemiştir. Isı alt tabakaya dağıldığında, kontrol noktası \(40~\text {MPa}\)'nın üzerinde yüksek termoelastik gerilim oluşturur.
Elde edilen modüle edilmiş gerilim seviyeleri, katı-sıvı arayüzü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve katılaşma yolunu yöneten kontrol mekanizması olabilir. Deformasyon bölgesinin boyutu, erime bölgesinin boyutundan 2 ila 3 kat daha büyüktür. Şekil 3'te gösterildiği gibi, erime izoterminin konumu ve akma gerilimine eşit gerilim seviyesi karşılaştırılmıştır. Bu, darbeli lazer ışınlamasının, anlık zamana bağlı olarak 300 ile 800 μm arasında etkili bir çapa sahip lokalize alanlarda yüksek mekanik yükler sağladığı anlamına gelir.
Bu nedenle, darbeli lazer tavlamasının karmaşık modülasyonu ultrasonik etkiye yol açar. Ultrasonik yükleme olmadan SLM ile karşılaştırıldığında mikro yapı seçim yolu farklıdır. Deforme olmuş kararsız bölgeler, katı fazda periyodik sıkıştırma ve gerilme döngülerine yol açar. Böylece, yeni tane sınırlarının ve alt tane sınırlarının oluşumu mümkün hale gelir. Bu nedenle, aşağıda gösterildiği gibi, mikro yapısal özellikler kasıtlı olarak değiştirilebilir. Elde edilen sonuçlar, darbe modülasyonu ile tetiklenen ultrasonik tahrikli bir SLM prototipi tasarlama olasılığını sağlar. Bu durumda, başka yerlerde kullanılan piezoelektrik indüktör 26 hariç tutulabilir.
(a) Simetri ekseni boyunca yüzeyden 0, 20 ve 40 μm farklı mesafelerde hesaplanan, zamana bağlı basınç. (b) Numune yüzeyinden 70, 120 ve 170 μm mesafelerde katı bir matriste hesaplanan zamana bağlı Von Mises gerilimi.
Deneyler, boyutları 20 × 20 × 5 mm olan AISI 321H paslanmaz çelik levhalar üzerinde gerçekleştirildi. Her lazer darbesinden sonra levha 50 μm hareket etti ve hedef yüzeydeki lazer ışınının bel genişliği yaklaşık 100 μm oldu. Tane inceltmesi için işlenmiş malzemenin yeniden erimesini sağlamak amacıyla aynı hat boyunca beş ardışık ışın geçişi gerçekleştirildi. Tüm durumlarda, yeniden eritilen bölge, lazer radyasyonunun salınım bileşenine bağlı olarak ultrasonik işleme tabi tutuldu. Bu, ortalama tane alanında 5 kattan fazla bir azalmaya neden oldu. Şekil 5, lazerle eritilen bölgenin mikro yapısının, ardışık yeniden eritme döngülerinin (geçişlerin) sayısıyla nasıl değiştiğini göstermektedir.
Alt grafikler (a,d,g,j) ve (b,e,h,k) – lazerle eritilmiş bölgelerin mikro yapısı, alt grafikler (c,f,i,l) – renkli tanelerin alan dağılımı. Gölgelendirme, histogramı hesaplamak için kullanılan parçacıkları temsil eder. Renkler, tane bölgelerine karşılık gelir (histogramın üst kısmındaki renk çubuğuna bakın). Alt grafikler (ac) işlenmemiş paslanmaz çeliğe, alt grafikler (df), (gi), (jl) ise 1, 3 ve 5 kez eritmeye karşılık gelir.
Lazer darbesinin enerjisi ardışık geçişler arasında değişmediğinden, erimiş bölgenin derinliği aynıdır. Bu nedenle, sonraki kanal bir öncekini tamamen "örtmektedir". Bununla birlikte, histogram, ortalama ve medyan tane alanının geçiş sayısı arttıkça azaldığını göstermektedir. Bu, lazerin eriyik yerine alt tabaka üzerinde etkili olduğunu gösterebilir.
Tane inceltmesi, erimiş havuzun hızlı soğutulmasından kaynaklanabilir65. Paslanmaz çelik levhaların (321H ve 316L) yüzeylerinin atmosferde (Şekil 6) ve vakumda (Şekil 7) sürekli dalga lazer radyasyonuna maruz bırakıldığı başka bir deney seti gerçekleştirildi. Ortalama lazer gücü (sırasıyla 300 W ve 100 W) ve erimiş havuz derinliği, serbest çalışma modunda Nd:YAG lazerinin deneysel sonuçlarına yakındır. Bununla birlikte, tipik bir sütunlu yapı gözlemlendi.
Sürekli dalga lazeriyle eritilen bölgenin mikro yapısı (300 W sabit güç, 200 mm/s tarama hızı, AISI 321H paslanmaz çelik).
(a) Vakum sürekli dalga lazerinin (sabit güç 100 W, tarama hızı 200 mm/s, AISI 316L paslanmaz çelik) lazer eritme bölgesinin mikro yapısı ve (b) elektron geri saçılım kırınım görüntüsü (\sim 2~\text {mbar }\).
Bu nedenle, lazer darbe yoğunluğunun karmaşık modülasyonunun ortaya çıkan mikro yapı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu açıkça gösterilmiştir. Bu etkinin mekanik nitelikte olduğuna ve eriyik yüzeyinden numunenin derinliklerine yayılan ultrasonik titreşimlerin oluşumundan kaynaklandığına inanıyoruz. Benzer sonuçlar, Ti-6Al-4V alaşımı 26 ve paslanmaz çelik 34 dahil olmak üzere çeşitli malzemelerde yüksek yoğunluklu ultrason sağlayan harici piezoelektrik dönüştürücüler ve sonotrodlar kullanılarak 13, 26, 34, 66, 67'de elde edilmiştir. Olası mekanizma şu şekilde tahmin edilmektedir: Yoğun ultrason, ultra hızlı yerinde senkrotron X-ışını görüntülemesinde gösterildiği gibi akustik kavitasyona neden olabilir. Kavitasyon kabarcıklarının çökmesi, erimiş malzemede şok dalgaları oluşturur ve bunların ön basıncı yaklaşık 100 MPa'ya ulaşır. Bu tür şok dalgaları, tipik sütunlu yapıyı bozarak, sıvı kütlelerinde kritik boyutlu katı faz çekirdeklerinin oluşumunu teşvik edecek kadar güçlü olabilir. Katmanlı eklemeli imalatın tane yapısı.
Burada, yoğun sonikasyonun yapısal modifikasyona neden olan başka bir mekanizma öneriyoruz. Katılaşmadan hemen sonraki malzeme, erime noktasına yakın yüksek bir sıcaklıktadır ve son derece düşük bir akma gerilimine sahiptir. Yoğun ultrasonik dalgalar, yeni katılaşmış sıcak malzemenin tane yapısını değiştirmek için plastik akışa neden olabilir. Bununla birlikte, akma geriliminin sıcaklık bağımlılığına ilişkin güvenilir deneysel veriler \(T\lesssim 1150~\text {K}\)'de mevcuttur (bkz. Şekil 8). Bu nedenle, hipotezi test etmek için, erime noktasına yakın akma gerilimi davranışını değerlendirmek amacıyla AISI 316 L çeliğine benzer bir Fe-Cr-Ni bileşiminin moleküler dinamik (MD) simülasyonlarını gerçekleştirdik. Akma gerilimini hesaplamak için, 70, 71, 72, 73'te ayrıntılı olarak açıklanan MD kayma gerilimi gevşeme tekniğini kullandık. Atomlar arası etkileşim hesaplamaları için, 74'ten Gömülü Atomik Model (EAM) kullandık. MD simülasyonları, LAMMPS kodları 75,76 kullanılarak gerçekleştirildi. MD simülasyonunun ayrıntıları daha sonra verilecektir. Başka yerlerde yayınlanmıştır. Sıcaklığa bağlı olarak akma geriliminin MD hesaplama sonuçları, mevcut deneysel veriler ve diğer değerlendirmelerle birlikte Şekil 8'de gösterilmiştir.77,78,79,80,81,82
AISI 316 kalite östenitik paslanmaz çelik için akma gerilimi ve MD simülasyonları için model bileşiminin sıcaklığa göre değişimi. Deneysel ölçümler referanslardan alınmıştır: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f) 82, lazer destekli eklemeli imalat sırasında hat içi gerilim ölçümü için akma gerilimi-sıcaklık bağımlılığının ampirik bir modelidir. Bu çalışmadaki büyük ölçekli MD simülasyon sonuçları, kusursuz sonsuz tek kristal için \(\vartriangleleft\) ve Hall-Petch ilişkisi aracılığıyla ortalama tane boyutunu dikkate alan sonlu taneler için \(\vartriangleright\) olarak gösterilmiştir. Boyutlar\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Görüldüğü üzere, \(T>1500~\text {K}\)'de akma gerilimi \(40~\text {MPa}\)'nın altına düşmektedir. Öte yandan, tahminler lazerle üretilen ultrasonik genliğin \(40~\text {MPa}\)'yı aştığını (bkz. Şekil 4b) ve bunun da yeni katılaşmış sıcak malzemede plastik akışı tetiklemek için yeterli olduğunu göstermektedir.
12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) östenitik paslanmaz çeliğin SLM işlemi sırasında mikroyapı oluşumu, karmaşık yoğunluk modülasyonlu darbeli lazer kaynağı kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir.
Lazer eritme bölgesinde tane boyutunun küçülmesinin, 1, 3 veya 5 geçişten sonra sürekli lazer yeniden eritme işleminden kaynaklandığı tespit edilmiştir.
Makroskobik modelleme, ultrasonik deformasyonun katılaşma cephesini olumlu yönde etkileyebileceği bölgenin tahmini boyutunun 1 mm'ye kadar olduğunu göstermektedir.
Mikroskobik moleküler dinamik modeli, AISI 316 östenitik paslanmaz çeliğin akma dayanımının erime noktasına yakın bir yerde önemli ölçüde azalarak \(40~\text {MPa}\)'ya düştüğünü göstermektedir.
Elde edilen sonuçlar, karmaşık modüle edilmiş lazer işleme kullanılarak malzemelerin mikro yapısının kontrol edilmesine yönelik bir yöntem önermektedir ve darbeli SLM tekniğinin yeni modifikasyonlarının oluşturulması için temel teşkil edebilir.
Liu, Y. ve diğerleri. Lazer seçici ergitme ile yerinde TiB2/AlSi10Mg kompozitlerinin mikro yapısal evrimi ve mekanik özellikleri [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. ve diğerleri. 316L paslanmaz çeliğin lazer seçici ergitmesinde yeniden kristalleşme tane sınırı mühendisliği [J]. Alma Mater Dergisi. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Lazerle eritilmiş titanyum alaşımlarının lazerle yeniden ısıtılmasıyla, sünekliği artırılmış sandviç mikro yapılarının yerinde geliştirilmesi.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. ve diğerleri. Lazer metal biriktirme (LMD) yöntemiyle Ti-6Al-4V parçalarının eklemeli imalatı: işlem, mikro yapı ve mekanik özellikler. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. ve diğerleri. Alaşım 718'in lazer metal tozu yönlendirilmiş enerji biriktirme yöntemiyle mikro yapısal modellenmesi. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. ve diğerleri. Lazer Şoklu Dövme İşlemi Uygulanmış Katmanlı Üretim Numunelerinin Parametrik Nötron Bragg Kenar Görüntüleme Çalışması.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. ve diğerleri. Elektron ışınlı ergitme yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V'nin gradyan mikro yapısı ve mekanik özellikleri. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).