Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünde CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteğin sağlanması için siteyi stil ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Üretim sürecinde ürünlerin mikro yapısını kontrol etmek için seçici lazer eritmeye dayalı yeni bir mekanizma önerilmiştir. Mekanizma, karmaşık yoğunluk modülasyonlu lazer ışınımıyla 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 katkısal imalatı (AM) son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Bununla birlikte, seçici lazer eritme (SLM)1,2,3, doğrudan lazer metal biriktirme4,5,6, elektron ışını eritme7,8 ve diğerleri9,10 dahil olmak üzere katkısal imalat süreçlerinin çeşitliliğine rağmen, Parçalar arızalı olabilir. Bunun başlıca nedeni, yüksek termal gradyanlar, yüksek soğutma oranları ve eritme ve yeniden eritme malzemelerinde ısıtma döngülerinin karmaşıklığıyla ilişkili erimiş havuz katılaştırma sürecinin belirli özellikleridir11, bu da epitaksiyel tane büyümesine ve önemli gözenekliliğe yol açar12,13. Sonuçlar, ince eş eksenli tane yapıları elde etmek için termal gradyanları, soğutma oranlarını ve alaşım bileşimini kontrol etmenin veya çeşitli özelliklere sahip dış alanlar (örneğin, ultrason) aracılığıyla ek fiziksel şoklar uygulamanın gerekli olduğunu göstermektedir.
Çok sayıda yayın, geleneksel döküm işlemlerinde katılaşma süreci üzerinde titreşim işleminin etkisiyle ilgilenmektedir14,15.Ancak, toplu eriyiklere harici bir alan uygulanması, istenen malzeme mikro yapısını üretmez.Sıvı fazın hacmi küçükse, durum önemli ölçüde değişir.Bu durumda, harici alan katılaşma sürecini önemli ölçüde etkiler.Yoğun akustik alanlar16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, ark karıştırma28 ve salınım29, darbeli plazma arkları30,31 ve diğer yöntemler32 sırasında elektromanyetik etkiler dikkate alınmıştır.Harici bir yüksek yoğunluklu ultrason kaynağı (20 kHz'de) kullanarak alt tabakaya tutturun.Ultrasonik kaynaklı tane incelmesi, azaltılmış sıcaklık gradyanı ve kavitasyon yoluyla yeni kristalitler üretmek için ultrason geliştirme nedeniyle artan bileşimsel alt soğutma bölgesine atfedilir.
Bu çalışmada, eritme lazerinin ürettiği ses dalgalarıyla erimiş havuzu sonikasyona tabi tutarak ostenitik paslanmaz çeliklerin tane yapısını değiştirme olasılığını araştırdık. Işık emici ortama gelen lazer radyasyonunun yoğunluk modülasyonu, malzemenin mikro yapısını değiştiren ultrasonik dalgaların üretilmesiyle sonuçlanır. Lazer radyasyonunun bu yoğunluk modülasyonu, mevcut SLM 3D yazıcılara kolayca entegre edilebilir. Bu çalışmadaki deneyler, yüzeyleri yoğunluk modülasyonlu lazer radyasyonuna maruz bırakılan paslanmaz çelik plakalar üzerinde gerçekleştirildi. Yani teknik olarak lazer yüzey işlemi yapılır. Ancak, böyle bir lazer işlemi her katmanın yüzeyine uygulanırsa, katman katman oluşturma sırasında, hacmin tamamında veya hacmin seçili kısımlarında etkiler elde edilir. Başka bir deyişle, parça katman katman inşa edilirse, her katmanın lazer yüzey işlemi "lazer hacim işlemine" eşdeğerdir.
Ultrasonik boynuz tabanlı ultrasonik terapide ise, duran ses dalgasının ultrasonik enerjisi bileşenin her yerine dağıtılırken, lazer kaynaklı ultrasonik yoğunluk, lazer radyasyonunun emildiği noktanın yakınında oldukça yoğunlaşır. Bir SLM toz yatağı füzyon makinesinde sonotrot kullanmak karmaşıktır çünkü lazer radyasyonuna maruz kalan toz yatağının üst yüzeyi sabit kalmalıdır. Ayrıca, parçanın üst yüzeyinde mekanik stres yoktur. Bu nedenle, akustik stres sıfıra yakındır ve parçacık hızı, parçanın tüm üst yüzeyi boyunca maksimum genliğe sahiptir. Tüm erimiş havuz içindeki ses basıncı, kaynak kafası tarafından üretilen maksimum basıncın %0,1'ini geçemez çünkü paslanmaz çelikte 20 kHz frekanslı ultrasonik dalgaların dalga boyu \(\sim 0.3~\text {m}\)'dir ve Derinlik genellikle \(\sim 0.3~\text {mm}\)'den azdır. Bu nedenle, ultrasonun kavitasyon üzerindeki etkisi küçük olabilir.
Doğrudan lazer metal biriktirmede yoğunluk modülasyonlu lazer radyasyonunun kullanımının aktif bir araştırma alanı olduğu belirtilmelidir35,36,37,38.
Lazer radyasyonunun ortama düşmesinin termal etkisi, kesme41, kaynaklama, sertleştirme, delme42, yüzey temizleme, yüzey alaşımlama, yüzey parlatma43 vb. gibi malzeme işleme için kullanılan hemen hemen tüm lazer tekniklerinin temelini oluşturur. Lazerin icadı, malzeme işleme tekniklerinde yeni gelişmeleri teşvik etmiş ve ön sonuçlar çok sayıda inceleme ve monografide özetlenmiştir44,45,46.
Ortamda durağan olmayan herhangi bir eylemin, emici ortamda lazer eylemi de dahil olmak üzere, içinde akustik dalgaların az ya da çok verimlilikle uyarılmasıyla sonuçlandığı belirtilmelidir. Başlangıçta, ana odak noktası sıvılardaki dalgaların lazerle uyarılması ve sesin çeşitli termal uyarılma mekanizmaları (termal genleşme, buharlaşma, faz geçişi sırasında hacim değişimi, büzülme, vb.) üzerineydi 47, 48, 49. Çok sayıda monografi50, 51, 52 bu sürecin teorik analizlerini ve olası pratik uygulamalarını sağlar.
Bu konular daha sonra çeşitli konferanslarda tartışılmış ve ultrasonun lazerle uyarılmasının hem lazer teknolojisinin endüstriyel uygulamalarında53 hem de tıpta54 uygulamaları bulunmaktadır. Bu nedenle, darbeli lazer ışığının emici bir ortam üzerinde etki ettiği sürecin temel kavramının belirlendiği düşünülebilir. Lazer ultrasonik muayene, SLM ile üretilen numunelerin kusur tespiti için kullanılır55,56.
Lazerle üretilen şok dalgalarının malzemeler üzerindeki etkisi, eklemeli üretilen parçaların yüzey işlemlerinde de kullanılan lazer şoklu sertleştirmenin57,58,59 temelini oluşturur. Ancak, lazer şoku güçlendirmesi nanosaniye lazer darbeleri ve mekanik olarak yüklenen yüzeylerde (örneğin, sıvı tabakası olan)59 en etkilidir çünkü mekanik yükleme tepe basıncını artırır.
Katılaşmış malzemelerin mikro yapısı üzerinde çeşitli fiziksel alanların olası etkilerini araştırmak için deneyler yürütülmüştür. Deneysel kurulumun fonksiyonel diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir. Serbest çalışma modunda çalışan darbeli bir Nd:YAG katı hal lazeri (darbe süresi \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) kullanılmıştır. Her lazer darbesi bir dizi nötr yoğunluk filtresinden ve bir ışın bölücü plaka sisteminden geçirilir. Nötr yoğunluk filtrelerinin kombinasyonuna bağlı olarak, hedef üzerindeki darbe enerjisi \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ile \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) arasında değişir. Işın bölücüden yansıyan lazer ışını eş zamanlı veri toplama için bir fotodiyota beslenir ve iki kalorimetre (\(1~\text {ms}\))'yi aşan uzun tepki süresine sahip fotodiyotlar) hedefe gelen ve hedeften yansıyan ışığı belirlemek için kullanılır ve iki güç ölçer (Kısa tepki sürelerine sahip fotodiyotlar\(<10~\text {ns}\)) olay ve yansıyan optik gücü belirlemek için. Kalorimetreler ve güç ölçerler, bir termopil dedektörü Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 ve numune konumuna monte edilmiş bir dielektrik ayna kullanılarak mutlak birimlerde değerler verecek şekilde kalibre edildi. Bir mercek (\(1.06 \upmu \text {m}\) seviyesinde yansıma önleyici kaplama, \(160~\text {mm}\)) odak uzaklığı ve hedef yüzeyinde 60– \(100~\upmu\text {m}\) seviyesinde bir ışın beli kullanarak ışını hedefe odaklayın.
Deney düzeneğinin fonksiyonel şematik diyagramı: 1—Lazer; 2—Lazer ışını; 3—Nötr yoğunluk filtresi; 4—Senkronize fotodiyot; 5—Işın bölücü; 6—Diyafram; 7—Gelen ışının kalorimetresi; 8 – Yansıyan ışının kalorimetresi; 9 – Gelen ışının güç ölçeri; 10 – Yansıyan ışının güç ölçeri; 11 – Odaklayıcı mercek; 12 – Ayna; 13 – Numune; 14 – Geniş bantlı piezoelektrik dönüştürücü; 15 – 2D dönüştürücü; 16 – Konumlandırma mikrodenetleyicisi; 17 – Senkronizasyon ünitesi; 18 – Çeşitli örnekleme oranlarına sahip çok kanallı dijital edinim sistemi; 19 – Kişisel bilgisayar.
Ultrasonik işlem şu şekilde yapılır. Lazer serbest çalışma modunda çalışır; bu nedenle lazer darbesinin süresi, her biri yaklaşık olarak \(1.5~\upmu \text {s}\) olan birden fazla süreden oluşan \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)'dir. Lazer darbesinin zamansal şekli ve spektrumu, Şekil 2'de gösterildiği gibi, ortalama frekansı yaklaşık \(0.7~\text {MHz}\) olan düşük frekanslı bir zarf ve yüksek frekanslı bir modülasyondan oluşur.- Frekans zarfı, malzemenin ısınmasını ve ardından erimesini ve buharlaşmasını sağlarken, yüksek frekanslı bileşen, fotoakustik etki nedeniyle oluşan ultrasonik titreşimleri sağlar. Lazer tarafından üretilen ultrasonik darbenin dalga biçimi, esas olarak lazer darbesi yoğunluğunun zaman şekli tarafından belirlenir. \(7~\text {kHz}\) ile \(2~\text {MHz}\) arasındadır ve merkez frekansı \(~ 0,7~\text {MHz}\)'dir. Fotoakustik etki nedeniyle oluşan akustik darbeler, poliviniliden florür filmlerden yapılmış geniş bantlı piezoelektrik dönüştürücüler kullanılarak kaydedildi. Kaydedilen dalga formu ve spektrumu Şekil 2'de gösterilmiştir. Lazer darbelerinin şeklinin serbest çalışan mod lazerin tipik şekli olduğuna dikkat edilmelidir.
Numunenin arka yüzeyindeki lazer darbesi yoğunluğunun (a) ve ses hızının (b) zamansal dağılımı, tek bir lazer darbesi (mavi eğri) için 300 lazer darbesi (kırmızı eğri) üzerinden ortalaması alınan lazer darbesi (c) ve ultrasonik darbe (d) spektrumları.
Lazer darbesinin düşük frekans zarfına ve yüksek frekans modülasyonuna karşılık gelen akustik işlemin düşük frekanslı ve yüksek frekanslı bileşenlerini açıkça ayırt edebiliriz. Lazer darbe zarfı tarafından üretilen akustik dalgaların dalga boyları \(40~\text {cm}\'yi aşar; bu nedenle, akustik sinyalin geniş bantlı yüksek frekanslı bileşenlerinin mikro yapı üzerindeki ana etkisinin beklendiği görülmektedir.
SLM'deki fiziksel süreçler karmaşıktır ve farklı mekansal ve zamansal ölçeklerde aynı anda gerçekleşir. Bu nedenle, çok ölçekli yöntemler SLM'nin teorik analizi için en uygun olanlardır. Matematiksel modeller başlangıçta çok fiziksel olmalıdır. Daha sonra, inert bir gaz atmosferiyle etkileşime giren çok fazlı bir ortamın (katı-sıvı eriyik) mekaniği ve termofiziği etkili bir şekilde tanımlanabilir. SLM'deki malzeme termal yüklerinin özellikleri aşağıdaki gibidir.
\(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{'ye kadar ısıtma ve soğutma oranları, \(10^{13}~\text {W} cm}^2\)'ye kadar güç yoğunluklarına sahip yerel lazer ışınımı nedeniyle.
Erime-katılaşma çevrimi 1 ile 10~\text {ms}\ arasında sürer, bu da soğuma sırasında erime bölgesinin hızlı bir şekilde katılaşmasına katkıda bulunur.
Numune yüzeyinin hızla ısıtılması, yüzey tabakasında yüksek termoelastik gerilmelerin oluşmasına neden olur. Toz tabakasının yeterli bir kısmı (%20'ye kadar) güçlü bir şekilde buharlaşır63 ve bu da lazer ablasyonuna yanıt olarak yüzeyde ek bir basınç yüküne neden olur. Sonuç olarak, indüklenen gerinim, özellikle desteklerin ve ince yapısal elemanların yakınında parça geometrisini önemli ölçüde bozar. Darbeli lazer tavlamadaki 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 transferine bağlı elastik deformasyon probleminin mezoskopik bir simülasyonu gerçekleştirilir.
Modelin yönetici 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 göre tanımlanır. Termoelastik gerilimin sıcaklık farkıyla orantılı olduğu durumlarda elastoplastik gerilim-şekil değiştirme ilişkisi kullanılır. Nominal güç \(300~\text {W}\), frekans \(10^5~\text {Hz}\), aralıklı katsayı 100 ve etkili ışın çapının \(200~\upmu \text {m}\ )'si.
Şekil 3, makroskobik bir matematiksel model kullanılarak erimiş bölgenin sayısal simülasyonunun sonuçlarını göstermektedir. Erime bölgesinin çapı \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) yarıçap) ve \(40~\upmu \text {m}\) derinliktir. Simülasyon sonuçları, darbe modülasyonunun yüksek aralıklı faktörü nedeniyle yüzey sıcaklığının zamanla yerel olarak \(100~\upmu \text {m}\) olarak değiştiğini göstermektedir. Isıtma \(V_h\) ve soğutma \(V_c\) oranları sırasıyla \(10^7\) ve \(10^6~\text {K}/\text {s}\) mertebesindedir. Bu değerler önceki analizimizle oldukça uyumludur64. \(V_h\) ve \(V_c\) arasındaki büyüklük mertebesi farkı, ısıyı gidermek için alt tabakaya termal iletimin yetersiz olduğu yüzey tabakasının hızla aşırı ısınmasına neden olur. Bu nedenle, \(t=26~\upmu \text {s}\) noktasında yüzey sıcaklığı \(4800~\text {K}\) kadar yükselir. Malzemenin şiddetli buharlaşması, numune yüzeyinin aşırı basınca maruz kalmasına ve soyulmasına neden olabilir.
316L numune plakası üzerinde tek lazer darbeli tavlama işleminin erime bölgesinin sayısal simülasyon sonuçları. Darbenin başlangıcından erimiş havuz derinliğinin maksimum değere ulaşmasına kadar geçen süre \(180~\upmu\text {s}\). İzoterm\(T = T_L = 1723~\text {K}\) 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 izolin arasındaki alanda (izotermler\(T=T_L\) ve izobarlar\(\sigma =\sigma _V(T)\)), katı faz güçlü mekanik yüklere maruz kalır ve bu da mikro yapıda değişikliklere yol açabilir.
Bu etki, erimiş bölgedeki basınç seviyesinin yüzeyden zamana ve mesafeye bağlı olarak çizildiği Şekil 4a'da daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır. İlk olarak, basınç davranışı yukarıdaki Şekil 2'de açıklanan lazer darbesi yoğunluğunun modülasyonuyla ilgilidir. Yaklaşık \(t=26~\upmu)'da yaklaşık \(10~\text {MPa}\)'lık bir maksimum basınç \text{s}\) gözlemlendi. İkinci olarak, kontrol noktasındaki yerel basınç dalgalanması, \(500~\text {kHz}\) 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 üretir. Şekilden görülebileceği gibi, gerilim üretiminin iki aşaması vardır. \(t < 40~\upmu \text {s}\) olan ilk faz sırasında, Mises gerilimi yüzey basıncına benzer bir modülasyonla \(8~\text {MPa}\)'ya yükselir. Bu gerilim lazer ablasyonu nedeniyle oluşur ve başlangıçta ısıdan etkilenen bölge çok küçük olduğundan kontrol noktalarında termoelastik gerilim gözlenmemiştir. Isı alt tabakaya dağıtıldığında, kontrol noktası \(40~\text {MPa}\)'nın üzerinde yüksek termoelastik gerilim üretir.
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 2 ila 3 katıdır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, erime izoterminin yeri ve akma gerilimine eşit gerilim seviyesi karşılaştırılır. Bu, darbeli lazer ışınımının anlık zamana bağlı olarak 300 ile \(800~\upmu \text {m}\) arasında etkili bir çapa sahip yerelleştirilmiş alanlarda yüksek mekanik yükler sağladığı anlamına gelir.
Bu nedenle, darbeli lazer tavlamanın karmaşık modülasyonu ultrasonik etkiye yol açar. Mikro yapı seçimi yolu, ultrasonik yükleme olmadan SLM ile karşılaştırıldığında farklıdır. Deforme olmuş kararsız bölgeler, katı fazda periyodik sıkıştırma ve germe döngülerine yol açar. Böylece, yeni tane sınırları ve alt tane sınırlarının oluşumu mümkün hale gelir. Bu nedenle, mikro yapısal özellikler aşağıda gösterildiği gibi kasıtlı olarak değiştirilebilir. Elde edilen sonuçlar, darbe modülasyonuyla indüklenen ultrasonik tahrikli bir SLM prototipi tasarlama olanağı sağlar. Bu durumda, başka yerde kullanılan piezoelektrik indüktör 26 hariç tutulabilir.
(a) Simetri ekseni boyunca yüzeyden farklı mesafelerde (0, 20 ve \(40~\upmu \text {m}\) hesaplanan zamana bağlı basınç. (b) Numune yüzeyinden 70, 120 ve \(170~\upmu \text {m}\) uzaklıktaki katı bir matriste hesaplanan zamana bağlı Von Mises gerilimi.
Deneyler, boyutları \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) olan AISI 321H paslanmaz çelik plakalar üzerinde gerçekleştirildi. Her lazer darbesinden sonra, plaka \(50~\upmu \text {m}\) hareket eder ve hedef yüzeydeki lazer ışını beli yaklaşık \(100~\upmu \text {m}\)'dir. İşlenmiş malzemenin tanecik incelmesi için yeniden eritilmesini sağlamak amacıyla aynı yol boyunca beş ardışık ışın geçişi gerçekleştirilir. Her durumda, yeniden eritilen bölge, lazer radyasyonunun salınımlı bileşenine bağlı olarak sonikasyona tabi tutulur. Bu, ortalama tanecik alanında 5 kattan fazla bir azalma ile sonuçlanır. Şekil 5, lazerle eritilen bölgenin mikro yapısının, sonraki 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 karşılık gelir ve alt grafikler (df), (gi), (jl) 1, 3 ve 5 yeniden eritmeye karşılık gelir.
Lazer darbesi enerjisi sonraki geçişler arasında değişmediğinden, erimiş bölgenin derinliği aynıdır. Böylece, sonraki kanal bir öncekini tamamen "örter". Ancak, histogram ortalama ve medyan tane alanının artan geçiş sayısıyla azaldığını göstermektedir. Bu, lazerin erimiş madde yerine alt tabaka üzerinde etki ettiğini gösterebilir.
Erimiş havuzun hızlı soğutulması tanecik incelmesine neden olabilir65. Paslanmaz çelik plakaların (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. Ancak tipik bir sütunlu yapı gözlemlendi.
Sürekli dalga lazerinin (300 W sabit güç, 200 mm/s tarama hızı, AISI 321H paslanmaz çelik) lazerle eritilmiş bölgesinin mikro yapısı.
(a) Mikro yapı ve (b) vakumda sürekli dalga lazeri (100 W sabit güç, 200 mm/s tarama hızı, AISI 316L paslanmaz çelik) ile lazerle eritilmiş bölgenin elektron geri saçılım kırınımı görüntüleri\ (\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 doğası gereği mekanik olduğuna ve eriyiğin ışınlanmış yüzeyinden numunenin derinliklerine yayılan ultrasonik titreşimlerin oluşması nedeniyle meydana geldiğine inanıyoruz. 13, 26, 34, 66, 67'de Ti-6Al-4V alaşımı 26 ve paslanmaz çelik 34 dahil olmak üzere çeşitli malzemelerde yüksek yoğunluklu ultrason sağlayan harici piezoelektrik dönüştürücüler ve sonotrodlar kullanılarak benzer sonuçlar elde edilmiştir. Olası mekanizma aşağıdaki gibi tahmin edilmektedir. Yoğun ultrason, ultra hızlı yerinde senkrotron X-ışını görüntülemesinde gösterildiği gibi akustik kavitasyona neden olabilir. Kavitasyon kabarcıklarının çökmesi, erimiş malzemede ön basıncı yaklaşık \(100~\text {MPa}\)69'a ulaşan şok dalgaları üretir. Bu tür şok dalgaları, toplu sıvılarda kritik boyutlu katı faz çekirdeklerinin oluşumunu teşvik edecek kadar güçlü olabilir ve Katman-katman eklemeli imalat yönteminin tipik sütunlu tane yapısı.
Burada, yoğun sonikasyonla yapısal modifikasyondan sorumlu başka bir mekanizma öneriyoruz. Katılaşmadan hemen sonra, malzeme erime noktasına yakın yüksek bir sıcaklıktadır ve son derece düşük bir akma gerilimine sahiptir. Yoğun ultrasonik dalgalar, sıcak, yeni katılaşmış malzemenin tane yapısını değiştirmek için plastik akışa neden olabilir. Ancak, akma geriliminin sıcaklığa bağlılığıyla ilgili güvenilir deneysel veriler \(T\lesssim 1150~\text {K}\) noktasında mevcuttur (bkz. Şekil 8). Bu nedenle, bu 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'teki Gömülü Atom Modeli'ni (EAM) kullandık. MD simülasyonları, LAMMPS kodları kullanılarak gerçekleştirildi 75,76.MD simülasyonlarının ayrıntıları başka bir yerde yayınlanacaktır. Akma geriliminin sıcaklığa bağlı MD hesaplama sonuçları, mevcut deneysel veriler ve diğer değerlendirmelerle birlikte Şekil 8'de gösterilmiştir77,78,79,80,81,82.
AISI 316 kalite ostenitik paslanmaz çelik için akma gerilimi ve MD simülasyonları için sıcaklığa göre model bileşimi. (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81 referanslarından deneysel ölçümler. (f) 82, lazer destekli eklemeli imalat sırasında hat içi gerilim ölçümü için akma gerilimi-sıcaklık bağımlılığının ampirik bir modelidir. Bu çalışmadaki geniş ölçekli MD simülasyonlarının sonuçları, kusursuz sonsuz tek kristal için \(\vartriangleleft\) ve Hall-Petch ilişkisi aracılığıyla ortalama tane boyutunu hesaba katan sonlu taneler için \(\vartriangleright\) olarak gösterilir Boyutlar\(d = 50~\upmu \text {m}\).
\(T>1500~\text {K}\) değerinde akma geriliminin \(40~\text {MPa}\) değerinin altına düştüğü görülebilir. Öte yandan, tahminler lazerle üretilen ultrasonik genliğin \(40~\text {MPa}\) değerini aşacağını öngörüyor (bkz. Şekil 4b), bu da yeni katılaşmış sıcak malzemede plastik akışı başlatmak için yeterlidir.
Karmaşık yoğunluk modülasyonlu darbeli lazer kaynağı kullanılarak, 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) östenitik paslanmaz çeliğin SLM sırasında mikro yapı oluşumu deneysel olarak incelenmiştir.
Sürekli lazer yeniden eritme işlemi sonucunda 1, 3 veya 5 geçişten sonra lazer ergime bölgesinde tane boyutunda azalma olduğu bulundu.
Makroskobik modelleme, ultrasonik deformasyonun katılaşma cephesini olumlu etkileyebileceği bölgenin tahmini büyüklüğünün \(1~\text {mm}\)'ye kadar olduğunu göstermektedir.
Mikroskobik MD modeli, AISI 316 ostenitik paslanmaz çeliğin akma dayanımının erime noktasına yakın bir noktada önemli ölçüde \(40~\text {MPa}\)'ya düştüğünü göstermektedir.
Elde edilen sonuçlar, karmaşık modüle edilmiş lazer işleme yöntemi kullanılarak malzemelerin mikro yapısının kontrol edilmesine yönelik bir yöntem önermekte olup, darbeli SLM tekniğinin yeni modifikasyonlarının oluşturulması için temel teşkil edebilir.
Liu, Y. ve diğerleri. Lazer seçici eritme 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 eritme işleminin 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 geliştirilmiş sünekliğe sahip 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) ile Ti-6Al-4V parçalarının eklemeli imalatı: süreç, 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 birikiminin mikro yapısal modellemesi. Üretime ekle. 25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. ve diğerleri. Lazer Şok Peening ile İşlenen Eklemeli Üretim Numunelerinin Parametreli Nötron Bragg Kenar Görüntüleme Çalışması. Bilim.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. ve diğerleri. Elektron demeti eritme yöntemiyle katkı maddesi olarak üretilen Ti-6Al-4V'nin gradyan mikro yapısı ve mekanik özellikleri. Alma Mater Dergisi.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).