Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS uchun cheklangan qo'llab-quvvatlash mavjud. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScriptsiz namoyish qilamiz.
Ishlab chiqarish jarayonida mahsulotlarning mikrotuzilmasini boshqarish uchun selektiv lazer eritishga asoslangan yangi mexanizm taklif qilinmoqda. Mexanizm murakkab intensivlik modulyatsiyalangan lazer nurlanishi orqali eritilgan hovuzda yuqori intensivlikdagi ultratovush to'lqinlarini yaratishga asoslangan. Eksperimental tadqiqotlar va raqamli simulyatsiyalar shuni ko'rsatadiki, ushbu boshqaruv mexanizmi texnik jihatdan mumkin va zamonaviy selektiv lazer eritish mashinalarini loyihalashga samarali integratsiya qilinishi mumkin.
Murakkab shakldagi qismlarni qo'shimcha ishlab chiqarish (AM) so'nggi o'n yilliklarda sezilarli darajada o'sdi. Biroq, qo'shimcha ishlab chiqarish jarayonlarining xilma-xilligiga, jumladan, selektiv lazer eritishiga (SLM)1,2,3, to'g'ridan-to'g'ri lazerli metall cho'ktirish4,5,6, elektron nurlarining eritishi7,8 va boshqalar9,10 qaramay, qismlar nuqsonli bo'lishi mumkin. Bu asosan yuqori issiqlik gradientlari, yuqori sovutish tezligi va eritish va qayta eritish materiallarida isitish sikllarining murakkabligi11 bilan bog'liq bo'lgan eritilgan hovuzning qattiqlashuv jarayonining o'ziga xos xususiyatlari bilan bog'liq bo'lib, bu epitaksial donalarning o'sishiga va sezilarli g'ovaklikka olib keladi12,13. Natijalar shuni ko'rsatadiki, nozik teng o'qli dona tuzilmalariga erishish uchun issiqlik gradientlarini, sovutish tezligini va qotishma tarkibini nazorat qilish yoki turli xususiyatlarga ega tashqi maydonlar (masalan, ultratovush) orqali qo'shimcha fizik zarbalarni qo'llash zarur.
Ko'plab nashrlar an'anaviy quyish jarayonlarida tebranish bilan ishlov berishning qattiqlashuv jarayoniga ta'siri bilan bog'liq14,15. Biroq, quyma eritmalarga tashqi maydonni qo'llash kerakli material mikrotuzilmasini hosil qilmaydi. Agar suyuq fazaning hajmi kichik bo'lsa, vaziyat keskin o'zgaradi. Bu holda, tashqi maydon qattiqlashuv jarayoniga sezilarli darajada ta'sir qiladi. Elektromagnit effektlar intensiv akustik maydonlarda16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, yoy aralashtirish28 va tebranish29, impulsli plazma yoylari30,31 va boshqa usullar32 davomida ko'rib chiqilgan. Tashqi yuqori intensivlikdagi ultratovush manbai (20 kHz da) yordamida substratga biriktiring. Ultratovush ta'sirida donning tozalanishi harorat gradientining pasayishi va kavitatsiya orqali yangi kristallitlarni hosil qilish uchun ultratovushning kuchayishi tufayli tarkibiy subsovutilish zonasining oshishi bilan bog'liq.
Ushbu ishda biz erigan lazerning o'zi tomonidan hosil bo'lgan tovush to'lqinlari bilan erigan hovuzni ultratovush bilan urib, ostenitik zanglamaydigan po'latlarning don tuzilishini o'zgartirish imkoniyatini o'rganib chiqdik. Yorug'likni yutuvchi muhitga tushadigan lazer nurlanishining intensivlik modulyatsiyasi materialning mikro tuzilishini o'zgartiradigan ultratovush to'lqinlarining paydo bo'lishiga olib keladi. Lazer nurlanishining bu intensivlik modulyatsiyasi mavjud SLM 3D printerlariga osongina integratsiya qilinishi mumkin. Ushbu ishdagi tajribalar sirtlari intensivlik modulyatsiyasiga uchragan lazer nurlanishiga duchor bo'lgan zanglamaydigan po'lat plitalarda o'tkazildi. Shunday qilib, texnik jihatdan lazerli sirt ishlovi amalga oshiriladi. Biroq, agar bunday lazer ishlovi har bir qatlam yuzasida, qatlamma-qavat yig'ish paytida amalga oshirilsa, butun hajmga yoki hajmning tanlangan qismlariga ta'sir ko'rsatiladi. Boshqacha qilib aytganda, agar qism qatlamma-qavat qurilgan bo'lsa, har bir qatlamning lazerli sirt ishlovi "lazerli hajm ishlovi" ga tengdir.
Ultratovushli shoxga asoslangan ultratovush terapiyasida esa, tik turgan tovush to'lqinining ultratovush energiyasi komponent bo'ylab taqsimlanadi, lazer bilan induktsiyalangan ultratovush intensivligi esa lazer nurlanishi yutilgan nuqtaga yaqin joyda yuqori darajada konsentratsiyalangan. SLM kukunli qatlam termoyadroviy mashinasida sonotroddan foydalanish murakkab, chunki lazer nurlanishiga duchor bo'lgan kukunli qatlamning yuqori yuzasi harakatsiz qolishi kerak. Bundan tashqari, qismning yuqori yuzasida mexanik kuchlanish yo'q. Shuning uchun, akustik kuchlanish nolga yaqin va zarrachalar tezligi qismning butun yuqori yuzasida maksimal amplitudaga ega. Butun erigan hovuz ichidagi ovoz bosimi payvandlash boshi tomonidan hosil qilingan maksimal bosimning 0,1% dan oshmasligi kerak, chunki zanglamaydigan po'latda 20 kHz chastotali ultratovush to'lqinlarining to'lqin uzunligi \(\sim 0.3~\text {m}\) va chuqurlik odatda \(\sim 0.3~\text {mm}\ dan kam. Shuning uchun, ultratovushning kavitatsiyaga ta'siri kichik bo'lishi mumkin.
Shuni ta'kidlash kerakki, to'g'ridan-to'g'ri lazerli metall cho'ktirishda intensivlik modulyatsiyalangan lazer nurlanishidan foydalanish tadqiqotning faol sohasi hisoblanadi35,36,37,38.
Lazer nurlanishining muhitga tushadigan issiqlik ta'siri materialni qayta ishlash uchun deyarli barcha lazer texnikalari 39, 40, masalan, kesish41, payvandlash, qattiqlashtirish, burg'ulash42, sirtni tozalash, sirtni qotishma bilan qoplash, sirtni abrazivlash43 va boshqalar uchun asos bo'lib xizmat qiladi. Lazerning ixtirosi materiallarni qayta ishlash texnikasida yangi ishlanmalarni rag'batlantirdi va dastlabki natijalar ko'plab sharhlar va monografiyalarda umumlashtirildi44,45,46.
Shuni ta'kidlash kerakki, muhitga har qanday statsionar bo'lmagan ta'sir, shu jumladan yutuvchi muhitga uzoq muddatli ta'sir, undagi akustik to'lqinlarning ko'proq yoki kamroq samarali qo'zg'alishiga olib keladi. Dastlab, asosiy e'tibor suyuqliklardagi to'lqinlarning lazer bilan qo'zg'alishiga va tovushning turli xil termal qo'zg'alish mexanizmlariga (termal kengayish, bug'lanish, fazaviy o'tish paytida hajm o'zgarishi, qisqarish va boshqalar) qaratildi. 47, 48, 49. Ko'plab monografiyalarda 50, 51, 52 bu jarayonning nazariy tahlillari va uning amaliy qo'llanilishini taqdim etadi.
Keyinchalik bu masalalar turli konferensiyalarda muhokama qilindi va ultratovushning lazer bilan qo'zg'alishi lazer texnologiyasining sanoat qo'llanmalarida ham, tibbiyotda ham qo'llaniladi53. Shuning uchun, impulsli lazer nuri yutuvchi muhitga ta'sir qilish jarayonining asosiy kontseptsiyasi yaratilgan deb hisoblash mumkin. Lazerli ultratovush tekshiruvi SLM tomonidan ishlab chiqarilgan namunalarning nuqsonlarini aniqlash uchun ishlatiladi55,56.
Lazer bilan hosil qilingan zarba to'lqinlarining materiallarga ta'siri lazer zarbasini pilinglashning asosidir57,58,59, u qo'shimcha ravishda ishlab chiqarilgan qismlarni sirt bilan ishlov berish uchun ham ishlatiladi60. Biroq, lazer zarbasini kuchaytirish nanoseksiy lazer impulslarida va mexanik yuklangan sirtlarda (masalan, suyuqlik qatlami bilan)59 eng samarali hisoblanadi, chunki mexanik yuklash eng yuqori bosimni oshiradi.
Qattiqlashgan materiallarning mikrotuzilmasiga turli fizik maydonlarning mumkin bo'lgan ta'sirini o'rganish uchun tajribalar o'tkazildi. Tajriba qurilmasining funktsional diagrammasi 1-rasmda ko'rsatilgan. Erkin ishlaydigan rejimda ishlaydigan impulsli Nd:YAG qattiq holatdagi lazer (impuls davomiyligi \(tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)) ishlatilgan. Har bir lazer impulsi bir qator neytral zichlik filtrlari va nur ajratuvchi plastinka tizimidan o'tkaziladi. Neytral zichlik filtrlarining kombinatsiyasiga qarab, nishondagi impuls energiyasi \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) dan \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) gacha o'zgaradi. Nur ajratuvchisidan aks etgan lazer nuri bir vaqtning o'zida ma'lumotlarni yig'ish uchun fotodiodga uzatiladi va nishonga tushadigan va undan aks etgan nurni aniqlash uchun ikkita kalorimetr (uzoq javob vaqti \(1~\text {ms}\) dan ortiq bo'lgan fotodiodlar) va ikkita quvvat o'lchagichlari (qisqa javobli fotodiodlar) ishlatiladi. Tushgan va aks etgan optik quvvatni aniqlash uchun vaqtlar\(<10~\text {ns}\)). Kalorimetrlar va quvvat o'lchagichlari Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 termopil detektori va namunaviy joyga o'rnatilgan dielektrik oyna yordamida mutlaq birliklarda qiymatlarni berish uchun kalibrlangan. Nurni nishonga linza (aks ettirishga qarshi qoplama \(1.06 \upmu \text {m}\), fokus uzunligi \(160~\text {mm}\)) va nishon yuzasida 60– \(100~\upmu\text {m}\) yordamida fokuslang.
Eksperimental qurilmaning funktsional sxematik diagrammasi: 1—lazer; 2—lazer nuri; 3—neytral zichlik filtri; 4—sinxronlashtirilgan fotodiod; 5—nur ajratgich; 6—diafragma; 7—tushgan nurning kalorimetri; 8—qaytarilgan nurning kalorimetri; 9—tushgan nurning quvvat o'lchagichi; 10—qaytarilgan nurning quvvat o'lchagichi; 11—fokuslovchi linza; 12—ko'zgu; 13—namuna; 14—keng polosali pyezoelektrik o'zgartirgich; 15—2D konvertor; 16—pozitsiyalash mikrokontrolleri; 17—sinxronizatsiya bloki; 18—turli namuna olish tezligiga ega ko'p kanalli raqamli yig'ish tizimi; 19—shaxsiy kompyuter.
Ultratovush bilan ishlov berish quyidagicha amalga oshiriladi. Lazer erkin ishlaydigan rejimda ishlaydi; shuning uchun lazer impulsining davomiyligi 150/150/20 ... U \(7~\text {kHz}\) dan \(2~\text {MHz}\) gacha, markaziy chastota esa \(~ 0.7~\text {MHz}\). Fotoakustik effekt tufayli yuzaga kelgan akustik impulslar poliviniliden ftorid plyonkalaridan tayyorlangan keng polosali pyezoelektrik o'tkazgichlar yordamida qayd etildi. Yozib olingan to'lqin shakli va uning spektri 2-rasmda ko'rsatilgan. Shuni ta'kidlash kerakki, lazer impulslarining shakli erkin ishlaydigan lazerga xosdir.
Namunaning orqa yuzasida lazer impulsi intensivligining (a) va tovush tezligining vaqtinchalik taqsimoti (b), lazer impulsi spektrlari (c) va ultratovush impulsi (d) bitta lazer impulsi uchun o'rtacha 300 dan ortiq lazer impulslari (qizil egri chiziq) (ko'k egri chiziq).
Biz lazer impulsining past chastotali qobig'i va yuqori chastotali modulyatsiyaga mos keladigan akustik ishlov berishning past chastotali va yuqori chastotali komponentlarini aniq ajrata olamiz. Lazer impuls qobig'i tomonidan hosil qilingan akustik to'lqinlarning to'lqin uzunliklari \(40~\text {sm}} dan oshadi; shuning uchun akustik signalning keng polosali yuqori chastotali komponentlarining mikrotuzilishga asosiy ta'siri kutilmoqda.
SLMdagi fizik jarayonlar murakkab va bir vaqtning o'zida turli fazoviy va vaqtinchalik miqyoslarda sodir bo'ladi. Shuning uchun, SLMni nazariy tahlil qilish uchun ko'p miqyosli usullar eng mos keladi. Matematik modellar dastlab ko'p fizik bo'lishi kerak. Keyin inert gaz atmosferasi bilan o'zaro ta'sir qiluvchi ko'p fazali muhit "qattiq-suyuq eritma" ning mexanikasi va termofizikasini samarali tavsiflash mumkin. SLMdagi material issiqlik yuklarining xususiyatlari quyidagicha.
Mahalliy lazer nurlanishi tufayli isitish va sovutish tezligi \(10^{13}~\text {W} sm}^2\) gacha, quvvat zichligi esa \(10^{6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ gacha.
Erish-qattiqlashish sikli 1 dan 10 ms gacha davom etadi, bu esa sovutish paytida erish zonasining tez qattiqlashishiga yordam beradi.
Namuna yuzasini tez qizdirish sirt qatlamida yuqori termoelastik kuchlanishlarning hosil bo'lishiga olib keladi. Kukun qatlamining yetarli qismi (20% gacha) kuchli bug'lanadi63, bu lazer ablyatsiyasiga javoban sirtga qo'shimcha bosim yukini keltirib chiqaradi. Natijada, induktsiyalangan kuchlanish qism geometriyasini, ayniqsa yaqin tayanchlar va yupqa strukturaviy elementlarni sezilarli darajada buzadi. Pulsatsiyalangan lazer bilan tavlashda yuqori isitish tezligi sirtdan substratga tarqaladigan ultratovush kuchlanish to'lqinlarining paydo bo'lishiga olib keladi. Mahalliy kuchlanish va kuchlanish taqsimoti bo'yicha aniq miqdoriy ma'lumotlarni olish uchun issiqlik va massa uzatish bilan bog'liq elastik deformatsiya muammosining mezoskopik simulyatsiyasi amalga oshiriladi.
Modelning boshqaruvchi tenglamalari quyidagilarni o'z ichiga oladi: (1) issiqlik o'tkazuvchanligi faza holatiga (kukun, eritma, polikristal) va haroratga bog'liq bo'lgan beqaror issiqlik uzatish tenglamalari, (2) uzluksiz ablyatsiyadan keyin elastik deformatsiyaning tebranishlari va termoelastik kengayish tenglamasi. Chegara qiymati muammosi eksperimental sharoitlar bilan aniqlanadi. Modulyatsiyalangan lazer oqimi namuna yuzasida aniqlanadi. Konvektiv sovutish o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi va bug'lanish oqimini o'z ichiga oladi. Massa oqimi bug'lanayotgan materialning to'yingan bug' bosimini hisoblash asosida aniqlanadi. Termoelastik kuchlanish harorat farqiga mutanosib bo'lgan joyda elastoplastik kuchlanish-deformatsiya munosabati qo'llaniladi. Nominal quvvat uchun 100 Vt, chastota 100 Hz, intervalgacha koeffitsient 100 va samarali nur diametri 200 Vt m ga teng.
3-rasmda makroskopik matematik model yordamida erigan zonaning sonli simulyatsiya natijalari ko'rsatilgan. Erish zonasining diametri 200-300 sm (radius 100 sm) va chuqurlik 40 sm (m) ga teng. Simulyatsiya natijalari shuni ko'rsatadiki, impuls modulyatsiyasining yuqori intervalgacha koeffitsienti tufayli sirt harorati vaqt o'tishi bilan 100-300 sm (K) ga o'zgaradi. Isitish va sovutish tezligi mos ravishda 107 sm (10 sm) va 106 sm (K)/s) tartibida. Bu qiymatlar avvalgi tahlilimizga mos keladi. 64. 106 sm (V sm) va 106 sm (V sm) orasidagi kattalik farqi sirt qatlamining tez qizib ketishiga olib keladi, bu yerda substratga issiqlik o'tkazuvchanligi issiqlikni olib tashlash uchun yetarli emas. Shuning uchun, 106 sm (t=26 sm) da sirt harorati eng yuqori cho'qqisiga chiqadi (4800~\text {K}). Materialning kuchli bug'lanishi namuna yuzasining haddan tashqari bosimga uchrashiga va ko'chib ketishiga olib kelishi mumkin.
316L namunaviy plastinkada bitta lazerli impulsli tavlashning erish zonasining raqamli simulyatsiya natijalari. Impuls boshidan erigan hovuz chuqurligigacha bo'lgan vaqt maksimal qiymatga yetadi \(180~\upmu\text {s}\). Izoterm \(T = T_L = 1723~\text {K}\) suyuq va qattiq fazalar orasidagi chegarani ifodalaydi. Izobarlar (sariq chiziqlar) keyingi bo'limda harorat funksiyasi sifatida hisoblangan oqim kuchlanishiga mos keladi. Shuning uchun, ikkita izolyatsion chiziq (izotermlar \(T=T_L\) va izobarlar \(sigma =\sigma _V(T)\)) orasidagi sohada qattiq faza kuchli mexanik yuklarga duchor bo'ladi, bu esa mikrotuzilmada o'zgarishlarga olib kelishi mumkin.
Bu effekt 4a-rasmda batafsilroq tushuntirilgan, bu yerda erigan zonadagi bosim darajasi vaqt va sirtdan masofa funksiyasi sifatida ko'rsatilgan. Birinchidan, bosimning harakati yuqoridagi 2-rasmda tasvirlangan lazer impuls intensivligining modulyatsiyasi bilan bog'liq. Taxminan 10 MPa ga teng maksimal bosim taxminan 26 m³ da kuzatildi. Ikkinchidan, nazorat nuqtasidagi mahalliy bosimning tebranishi 500 kHz chastotasi bilan bir xil tebranish xususiyatlariga ega. Bu shuni anglatadiki, ultratovush bosim to'lqinlari sirtda hosil bo'ladi va keyin substratga tarqaladi.
Erish zonasi yaqinidagi deformatsiya zonasining hisoblangan xususiyatlari 4b-rasmda ko'rsatilgan. Lazer ablasyonu va termoelastik kuchlanish substratga tarqaladigan elastik deformatsiya to'lqinlarini hosil qiladi. Rasmdan ko'rinib turibdiki, kuchlanish hosil bo'lishining ikki bosqichi mavjud. t < 40 ~ upmu \text {s} \ ning birinchi bosqichida Mises kuchlanishi sirt bosimiga o'xshash modulyatsiya bilan 8 ~ ga ko'tariladi. Bu kuchlanish lazer ablasyonu tufayli yuzaga keladi va nazorat nuqtalarida termoelastik kuchlanish kuzatilmadi, chunki dastlabki issiqlik ta'sir zonasi juda kichik edi. Issiqlik substratga tarqalganda, nazorat nuqtasi 40 ~ dan yuqori yuqori termoelastik kuchlanishni hosil qiladi.
Olingan modulyatsiyalangan kuchlanish darajalari qattiq-suyuqlik chegarasiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi va qotish yo'lini boshqaruvchi boshqaruv mexanizmi bo'lishi mumkin. Deformatsiya zonasining o'lchami erish zonasining o'lchamidan 2-3 baravar katta. 3-rasmda ko'rsatilganidek, erish izotermasining joylashuvi va hosil kuchlanishiga teng kuchlanish darajasi taqqoslanadi. Bu shuni anglatadiki, impulsli lazer nurlanishi mahalliylashtirilgan joylarda bir lahzalik vaqtga qarab 300 dan 800 m gacha samarali diametrga ega yuqori mexanik yuklarni ta'minlaydi.
Shuning uchun, impulsli lazer bilan tavlashning murakkab modulyatsiyasi ultratovush effektiga olib keladi. Mikrotuzilmani tanlash yo'li ultratovush yuklamasdan SLM bilan solishtirganda farq qiladi. Deformatsiyalangan beqaror mintaqalar qattiq fazada davriy siqilish va cho'zilish sikllariga olib keladi. Shunday qilib, yangi don chegaralari va subdon chegaralarining shakllanishi mumkin bo'ladi. Shuning uchun, quyida ko'rsatilgandek, mikrotuzilma xususiyatlarini ataylab o'zgartirish mumkin. Olingan xulosalar impulsli modulyatsiya bilan induktsiyalangan ultratovush bilan boshqariladigan SLM prototipini loyihalash imkoniyatini beradi. Bu holda, boshqa joyda ishlatiladigan piezoelektrik induktor 26 chiqarib tashlanishi mumkin.
(a) Simmetriya o'qi bo'ylab 0, 20 va 40 m sirtdan turli masofalarda hisoblangan bosim vaqt funksiyasi sifatida.(b) Vaqtga bog'liq Von Namuna yuzasidan 70, 120 va 170 m masofalarda qattiq matritsada hisoblangan kuchlanish.
Tajribalar o'lchamlari \(20 marta 20 marta 5 ~\text {mm}} bo'lgan AISI 321H zanglamaydigan po'lat plitalarida o'tkazildi. Har bir lazer impulsidan so'ng, plastinka \(50 ~\upmu \text {m}}) harakatlanadi va nishon yuzasidagi lazer nurining beli taxminan \(100 ~\upmu \text {m}} ni tashkil qiladi. Qayta ishlangan materialni donni tozalash uchun qayta eritishni keltirib chiqarish uchun bir xil yo'l bo'ylab beshtagacha keyingi nur o'tishlari amalga oshiriladi. Barcha hollarda, lazer nurlanishining tebranish komponentiga qarab, qayta eritilgan zona sonikatsiya qilindi. Bu o'rtacha don maydonining 5 baravardan ko'proq qisqarishiga olib keladi. 5-rasmda lazer bilan eritilgan mintaqaning mikrotuzilishi keyingi qayta eritish sikllari (o'tishlari) soni bilan qanday o'zgarishi ko'rsatilgan.
(a,d,g,j) va (b,e,h,k) kichik chizmalar – lazer bilan eritilgan mintaqalarning mikrotuzilmasi, (c,f,i,l) kichik chizmalar – rangli donalarning maydon taqsimoti. Soyalash gistogrammani hisoblash uchun ishlatiladigan zarrachalarni ifodalaydi. Ranglar dona mintaqalariga mos keladi (gistogrammaning yuqori qismidagi rang satriga qarang. (ac) kichik chizmalar ishlov berilmagan zanglamaydigan po'latga, (df), (gi), (jl) kichik chizmalar esa 1, 3 va 5 ta qayta eritishga mos keladi.
Lazer impuls energiyasi keyingi o'tishlar orasida o'zgarmagani uchun, erigan zonaning chuqurligi bir xil bo'ladi. Shunday qilib, keyingi kanal avvalgisini to'liq "qoplaydi". Biroq, gistogramma o'rtacha va median dona maydoni o'tishlar sonining ortishi bilan kamayib borayotganini ko'rsatadi. Bu lazer eritmaga emas, balki substratga ta'sir qilayotganini ko'rsatishi mumkin.
Donalarning tozalanishi erigan hovuzning tez sovishi natijasida yuzaga kelishi mumkin65. Yana bir tajribalar to'plami o'tkazildi, unda zanglamaydigan po'lat plitalar (321H va 316L) sirtlari atmosferada (6-rasm) va vakuumda (7-rasm) uzluksiz to'lqinli lazer nurlanishiga duchor qilindi. O'rtacha lazer quvvati (mos ravishda 300 Vt va 100 Vt) va erigan hovuz chuqurligi Nd:YAG lazerining erkin ishlash rejimidagi eksperimental natijalariga yaqin. Biroq, odatiy ustunli tuzilish kuzatildi.
Uzluksiz to'lqinli lazerning lazer bilan eritilgan sohasining mikrotuzilishi (300 Vt doimiy quvvat, 200 mm/s skanerlash tezligi, AISI 321H zanglamaydigan po'lat).
(a) Mikrotuzilma va (b) uzluksiz to'lqinli lazer yordamida vakuumda lazer bilan eritilgan sohaning elektron teskari sochilishi difraksiyasi tasvirlari (100 Vt doimiy quvvat, 200 mm/s skanerlash tezligi, AISI 316L zanglamaydigan po'lat)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Shuning uchun, lazer impulslari intensivligining murakkab modulyatsiyasi natijada hosil bo'lgan mikrotuzilishga sezilarli ta'sir ko'rsatishi aniq ko'rsatilgan. Bizning fikrimizcha, bu ta'sir mexanik xususiyatga ega va eritmaning nurlantirilgan yuzasidan namunaga chuqur tarqaladigan ultratovush tebranishlarini hosil qilish natijasida yuzaga keladi. Shunga o'xshash natijalar 13, 26, 34, 66, 67 da tashqi pyezoelektrik o'tkazgichlar va sonotrodlar yordamida Ti-6Al-4V qotishmasi 26 va zanglamaydigan po'lat 34 kabi turli materiallarda yuqori intensivlikdagi ultratovushni ta'minlovchi holda olingan. Mumkin bo'lgan mexanizm quyidagicha taxmin qilinadi. Kuchli ultratovush akustik kavitatsiyaga olib kelishi mumkin, bu ultra tezkor in situ sinxrotron rentgen tasvirida ko'rsatilgan. Kavitatsiya pufakchalarining qulashi o'z navbatida eritilgan materialda zarba to'lqinlarini hosil qiladi, ularning oldingi bosimi taxminan 100 ~ \text {MPa} \)69 ga etadi. Bunday zarba to'lqinlari quyma suyuqliklarda kritik o'lchamdagi qattiq fazali yadrolarning hosil bo'lishini rag'batlantirish uchun etarlicha kuchli bo'lishi mumkin, bu esa odatdagi ustunli don tuzilishini buzadi. qatlamma-qavat qo'shimchalar ishlab chiqarish.
Bu yerda biz intensiv sonikatsiya orqali strukturaviy modifikatsiya uchun mas'ul bo'lgan yana bir mexanizmni taklif qilamiz. Qattiqlashgandan so'ng darhol material erish nuqtasiga yaqin yuqori haroratda bo'ladi va juda past rentabellik stressiga ega. Kuchli ultratovush to'lqinlari plastik oqimning issiq, endigina qotib qolgan materialning don tuzilishini o'zgartirishiga olib kelishi mumkin. Biroq, rentabellik stressining haroratga bog'liqligi bo'yicha ishonchli eksperimental ma'lumotlar \(T\lessim 1150~\text {K}\) da mavjud (8-rasmga qarang). Shuning uchun, ushbu gipotezani sinab ko'rish uchun biz erish nuqtasi yaqinidagi rentabellik stressining xatti-harakatlarini baholash uchun AISI 316 L po'latiga o'xshash Fe-Cr-Ni tarkibining molekulyar dinamikasi (MD) simulyatsiyalarini amalga oshirdik. Rentabellik stressini hisoblash uchun biz 70, 71, 72, 73-bo'limlarda batafsil bayon qilingan MD siljish stressini yengillashtirish texnikasidan foydalandik. Atomlararo o'zaro ta'sir hisob-kitoblari uchun biz 74-dan olingan o'rnatilgan atom modelidan (EAM) foydalandik. MD simulyatsiyalari LAMMPS kodlari 75,76 yordamida amalga oshirildi. MD simulyatsiyalari tafsilotlari e'lon qilinadi. boshqa joyda. Harorat funksiyasi sifatida rentabellik stressining MD hisoblash natijalari mavjud eksperimental ma'lumotlar va boshqa baholashlar bilan birgalikda 8-rasmda ko'rsatilgan77,78,79,80,81,82.
AISI 316-darajali ostenitik zanglamaydigan po'lat uchun rentabellik kuchlanishi va MD simulyatsiyalari uchun model tarkibi haroratga nisbatan. Quyidagi ma'lumotlardan olingan eksperimental o'lchovlar: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. qarang. (f)82 lazer yordamida qo'shimchalar ishlab chiqarish jarayonida chiziq ichidagi stressni o'lchash uchun rentabellik kuchlanishiga haroratga bog'liqlikning empirik modelidir. Ushbu tadqiqotdagi keng ko'lamli MD simulyatsiyalari natijalari nuqsonsiz cheksiz monokristal uchun \(\vartriangleft\) va Hall-Petch munosabati Dimensions \(d = 50~\upmu \text {m}\) orqali o'rtacha don hajmini hisobga olgan holda chekli donachalar uchun \(\vartriangleright\) deb belgilanadi.
Ko'rinib turibdiki, \(T>1500~\text {K}\) da oqim kuchlanishi \(40~\text {MPa}\ dan pastga tushadi. Boshqa tomondan, hisob-kitoblarga ko'ra, lazer tomonidan yaratilgan ultratovush amplitudasi \(40~\text {MPa}\) dan oshadi (4b-rasmga qarang), bu esa endigina qotib qolgan issiq materialda plastik oqimni keltirib chiqarish uchun etarli.
SLM jarayonida 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ostenitik zanglamaydigan po'latning mikrotuzilma hosil bo'lishi murakkab intensivlik modulyatsiyalangan impulsli lazer manbai yordamida eksperimental ravishda o'rganildi.
Lazer erish zonasida don hajmining kamayishi 1, 3 yoki 5 marta o'tgandan keyin lazerning doimiy qayta erish jarayoni tufayli aniqlandi.
Makroskopik modellashtirish shuni ko'rsatadiki, ultratovush deformatsiyasi qattiqlashuv jabhasiga ijobiy ta'sir ko'rsatishi mumkin bo'lgan mintaqaning taxminiy o'lchami \(1~\text {mm}\) gacha.
Mikroskopik MD modeli shuni ko'rsatadiki, AISI 316 ostenitik zanglamaydigan po'latining erish nuqtasiga yaqinida egilish kuchi sezilarli darajada \(40~\text {MPa}\) gacha kamayadi.
Olingan natijalar murakkab modulyatsiyalangan lazerli ishlov berish yordamida materiallarning mikrotuzilmasini boshqarish usulini taklif qiladi va impulsli SLM texnikasining yangi modifikatsiyalarini yaratish uchun asos bo'lib xizmat qilishi mumkin.
Liu, Y. va boshqalar. Lazerli selektiv eritish orqali in situ TiB2/AlSi10Mg kompozitlarining mikrostrukturaviy evolyutsiyasi va mexanik xususiyatlari [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. va boshqalar. 316L zanglamaydigan po'latni lazer bilan selektiv eritishning don chegaralarini qayta kristallashtirish muhandisligi [J]. Alma Mater jurnali. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. va Qiu, C. Lazer bilan eritilgan titan qotishmalarini lazer bilan qayta isitish orqali kuchaytirilgan egiluvchanlikka ega sendvich mikrotuzilmalarini joyida ishlab chiqish. fan. Rep. 10, 15870. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. va boshqalar. Ti-6Al-4V qismlarini lazerli metall cho'ktirish (LMD) orqali qo'shimcha ishlab chiqarish: jarayon, mikrotuzilma va mexanik xususiyatlar. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. va boshqalar. 718 qotishmasining lazer metall kukuni yo'naltirilgan energiya cho'kmasining mikrostrukturaviy modellashtirish. Ishlab chiqarishga qo'shish.25, 357–364. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. va boshqalar. Lazer zarbasi bilan ishlov berilgan qo'shimcha ravishda ishlab chiqarilgan namunalarning parametrik neytron Bragg qirralarini tasvirlash bo'yicha tadqiqoti. ​​science.Rep. 11, 14919. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. va boshqalar. Elektron nurlarini eritish orqali qo'shimcha ravishda ishlab chiqarilgan Ti-6Al-4V ning gradient mikrotuzilishi va mexanik xususiyatlari. Alma Mater Journal.97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).