Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез кулланган браузер версиясе CSS. өчен чикләнгән ярдәмгә ия. Иң яхшы тәҗрибә өчен без яңартылган браузерны кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'та яраклашу режимын сүндерегез). Шул ук вакытта, ярдәмне дәвам итәр өчен, без сайтны стилизациясез һәм JavaScript күрсәтмибез.
Производство процессындагы продуктларның микроструктурасын контрольдә тоту өчен сайлап алынган лазер эретүгә нигезләнгән яңа механизм тәкъдим ителә. Механизм эре интенсив модульле лазер нурлары ярдәмендә эретелгән бассейнда югары интенсив УЗИ дулкыннарына таяна. Эксперименталь тикшеренүләр һәм санлы симуляцияләр бу контроль механизмның техник мөмкин булуын һәм заманча сайлап алынган лазер эретү машиналары дизайнына эффектив интеграцияләнүен күрсәтәләр.
Соңгы дистәләрдә катлаулы формадагы өстәмә җитештерү (AM) сизелерлек артты. Шулай да, өстәмә җитештерү процессларының төрле булуына карамастан, сайлап алынган лазер эретү (SLM) 1,2,3, туры лазер металл чүпләү 4,5,6, электрон нур эретү 7,8 һәм башкалар 9,10, детальләр җитешсез булырга мөмкин. эпитаксиаль ашлыкның үсүенә һәм зур порозитлыгына китерә торган материаллар11. Нәтиҗә шуны күрсәтә: җылылык градиентларын, суыту темпларын, эретү составын контрольдә тотарга, яисә тигез тигезләнгән ашлык структураларына ирешү өчен төрле характеристикаларның тышкы кырлары аша (мәсәлән, УЗИ) өстәмә физик тетрәүләр кулланырга кирәк.
Күп басмалар тибрәнү эшкәртүенең гадәти кастинг процессларында катыләштерү процессына тәэсире белән кызыксына14,15. Ләкин, күпчелек эретү өчен тышкы кыр куллану кирәкле материал микросруктурасын китерми. Әгәр сыек фазаның күләме кечкенә булса, хәл кискен үзгәрә. Бу очракта тышкы кыр каты процесска зур йогынты ясый. Электромагнит эффектлары көчле акустика вакытында каралган. кырлар16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, дулкынландыргыч 28 һәм осылу 29, импульслы плазмалы дуга 30,31 һәм башка ысуллар32 .Тышкы югары интенсив УЗИ чыганагын кулланып субстратка бәйләгез. кавитация.
Бу эштә без эретелгән бассейнны эретелгән лазер үзе ясаган тавыш дулкыннары белән соникатып, остенитик дат басмас корычларның ашлык структурасын үзгәртү мөмкинлеген тикшердек. Лазер нурланышының интенсив модуляциясе ультратавыш дулкыннары барлыкка китерә, бу материалның микросруктурасында үзгәртелә. өслеге интенсив модульле лазер нурланышына дучар булган тәлинкәләр. Димәк, техник яктан лазер өслеген эшкәртү эшләнә. Ләкин, мондый лазер белән эшкәртү һәр катлам өслегендә, катлам-катлам төзү вакытында, бөтен күләмгә яки күләмнең кайбер өлешләренә эффектлар ирешелә. Башкача әйткәндә, өлеш катлам белән төзелгән булса, һәр катламның лазер өслеген эшкәртү тигез.
Ультратавышлы мөгез нигезендәге УЗИ терапиясендә, басып торган тавыш дулкынының УЗИ энергиясе бөтен компонент буенча таратыла, шул ук вакытта лазер нурлы ультратавыш интенсивлыгы лазер нурлары үзләштерелгән урында бик тупланган. SLM порошок карават кушылу машинасында сонотрод куллану катлаулы, чөнки лазер нурланышының өске өслеге стационар булырга тиеш. нульгә якын һәм кисәкчәләр тизлеге өлешнең бөтен өслегендә максималь амплитудага ия. Барлык эретелгән бассейн эчендәге тавыш басымы эретеп ябыштыручы баштан ясалган максималь басымның 0,1% тан артып китә алмый, чөнки тотрыксыз корычта 20 кГц ешлыгы булган УЗИ дулкыннарының дулкын озынлыгы \ (\ sim 0.3 ~ \ text {m} \), һәм тирәнлеге гадәттә \ \ кавитациядә кечкенә булырга мөмкин.
Әйтергә кирәк, туры лазер металлында интенсив модульле лазер нурланышын куллану - тикшеренүләрнең актив өлкәсе35,36,37,38.
Лазер нурланышының уртача җылылык эффекты материал эшкәртү өчен 39, 40 барлык лазер техникасы өчен нигез булып тора, мәсәлән, кисү41, эретеп ябыштыру, катыру, бораулау 42, өслекне чистарту, өслекне эретү, өслекне полилизацияләү һ.б.
Шунысын да әйтергә кирәк: уртача стационар булмаган хәрәкәт, шул исәптән сеңдергеч матдәгә лизинг ясау, андагы акустик дулкыннарны күбрәк яки азрак эффективлык белән дулкынландыруга китерә. Башта, төп игътибар сыеклыктагы дулкыннарның лазерлы дулкынлануына һәм тавышның төрле җылылык дулкынландыру механизмнарына (җылылык киңәюе, парга әйләнү, кысылу һ.б.), 47, 52, 49. кушымталар.
Бу сораулар соңыннан төрле конференцияләрдә каралды, һәм УЗИ лазерлы дулкынлану лазер технологияләренең сәнәгать кушымталарында да, медицинада да кулланыла54. Шуңа күрә, лазер нуры сеңдерүче матдәдә эшләнгән процессның төп концепциясе булдырылган дип санала. Лазер УЗИ инспекциясе SLM җитештергән үрнәкләрне ачыклау өчен кулланыла55,56.
Лазердан ясалган шок дулкыннарының материалларга тәэсире лазер шокы пенингының нигезе булып тора, ул шулай ук ​​өстәмә җитештерелгән өлешләрне эшкәртү өчен дә кулланыла. 60 Ләкин, лазер шокын ныгыту наносекунд лазер импульсларында һәм механик йөкләнгән өслекләрдә (мәсәлән, сыеклык катламы белән) 59, чөнки механик йөкләү иң югары басымны арттыра.
Төрле физик кырларның каты материалларның микроструктурасына мөмкин булган йогынтысын тикшерү өчен экспериментлар үткәрелде. Эксперименталь көйләү функциональ схемасы 1-нче рәсемдә күрсәтелгән. НД: YAG каты торышлы лазер ирекле режимда эшли (импульс озынлыгы \ (\ tau _L \ sim 150 ~ \ upmu \ text {s} \)). фильтрлар, максаттагы импульс энергиясе \ (E_L \ sim 20 ~ \ text {mJ} \) дән \ (E_L \ sim 100 ~ \ text {mJ} \) га кадәр үзгәрә .Бер яктырткычтан чагылган лазер нуры бер үк вакытта мәгълүмат алу өчен фотодиод белән тукландырыла, һәм ике калориметр (максат) тексттан (}) Электр счетчиклары (кыска җавап вакыты булган фотодиодлар \ (<10 ~ \ текст {ns} \)) вакыйганы һәм оптик көчен чагылдыру өчен. {m} \), фокаль озынлык \ (160 ~ \ текст {мм} \)) һәм максатлы өслектә 60– \ (100 ~ \ upmu \ текст {м} \).
Эксперименталь урнаштыруның функциональ схематик схемасы: 1 - лазер; 2 - лазер нуры; 3 - нейтраль тыгызлык фильтры; 4 - синхрон фотодиод; 5 - нур бүлү; 6 - диафрагма; 7 - вакыйга нурының калориметры; 8 - чагылган нурның калориметры; 9 - электр энергиясе счетчикы; 10 - яктыртылган электр счетчикы; 11 - фокус линза; 12 - көзге; 13 - үрнәк; 14 - киң полосалы пиезоэлектрик кондуктор; 15 - 2D конвертер; 16 - микроконтроль урнаштыру; 17 - синхронизация берәмлеге; 18 - төрле сайлау ставкалары белән күп каналлы санлы сатып алу системасы; 19 - шәхси санак.
УЗИ белән эшкәртү түбәндәгечә башкарыла. Лазер ирекле эш режимында эшли; Шуңа күрә лазер импульсының озынлыгы \ (\ tau _L \ sim 150 ~ \ upmu \ text {s} \), ул якынча \ (1,5 ~ \ upmu \ text {s} \) берничә озынлыктан тора. Лазер импульсының вакытлыча формасы һәм аның спектры түбән ешлыклы конверттан һәм югары ешлыклы модуляциядән тора, уртача ешлык {(0.7 ~). материалны җылыту һәм аннан соң эретү һәм парга әйләнү, югары ешлыклы компонент фотоакустик эффект аркасында УЗИ тибрәнүләрен тәэмин итә. Лазер тудырган УЗИ импульсының дулкын формасы, нигездә, лазер импульсының интенсивлыгы формасы белән билгеләнә. Бу \ (7 ~ \ текст {kHz} \) дан \ (2 ~ \ текст {МГц} \), һәм үзәк ешлыгы \ (~ 0.7 ~ \ текст {МГц} \). ирекле режим лазеры.
Лазер импульсының вакытлыча бүленеше (а) һәм үрнәкнең арткы өслегендә тавыш тизлеге, лазер импульсы спектры (в) һәм УЗИ импульсы (г) бер лазер импульсы (зәңгәр сызык) өчен уртача 300 лазер импульсы (кызыл кәкре).
Без акустик эшкәртүнең аз ешлыклы һәм югары ешлыклы компонентларын лазер импульсының аз ешлыклы конвертына һәм югары ешлыклы модуляциягә туры китерә алабыз. Лазер импульс конвертыннан барлыкка килгән акустик дулкыннарның дулкын озынлыгы \ (40 ~ \ текст {см} \); Шуңа күрә, киң полосалы югары ешлыклы компонентларның акустик сигналның микроструктурага тәэсире көтелә.
SLMдагы физик процесслар катлаулы һәм бер үк вакытта төрле киңлек һәм вакытлы масштабларда була. Шуңа күрә күп масштаблы ысуллар SLM-ны теоретик анализлау өчен иң кулай. Математик модельләр башта күп физик булырга тиеш. Инерт газ атмосферасы белән үзара тәэсир итүче механизм һәм термофизика аннары эффектив сурәтләнергә мөмкин.
\ (10 ​​^ 6 ~ \ текст {K} / \ текст {s} \) / \ текстка кадәр җылылык һәм суыту темплары \ (10 ​​^ {13} ~ \ текст {W} см} ^ 2 \) кадәр локальләштерелгән лазер нурлары аркасында.
Эретү-катыландыру циклы 1 белән \ (10 ​​~ \ текст {мс} \) арасында дәвам итә, бу суыту вакытында эретү зонасының тиз ныклашуына ярдәм итә.
Surfaceрнәк өслеген тиз җылыту өслек катламында югары термоэластик стресслар барлыкка китерә. Порошок катламының җитәрлек (20% ка кадәр) өлеше көчле парга әйләнәләр, бу лазер абляциясенә өстәп өстәмә басым йөкләүгә китерә. Нәтиҗәдә, индуктив штамм геометриянең өлеш өлешен сизелерлек боза, аеруча дулкынландыргыч лазер лазеры. субстрат. localирле стресс һәм бүленеш бүленеше турында төгәл санлы мәгълүмат алу өчен, җылылык һәм масса күчерү өчен эластик деформация проблемасының месоскопик симуляциясе үткәрелә.
Модельнең идарә тигезләмәләре (1) тотрыксыз җылылык үткәрү тигезләмәләрен үз эченә ала, анда җылылык үткәрүчәнлеге фаза торышына (порошок, эретү, поликристалл) һәм температурага бәйле, (2) өзлексез абляция һәм термоэластик киңәю тигезләмәсеннән соң эластик деформациянең үзгәрүләре. Чик чик бәясе проблемасы эксперименталь шартлар белән билгеләнә. Парланучы материалның туенган пар басымын исәпләү нигезендә. Термоэластик стресс температура аермасына пропорциональ булган эластопластик стресс-стресс бәйләнеше кулланыла. Номиналь көч өчен \ (300 ~ \ текст {W} \), ешлык \ (10 ​​^ 5 ~ \ текст {Hz} \), арадаш коэффициент 100 һәм \ (200 {м} \ up).
3 нче рәсемдә макроскопик математик модель кулланып эретелгән зонаны санлы симуляцияләү нәтиҗәләре күрсәтелгән. Кушылу зонасының диаметры \ (200 ~ \ upmu \ text {m} \) (\ (100 ~ \ upmu \ text {m} \) радиус) һәм \ (40 ~ \ upmu \ text {m} \) тирәнлек. импульс модуляциясенең арадаш факторы. heatingылыту \ (V_h \) һәм суыту \ (V_c \) ставкалары \ (10 ​​^ 7 \) һәм \ (10 ​​^ 6 ~ \ text {K} / \ text {s} \) тәртибендә. Бу кыйммәтләр безнең алдагы анализыбыз белән яхшы килешә. \ җылылыкны бетерү өчен субстратка җитәрлек түгел. Шуңа күрә, \ (t = 26 ~ \ upmu \ text {s} \) өслек температурасы \ (4800 ~ \ текст {K} \) кадәр күтәрелә.
316L үрнәк тәлинкәдә бер лазер импульсының эретү зонасының санлы симуляция нәтиҗәләре. Импульс башыннан эретелгән бассейн тирәнлегенә кадәр максималь кыйммәткә җиткән вакыт \ (180 ~ \ upmu \ text {s} \). Изотерм \ (T = T_L = 1723 ~ \ текст {К} \) сыеклык һәм каты фазалар арасындагы чикне күрсәтә. Киләсе бүлек. Шуңа күрә, ике изолина (изотермалар \ (T = T_L \) һәм изобарлар \ (\ сигма = \ сигма _В (Т) \)) доменында каты фаза көчле механик йөкләргә дучар була, бу микроструктураның үзгәрүенә китерергә мөмкин.
Бу эффект 4а рәсемдә аңлатыла, монда эретелгән зонада басым дәрәҗәсе вакыт һәм ераклык функциясе итеп планлаштырылган. Беренчедән, басым тәртибе югарыдагы 2 нче рәсемдә сурәтләнгән лазер импульсының модуляциясе белән бәйле. Максималь басым \ текст {s} \) якынча \ ешлыгы (500 ~ \ текст {kHz} \) ешлыгы кебек осылу характеристикалары. Димәк, УЗИ басым дулкыннары өслектә барлыкка килә, аннары субстратка тарала.
Эретү зонасы янындагы деформация зонасының исәпләнгән характеристикалары 4 нче рәсемдә күрсәтелгән. Лазер абласы һәм термоэластик стресс субстратка таралучы эластик деформация дулкыннарын барлыкка китерә. Рәсемнән күренгәнчә, стресс тудыруның ике этапы бар. басым. Бу стресс лазер абласы аркасында килеп чыга, һәм контроль пунктларында термоэластик стресс күзәтелмәде, чөнки җылылыкка тәэсир иткән зона бик кечкенә иде. Heatылылык субстратка таралгач, контроль ноктасы югары термоэластик стресс тудыра \ (40 ~ \ текст {MPa} \).
Алынган модуляцияләнгән стресс дәрәҗәләре каты-сыек интерфейска зур йогынты ясыйлар һәм каты юл белән идарә итүче контроль механизм булырга мөмкин. Деформация зонасының эретү зонасы белән чагыштырганда 2-3 тапкыр зуррак. 3 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, эрү изотермасы һәм стресс дәрәҗәсе тигез булган стресс. {м} \) мизгел вакытына карап.
Шуңа күрә, импульслы лазер аннилингының катлаулы модуляциясе УЗИ эффектына китерә. Микроструктураны сайлау юлы ультратавышлы йөкләнмичә SLM белән чагыштырганда төрле. Деформацияләнгән тотрыксыз төбәкләр периодик кысылу циклына китерәләр һәм каты этапта сузылалар. Шуңа күрә, яңа ашлык чикләрен формалаштыру мөмкин. импульс модуляциясе белән эшләнгән УЗИ йөртүче SLM прототибы. Бу очракта бүтән урында кулланылган 26 пиезоэлектрик индуктивлык кәтүге чыгарылырга мөмкин.
а) басым симметрия күчәре буенча 0, 20 һәм \ (40 ~ \ upmu \ text {m} \) өслегеннән төрле дистанцияләрдә исәпләнгән вакыт функциясе буларак.
Тикшеренүләр AISI 321H дат басмаган корыч тәлинкәләрдә \ (20 \ 20 20 тапкыр 5 ~ \ текст {мм} \) үткәрелде. Eachәр лазер импульсыннан соң тәлинкә хәрәкәтләнә \ (50 ~ \ upmu \ text {m} \), һәм максатлы өслектәге лазер нуры бил якынча \ (100 ~ \ upmu \ text {m} \) эшкәртелә. барлык очракларда, яңартылган зона лазер нурланышының осиллатор компонентына карап соникатланган. Бу уртача ашлык мәйданының 5 тапкырга кимүенә китерә. 5 нче рәсемдә лазер эретелгән төбәктәге микросруктураның киләсе релилинг цикллары саны белән үзгәрүе күрсәтелә.
Подразделение (a, d, g, j) һәм (b, e, h, k) - лазер эретелгән төбәкләрнең микроструктурасы, сюжетлар (c, f, i, l) - төсле бөртеклеләрнең таралуы. Күләгәләү гистограмманы исәпләү өчен кулланылган кисәкчәләрне күрсәтә. Төсләр ашлык өлкәләренә туры килә (гистограмма өстендәге төс тактасын карагыз. Подпискалар (ac) эшкәртелмәгән дат басмаган корычка туры килә, һәм өстәмәләр (df), (gi), (jl) 1, 3 һәм 5 рельетка туры килә.
Лазер импульс энергиясе алдагы пассажирлар арасында үзгәрмәгәнгә, эретелгән зонаның тирәнлеге бер үк. Шуңа күрә, алдагы канал элеккесен тулысынча "каплый". Шулай да, гистограмма уртача һәм уртача ашлык мәйданы пассажирлар саны арту белән кимүен күрсәтә. Бу лазерның эретү түгел, ә субстратта эшләвен күрсәтә ала.
Ашлыкны чистарту эретелгән бассейнның тиз суытылуы аркасында булырга мөмкин 65. Башка экспериментлар җыелмасы үткәрелде, анда дат басмаган корыч плиталар өслеге (321H һәм 316L) атмосферада өзлексез дулкын лазер нурланышына (6-нчы рәсем) һәм вакуумга (7 нче рәсем). Лазерның уртача көче (300 В һәм 100 Вт), эретелгән бассейн тирәнлеге. багана структурасы күзәтелде.
Даими дулкын лазерының эретелгән өлкәсенең микроструктурасы (300 Вт даими көче, 200 мм / с сканер тизлеге, AISI 321H дат басмас корыч).
)
Шуңа күрә, лазер импульсының интенсивлыгының катлаулы модуляциясе барлыкка килгән микросруктурага зур йогынты ясавы ачык күрсәтелде. Без бу эффект табигатьтә механик һәм эретелгән нурланыш өслегеннән үрнәккә таралучы УЗИ тибрәнүләре барлыкка килүенә ышанабыз. Охшаш нәтиҗәләр 13, 26, 34, 66, 67 тышкы пиезоэлектрик трансдуктерлар һәм сонотродлар белән тәэмин ителәләр. эретмә 26 һәм дат басмаган корыч 34 нәтиҗә. Мөмкин булган механизм түбәндәгечә спекуляцияләнә. Зур УЗИ акустик кавитациягә китерергә мөмкин, ситу синхротрон рентген сүрәтендә ультрафастта күрсәтелгән. Кавитация күбекләренең таркалуы эретелгән материалда шок дулкыннары тудыра, аларның фронт басымы \ (100 ~ \ текст {MPa} \) булырга мөмкин. күпчелек сыеклыклар, кат-кат өстәмә җитештерүнең типик багана ашлык структурасын бозалар.
Монда без интенсив соникация ярдәмендә структур модификация өчен җаваплы тагын бер механизм тәкъдим итәбез. Катылашканнан соң, материал эретү ноктасына якын һәм бик түбән уңыш стрессына ия. Көчле УЗИ дулкыннары пластик агымның кайнар, каты материалның ашлык структурасын үзгәртүенә китерергә мөмкин. бу гипотезаны сынап кара, без эретү ноктасы янындагы уңыш стрессын бәяләү өчен AISI 316 L корычка охшаган Fe-Cr-Ni композициясенең молекуляр динамикасы (MD) симуляцияләрен эшләдек. Уңыш стрессын исәпләү өчен, без 70, 71, 72, 73 тәфсилләнгән MD кыру стрессын йомшарту техникасын кулландык. MD симуляцияләре бүтән урында бастырылачак. МД температура функциясе буларак уңыш стрессының исәпләү нәтиҗәләре 8 нче рәсемдә күрсәтелгән эксперименталь мәгълүматлар һәм башка бәяләүләр белән бергә 77,78,79,80,81,82.
AISI 316 класслы остенитик дат басмас корыч һәм модель композициясе өчен MD симуляцияләре өчен температура. Эксперименталь үлчәүләр: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. мөрәҗәгать итү. \ (\ vartriangleleft \) кимчелексез чиксез бер кристалл өчен һәм \ (\ vartriangleright \) Холл-Петч мөнәсәбәтләре үлчәмнәре аша уртача ашлык күләмен исәпкә алып чикләнгән бөртекләр өчен \ (d = 50 ~ \ upmu \ text {m} \).
Моннан күренеп тора: \ (T> 1500 ~ \ текст {K} \) уңыш стрессы \ (40 ~ \ текст {MPa} \) астыннан төшә. Икенче яктан, лазердан ясалган УЗИ амплитудасы \ (40 ~ \ текст {MPa} \) артып китә дип фаразлый (4б рәсемен кара), бу кайнар материалда пластик агымны этәрү өчен җитәрлек.
SLM вакытында 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) остенитик дат басмас корычның микроструктурасы формалашуы катлаулы интенсивлык модуляцияләнгән импульслы лазер чыганагы ярдәмендә эксперименталь рәвештә тикшерелде.
Лазер эретү зонасында ашлык күләмен киметү 1, 3 яки 5 пассажирдан соң өзлексез лазерны эретү аркасында табылды.
Макроскопик модельләштерү шуны күрсәтә: УЗИ деформациясе каты фронтка уңай тәэсир итә алган төбәкнең фаразланган күләме \ (1 ~ \ текст {мм} \) кадәр.
Микроскопик MD моделе шуны күрсәтә: AISI 316 остенитик дат басмас корычның җитештерү көче эретү ноктасы янында \ (40 ~ \ текст {MPa} \) га кадәр кимеде.
Алынган нәтиҗәләр катлаулы модульләштерелгән лазер эшкәртү ярдәмендә материалларның микроструктурасын контрольдә тоту ысулын тәкъдим итә һәм импульслы SLM техникасының яңа модификацияләрен булдыру өчен нигез булып хезмәт итә ала.
Лю, Й. Alloys.compound.853, 157287. Https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Гао, С. Alma Mater журналы 200, 366–377.https: //doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Чен, Х. 10, 15870.https: //doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Азарния, А. һ.б. Ти-6Ал-4В детальләрен лазер металл чүпләү (LMD) белән өстәмә җитештерү: процесс, микроструктура һәм механик үзлекләр.J. Alloys.compound.804, 163–191.https: //doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Кумара, С.
Буси, М. һ.б. 11, 14919.https: //doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Тан, X. һ.б.