Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Bài báo đề xuất một cơ chế mới dựa trên phương pháp nung chảy laser chọn lọc để kiểm soát cấu trúc vi mô của sản phẩm trong quá trình sản xuất. Cơ chế này dựa trên việc tạo ra sóng siêu âm cường độ cao trong vùng nóng chảy bằng cách chiếu xạ laser điều biến cường độ phức tạp. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy cơ chế điều khiển này khả thi về mặt kỹ thuật và có thể được tích hợp hiệu quả vào thiết kế của các máy nung chảy laser chọn lọc hiện đại.
Sản xuất bồi đắp (AM) các bộ phận có hình dạng phức tạp đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, bất chấp sự đa dạng của các quy trình sản xuất bồi đắp, bao gồm nung chảy laser chọn lọc (SLM)1,2,3, lắng đọng kim loại laser trực tiếp4,5,6, nung chảy chùm tia điện tử7,8 và các quy trình khác9,10, các bộ phận vẫn có thể bị lỗi. Điều này chủ yếu là do đặc điểm riêng của quá trình đông đặc bể nóng chảy liên quan đến độ dốc nhiệt cao, tốc độ làm nguội cao và sự phức tạp của chu kỳ gia nhiệt trong quá trình nóng chảy và tái nóng chảy vật liệu11, dẫn đến sự phát triển hạt ngoại vi và độ xốp đáng kể12,13. Kết quả cho thấy, cần phải kiểm soát độ dốc nhiệt, tốc độ làm nguội và thành phần hợp kim, hoặc áp dụng thêm các tác động vật lý thông qua các trường bên ngoài có tính chất khác nhau (ví dụ: siêu âm) để đạt được cấu trúc hạt đẳng trục mịn.
Nhiều ấn phẩm đề cập đến ảnh hưởng của xử lý rung động lên quá trình đông đặc trong các quy trình đúc thông thường14,15. Tuy nhiên, việc áp dụng trường ngoài vào khối nóng chảy không tạo ra cấu trúc vi mô vật liệu mong muốn. Nếu thể tích pha lỏng nhỏ, tình hình sẽ thay đổi đáng kể. Trong trường hợp này, trường ngoài ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đông đặc. Các hiệu ứng điện từ đã được xem xét trong các trường âm thanh mạnh16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, khuấy hồ quang28 và dao động29, hồ quang plasma xung30,31 và các phương pháp khác32. Gắn vào chất nền bằng cách sử dụng nguồn siêu âm cường độ cao bên ngoài (ở tần số 20 kHz). Sự tinh luyện hạt do siêu âm gây ra được cho là do vùng làm lạnh thành phần tăng lên do giảm độ dốc nhiệt độ và sự tăng cường siêu âm để tạo ra các tinh thể mới thông qua hiện tượng xâm thực.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã khảo sát khả năng thay đổi cấu trúc hạt của thép không gỉ austenit bằng cách siêu âm hóa vùng nóng chảy bằng sóng âm do chính laser nóng chảy tạo ra. Sự điều biến cường độ bức xạ laser chiếu vào môi trường hấp thụ ánh sáng dẫn đến việc tạo ra sóng siêu âm, làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu. Sự điều biến cường độ bức xạ laser này có thể dễ dàng tích hợp vào các máy in 3D SLM hiện có. Các thí nghiệm trong nghiên cứu này được thực hiện trên các tấm thép không gỉ có bề mặt được chiếu xạ laser điều biến cường độ. Vì vậy, về mặt kỹ thuật, việc xử lý bề mặt bằng laser đã được thực hiện. Tuy nhiên, nếu việc xử lý laser như vậy được thực hiện trên bề mặt của từng lớp, trong quá trình xây dựng từng lớp, thì hiệu quả sẽ đạt được trên toàn bộ thể tích hoặc trên các phần được chọn của thể tích. Nói cách khác, nếu chi tiết được xây dựng từng lớp, thì việc xử lý bề mặt bằng laser của mỗi lớp tương đương với "xử lý thể tích bằng laser".
Trong khi ở phương pháp trị liệu siêu âm dựa trên còi siêu âm, năng lượng siêu âm của sóng âm đứng được phân bố khắp chi tiết, thì cường độ siêu âm do laser tạo ra lại tập trung cao độ gần điểm hấp thụ bức xạ laser. Việc sử dụng đầu dò siêu âm trong máy hàn nóng chảy bột SLM phức tạp hơn vì bề mặt trên cùng của lớp bột tiếp xúc với bức xạ laser phải giữ nguyên vị trí. Ngoài ra, không có ứng suất cơ học trên bề mặt trên cùng của chi tiết. Do đó, ứng suất âm thanh gần bằng không và vận tốc hạt đạt biên độ cực đại trên toàn bộ bề mặt trên cùng của chi tiết. Áp suất âm thanh bên trong toàn bộ vũng nóng chảy không thể vượt quá 0,1% áp suất cực đại do đầu hàn tạo ra, vì bước sóng của sóng siêu âm có tần số 20 kHz trong thép không gỉ là khoảng 0,3 µm, và độ sâu thường nhỏ hơn khoảng 0,3 µm. Vì vậy, tác dụng của siêu âm lên hiện tượng xâm thực có thể nhỏ.
Cần lưu ý rằng việc sử dụng bức xạ laser điều biến cường độ trong quá trình lắng đọng kim loại trực tiếp bằng laser là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm35,36,37,38.
Hiệu ứng nhiệt của bức xạ laser chiếu vào môi trường là cơ sở cho hầu hết các kỹ thuật laser 39, 40 để gia công vật liệu, chẳng hạn như cắt 41, hàn, tôi cứng, khoan 42, làm sạch bề mặt, hợp kim hóa bề mặt, đánh bóng bề mặt 43, v.v. Việc phát minh ra laser đã thúc đẩy những phát triển mới trong các kỹ thuật gia công vật liệu, và các kết quả sơ bộ đã được tổng kết trong nhiều bài đánh giá và chuyên khảo 44, 45, 46.
Cần lưu ý rằng bất kỳ tác động không ổn định nào lên môi trường, bao gồm cả tác động laser lên môi trường hấp thụ, đều dẫn đến sự kích thích sóng âm trong đó với hiệu quả ít nhiều. Ban đầu, trọng tâm chính là sự kích thích sóng bằng laser trong chất lỏng và các cơ chế kích thích nhiệt khác nhau của âm thanh (giãn nở nhiệt, bay hơi, thay đổi thể tích trong quá trình chuyển pha, co lại, v.v.) 47, 48, 49. Nhiều chuyên khảo 50, 51, 52 cung cấp các phân tích lý thuyết về quá trình này và các ứng dụng thực tiễn có thể có của nó.
Những vấn đề này sau đó đã được thảo luận tại nhiều hội nghị khác nhau, và việc kích thích siêu âm bằng laser có ứng dụng trong cả các ứng dụng công nghiệp của công nghệ laser53 và y học54. Do đó, có thể coi rằng khái niệm cơ bản về quá trình ánh sáng laser xung tác động lên môi trường hấp thụ đã được thiết lập. Kiểm tra siêu âm bằng laser được sử dụng để phát hiện khuyết tật của các mẫu được sản xuất bằng SLM55,56.
Tác động của sóng xung kích do laser tạo ra lên vật liệu là cơ sở của phương pháp bắn phá bằng xung kích laser57,58,59, phương pháp này cũng được sử dụng để xử lý bề mặt các bộ phận được sản xuất bằng phương pháp in 3D60. Tuy nhiên, việc tăng cường độ bền bằng xung kích laser hiệu quả nhất trên các xung laser nano giây và các bề mặt chịu tải cơ học (ví dụ: với một lớp chất lỏng)59 vì tải trọng cơ học làm tăng áp suất đỉnh.
Các thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu các tác động có thể có của các trường vật lý khác nhau lên cấu trúc vi mô của vật liệu đông đặc. Sơ đồ chức năng của thiết lập thí nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Một laser trạng thái rắn Nd:YAG xung hoạt động ở chế độ tự do (thời lượng xung \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) đã được sử dụng. Mỗi xung laser được truyền qua một loạt các bộ lọc mật độ trung tính và một hệ thống tấm chia chùm tia. Tùy thuộc vào sự kết hợp của các bộ lọc mật độ trung tính, năng lượng xung trên mục tiêu thay đổi từ \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) đến \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Chùm tia laser phản xạ từ bộ chia chùm tia được đưa đến một điốt quang để thu thập dữ liệu đồng thời, và hai nhiệt lượng kế (điốt quang có thời gian đáp ứng dài hơn \(1~\text {ms}\)) được sử dụng để xác định bức xạ tới và phản xạ từ mục tiêu, và hai máy đo công suất (điốt quang có thời gian đáp ứng ngắn) lần (<10 ns) để xác định công suất quang học tới và phản xạ. Các nhiệt lượng kế và máy đo công suất được hiệu chuẩn để cho ra các giá trị theo đơn vị tuyệt đối bằng cách sử dụng đầu dò nhiệt điện trở Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 và một gương điện môi được gắn tại vị trí mẫu. Tập trung chùm tia vào mục tiêu bằng cách sử dụng một thấu kính (lớp phủ chống phản xạ ở 1,06 μm), tiêu cự 160 mm) và đường kính chùm tia tại bề mặt mục tiêu là 60–100 μm.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết lập thí nghiệm: 1—laser; 2—tia laser; 3—bộ lọc mật độ trung tính; 4—điốt quang đồng bộ; 5—bộ chia tia; 6—màng chắn; 7—nhiệt lượng kế tia tới; 8—nhiệt lượng kế tia phản xạ; 9—máy đo công suất tia tới; 10—máy đo công suất tia phản xạ; 11—thấu kính hội tụ; 12—gương; 13—mẫu vật; 14—bộ chuyển đổi áp điện băng thông rộng; 15—bộ chuyển đổi 2D; 16—bộ vi điều khiển định vị; 17—bộ đồng bộ hóa; 18—hệ thống thu thập dữ liệu số đa kênh với tốc độ lấy mẫu khác nhau; 19—máy tính cá nhân.
Quá trình xử lý bằng siêu âm được thực hiện như sau: Laser hoạt động ở chế độ tự do; do đó, thời lượng của xung laser là \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), bao gồm nhiều khoảng thời gian xấp xỉ \(1,5~\upmu \text {s } \) mỗi khoảng. Hình dạng thời gian của xung laser và phổ của nó bao gồm một bao tần số thấp và một điều chế tần số cao, với tần số trung bình khoảng \(0,7~\text {MHz}\), như thể hiện trong Hình 2. Bao tần số cung cấp nhiệt và sau đó là sự nóng chảy và bay hơi của vật liệu, trong khi thành phần tần số cao cung cấp các dao động siêu âm do hiệu ứng quang âm. Dạng sóng của xung siêu âm do laser tạo ra chủ yếu được xác định bởi hình dạng thời gian của cường độ xung laser. Dải tần từ \(7~\text {kHz}\) đến \ (2~\text {MHz}\), và tần số trung tâm là \(~ 0,7~\text {MHz}\). Các xung âm do hiệu ứng quang âm được ghi lại bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi áp điện băng thông rộng làm bằng màng polyvinylidene fluoride. Dạng sóng được ghi lại và phổ của nó được thể hiện trong Hình 2. Cần lưu ý rằng hình dạng của các xung laser là điển hình của một laser hoạt động ở chế độ tự do.
Phân bố theo thời gian của cường độ xung laser (a) và tốc độ âm thanh tại bề mặt phía sau của mẫu (b), phổ của xung laser (c) và xung siêu âm (d) được lấy trung bình trên 300 xung laser (đường cong màu đỏ) cho một xung laser đơn lẻ (đường cong màu xanh).
Chúng ta có thể phân biệt rõ ràng các thành phần tần số thấp và tần số cao của quá trình xử lý âm thanh tương ứng với bao tần số thấp của xung laser và điều chế tần số cao. Bước sóng của sóng âm được tạo ra bởi bao xung laser vượt quá \(40~\text {cm}\); do đó, tác động chính của các thành phần tần số cao băng rộng của tín hiệu âm thanh lên cấu trúc vi mô được kỳ vọng sẽ xảy ra.
Các quá trình vật lý trong SLM rất phức tạp và xảy ra đồng thời trên các thang đo không gian và thời gian khác nhau. Do đó, các phương pháp đa thang đo là phù hợp nhất cho việc phân tích lý thuyết về SLM. Các mô hình toán học ban đầu nên là đa vật lý. Khi đó, cơ học và nhiệt vật lý của môi trường đa pha “chất lỏng rắn nóng chảy” tương tác với khí quyển trơ có thể được mô tả hiệu quả. Đặc điểm của tải nhiệt vật liệu trong SLM như sau.
Tốc độ gia nhiệt và làm mát lên tới \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ do chiếu xạ laser cục bộ với mật độ công suất lên tới \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Chu kỳ nóng chảy-đông đặc kéo dài từ 1 đến \(10~\text {ms}\), góp phần làm cho vùng nóng chảy đông đặc nhanh chóng trong quá trình làm nguội.
Việc nung nóng nhanh bề mặt mẫu dẫn đến sự hình thành ứng suất nhiệt đàn hồi cao trong lớp bề mặt. Một phần đáng kể (lên đến 20%) lớp bột bị bay hơi mạnh63, dẫn đến tải trọng áp suất bổ sung trên bề mặt do quá trình khắc laser. Kết quả là, biến dạng gây ra làm biến dạng đáng kể hình dạng của chi tiết, đặc biệt là gần các điểm tựa và các yếu tố cấu trúc mỏng. Tốc độ nung nóng cao trong quá trình ủ bằng laser xung dẫn đến sự hình thành sóng biến dạng siêu âm lan truyền từ bề mặt đến chất nền. Để thu được dữ liệu định lượng chính xác về phân bố ứng suất và biến dạng cục bộ, một mô phỏng vi mô của bài toán biến dạng đàn hồi kết hợp với truyền nhiệt và truyền khối được thực hiện.
Các phương trình điều khiển của mô hình bao gồm (1) các phương trình truyền nhiệt không ổn định trong đó độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào trạng thái pha (bột, nóng chảy, đa tinh thể) và nhiệt độ, (2) sự dao động trong biến dạng đàn hồi sau khi loại bỏ liên tục và phương trình giãn nở nhiệt đàn hồi. Bài toán giá trị biên được xác định bởi các điều kiện thí nghiệm. Lưu lượng laser điều biến được xác định trên bề mặt mẫu. Làm mát đối lưu bao gồm trao đổi nhiệt dẫn và lưu lượng bay hơi. Lưu lượng khối lượng được xác định dựa trên tính toán áp suất hơi bão hòa của vật liệu bay hơi. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng đàn hồi dẻo được sử dụng trong đó ứng suất nhiệt đàn hồi tỷ lệ thuận với sự khác biệt nhiệt độ. Với công suất danh nghĩa \(300~\text {W}\), tần số \(10^5~\text {Hz}\), hệ số gián đoạn 100 và \(200~\upmu \text {m}\ ) của đường kính chùm tia hiệu dụng.
Hình 3 thể hiện kết quả mô phỏng số vùng nóng chảy bằng mô hình toán học vĩ mô. Đường kính vùng nóng chảy là \(200~\upmu \text {m}\) (bán kính \(100~\upmu \text {m}\)) và độ sâu \(40~\upmu \text {m}\). Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt thay đổi cục bộ theo thời gian là \(100~\text {K}\) do hệ số gián đoạn cao của điều chế xung. Tốc độ gia nhiệt \(V_h\) và làm mát \(V_c\) lần lượt vào khoảng \(10^7\) và \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Những giá trị này phù hợp tốt với phân tích trước đây của chúng tôi64. Sự khác biệt về bậc độ lớn giữa \(V_h\) và \(V_c\) dẫn đến hiện tượng quá nhiệt nhanh chóng của lớp bề mặt, nơi dẫn nhiệt đến chất nền không đủ để loại bỏ nhiệt. Do đó, tại \(t=26~\upmu \text {s}\) nhiệt độ bề mặt đạt đỉnh cao tới \(4800~\text {K}\). Sự bay hơi mạnh của vật liệu có thể khiến bề mặt mẫu chịu áp suất quá lớn và bị bong tróc.
Kết quả mô phỏng số vùng nóng chảy của quá trình ủ bằng xung laser đơn trên tấm mẫu 316L. Thời gian từ khi bắt đầu xung đến khi độ sâu của vũng nóng chảy đạt giá trị cực đại là \(180~\upmu\text {s}\). Đường đẳng nhiệt\(T = T_L\ = 1723~\text {K}\) biểu thị ranh giới giữa pha lỏng và pha rắn. Các đường đẳng áp (đường màu vàng) tương ứng với ứng suất chảy được tính toán theo hàm nhiệt độ trong phần tiếp theo. Do đó, trong vùng giữa hai đường đẳng nhiệt (đường đẳng nhiệt\(T=T_L\) và đường đẳng áp\(\sigma =\sigma _V(T)\)), pha rắn chịu tải trọng cơ học mạnh, có thể dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc vi mô.
Hiệu ứng này được giải thích rõ hơn trong Hình 4a, trong đó mức áp suất trong vùng nóng chảy được biểu diễn theo thời gian và khoảng cách từ bề mặt. Thứ nhất, hành vi áp suất có liên quan đến sự điều chỉnh cường độ xung laser được mô tả trong Hình 2 ở trên. Áp suất cực đại (khoảng 10 MPa) được quan sát thấy ở khoảng (t=26 μm). Thứ hai, sự dao động của áp suất cục bộ tại điểm điều khiển có cùng đặc điểm dao động với tần số 500 kHz. Điều này có nghĩa là sóng áp suất siêu âm được tạo ra trên bề mặt và sau đó lan truyền vào chất nền.
Các đặc tính được tính toán của vùng biến dạng gần vùng nóng chảy được thể hiện trong Hình 4b. Sự ăn mòn bằng laser và ứng suất nhiệt đàn hồi tạo ra sóng biến dạng đàn hồi lan truyền vào chất nền. Như có thể thấy từ hình, có hai giai đoạn tạo ứng suất. Trong giai đoạn đầu tiên (t < 40 μs), ứng suất Mises tăng lên đến 8 MPa với sự điều chỉnh tương tự như áp suất bề mặt. Ứng suất này xảy ra do sự ăn mòn bằng laser, và không quan sát thấy ứng suất nhiệt đàn hồi tại các điểm điều khiển vì vùng ảnh hưởng nhiệt ban đầu quá nhỏ. Khi nhiệt được tản vào chất nền, điểm điều khiển tạo ra ứng suất nhiệt đàn hồi cao trên 40 MPa.
Mức độ ứng suất điều biến thu được có tác động đáng kể đến giao diện rắn-lỏng và có thể là cơ chế điều khiển chi phối quá trình đông đặc. Kích thước vùng biến dạng lớn hơn vùng nóng chảy từ 2 đến 3 lần. Như thể hiện trong Hình 3, vị trí của đường đẳng nhiệt nóng chảy và mức độ ứng suất bằng với ứng suất chảy được so sánh. Điều này có nghĩa là chiếu xạ laser xung cung cấp tải trọng cơ học cao trong các khu vực cục bộ với đường kính hiệu dụng từ 300 đến 800 μm tùy thuộc vào thời điểm tức thời.
Do đó, sự điều biến phức tạp của quá trình ủ bằng laser xung dẫn đến hiệu ứng siêu âm. Đường dẫn lựa chọn cấu trúc vi mô khác biệt so với SLM không có tải siêu âm. Các vùng không ổn định bị biến dạng dẫn đến các chu kỳ nén và kéo giãn định kỳ trong pha rắn. Do đó, việc hình thành các ranh giới hạt và ranh giới tiểu hạt mới trở nên khả thi. Vì vậy, các đặc tính cấu trúc vi mô có thể được thay đổi một cách có chủ ý, như được trình bày bên dưới. Các kết luận thu được cung cấp khả năng thiết kế một nguyên mẫu SLM điều khiển bằng siêu âm được tạo ra bởi sự điều biến xung. Trong trường hợp này, cuộn cảm áp điện 26 được sử dụng ở nơi khác có thể được loại bỏ.
(a) Áp suất theo thời gian, được tính toán ở các khoảng cách khác nhau từ bề mặt là 0, 20 và \(40~\upmu \text {m}\) dọc theo trục đối xứng. (b) Ứng suất Von Mises phụ thuộc thời gian được tính toán trong ma trận rắn ở các khoảng cách 70, 120 và \(170~\upmu \text {m}\) từ bề mặt mẫu.
Các thí nghiệm được thực hiện trên các tấm thép không gỉ AISI 321H có kích thước \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Sau mỗi xung laser, tấm thép di chuyển \(50~\upmu \text {m}\), và đường kính chùm tia laser trên bề mặt mục tiêu khoảng \(100~\upmu \text {m}\). Có tới năm lần chiếu tia liên tiếp dọc theo cùng một đường để tạo ra hiện tượng nóng chảy lại vật liệu đã xử lý nhằm tinh luyện hạt. Trong tất cả các trường hợp, vùng nóng chảy lại được siêu âm hóa, tùy thuộc vào thành phần dao động của bức xạ laser. Điều này dẫn đến sự giảm diện tích hạt trung bình hơn 5 lần. Hình 5 cho thấy cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy bằng laser thay đổi như thế nào theo số chu kỳ nóng chảy lại liên tiếp (lần chiếu).
Các đồ thị con (a, d, g, j) và (b, e, h, k) – cấu trúc vi mô của các vùng nóng chảy bằng laser, các đồ thị con (c, f, i, l) – phân bố diện tích của các hạt màu. Vùng tô bóng biểu thị các hạt được sử dụng để tính toán biểu đồ. Màu sắc tương ứng với các vùng hạt (xem thanh màu ở đầu biểu đồ). Các đồ thị con (ac) tương ứng với thép không gỉ chưa xử lý, và các đồ thị con (df), (gi), (jl) tương ứng với 1, 3 và 5 lần nóng chảy lại.
Vì năng lượng xung laser không thay đổi giữa các lần chiếu liên tiếp, độ sâu của vùng nóng chảy là như nhau. Do đó, kênh tiếp theo hoàn toàn "che phủ" kênh trước đó. Tuy nhiên, biểu đồ tần suất cho thấy diện tích hạt trung bình và trung vị giảm khi số lần chiếu tăng lên. Điều này có thể cho thấy laser tác động lên chất nền chứ không phải lên vùng nóng chảy.
Sự tinh luyện hạt có thể do quá trình làm nguội nhanh của vùng nóng chảy65. Một loạt thí nghiệm khác đã được thực hiện, trong đó bề mặt của các tấm thép không gỉ (321H và 316L) được chiếu xạ bằng tia laser sóng liên tục trong môi trường khí quyển (Hình 6) và chân không (Hình 7). Công suất laser trung bình (lần lượt là 300 W và 100 W) và độ sâu vùng nóng chảy gần với kết quả thí nghiệm của laser Nd:YAG ở chế độ hoạt động tự do. Tuy nhiên, một cấu trúc cột điển hình đã được quan sát thấy.
Cấu trúc vi mô của vùng bị nóng chảy do laser tạo ra bằng laser sóng liên tục (công suất không đổi 300 W, tốc độ quét 200 mm/s, thép không gỉ AISI 321H).
(a) Cấu trúc vi mô và (b) hình ảnh nhiễu xạ tán xạ ngược electron của vùng nóng chảy bằng laser trong chân không với laser sóng liên tục (công suất không đổi 100 W, tốc độ quét 200 mm/s, thép không gỉ AISI 316L) (khoảng 2 mbar).
Do đó, rõ ràng là sự điều biến phức tạp của cường độ xung laser có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô thu được. Chúng tôi tin rằng hiệu ứng này có bản chất cơ học và xảy ra do sự tạo ra các rung động siêu âm lan truyền từ bề mặt nóng chảy được chiếu xạ sâu vào mẫu. Kết quả tương tự đã được thu được trong 13, 26, 34, 66, 67 bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi áp điện bên ngoài và sonotrode cung cấp siêu âm cường độ cao trong các vật liệu khác nhau bao gồm hợp kim Ti-6Al-4V 26 và thép không gỉ 34. Cơ chế có thể được suy đoán như sau: Siêu âm cường độ cao có thể gây ra hiện tượng xâm thực âm thanh, như đã được chứng minh trong hình ảnh tia X synchrotron siêu nhanh tại chỗ. Sự sụp đổ của các bong bóng xâm thực lần lượt tạo ra sóng xung kích trong vật liệu nóng chảy, có áp suất phía trước đạt khoảng \(100~\text {MPa}\)69. Những sóng xung kích như vậy có thể đủ mạnh để thúc đẩy sự hình thành các hạt nhân pha rắn có kích thước tới hạn trong chất lỏng khối, phá vỡ cấu trúc hạt cột điển hình của Sản xuất bồi đắp từng lớp.
Ở đây, chúng tôi đề xuất một cơ chế khác chịu trách nhiệm cho sự biến đổi cấu trúc do siêu âm cường độ cao. Ngay sau khi đông đặc, vật liệu ở nhiệt độ cao gần điểm nóng chảy và có ứng suất chảy cực thấp. Sóng siêu âm cường độ cao có thể gây ra dòng chảy dẻo làm thay đổi cấu trúc hạt của vật liệu nóng, vừa đông đặc. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm đáng tin cậy về sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ chỉ có sẵn ở \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (xem Hình 8). Do đó, để kiểm tra giả thuyết này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng động lực học phân tử (MD) của hợp kim Fe-Cr-Ni tương tự như thép AISI 316 L để đánh giá hành vi ứng suất chảy gần điểm nóng chảy. Để tính toán ứng suất chảy, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật thư giãn ứng suất cắt MD được mô tả chi tiết trong 70, 71, 72, 73. Đối với các phép tính tương tác giữa các nguyên tử, chúng tôi đã sử dụng Mô hình Nguyên tử Nhúng (EAM) từ 74. Mô phỏng MD được thực hiện bằng mã LAMMPS 75, 76. Chi tiết về mô phỏng MD sẽ được công bố ở nơi khác. Kết quả tính toán ứng suất chảy dẻo theo hàm nhiệt độ được thể hiện trong Hình 8 cùng với dữ liệu thực nghiệm có sẵn và các đánh giá khác77,78,79,80,81,82.
Ứng suất chảy của thép không gỉ Austenit cấp AISI 316 và thành phần mô hình so với nhiệt độ cho các mô phỏng MD. Các phép đo thực nghiệm từ các tài liệu tham khảo: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f) 82 là một mô hình thực nghiệm về sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ đối với phép đo ứng suất trực tuyến trong quá trình sản xuất bồi đắp hỗ trợ laser. Kết quả của các mô phỏng MD quy mô lớn trong nghiên cứu này được ký hiệu là \(\vartriangleleft\) đối với tinh thể đơn vô hạn không có khuyết tật và \(\vartriangleright\) đối với các hạt hữu hạn có tính đến kích thước hạt trung bình thông qua mối quan hệ Hall-Petch Kích thước\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Có thể thấy rằng ở \(T>1500~\text {K}\), ứng suất chảy giảm xuống dưới \(40~\text {MPa}\). Mặt khác, các ước tính dự đoán rằng biên độ siêu âm do laser tạo ra vượt quá \(40~\text {MPa}\) (xem Hình 4b), đủ để gây ra biến dạng dẻo trong vật liệu nóng vừa đông đặc.
Quá trình hình thành cấu trúc vi mô của thép không gỉ austenit 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) trong quá trình SLM đã được nghiên cứu thực nghiệm bằng cách sử dụng nguồn laser xung điều biến cường độ phức tạp.
Hiện tượng giảm kích thước hạt trong vùng nóng chảy bằng laser được phát hiện là do quá trình nóng chảy lại liên tục bằng laser sau 1, 3 hoặc 5 lần chiếu.
Mô hình vĩ mô cho thấy kích thước ước tính của vùng mà biến dạng siêu âm có thể tác động tích cực đến mặt trận đông đặc lên tới \(1~\text {mm}\).
Mô hình MD vi mô cho thấy độ bền chảy của thép không gỉ austenit AISI 316 giảm đáng kể xuống còn \(40~\text {MPa}\) gần điểm nóng chảy.
Các kết quả thu được cho thấy một phương pháp kiểm soát cấu trúc vi mô của vật liệu bằng cách sử dụng xử lý laser điều biến phức tạp và có thể làm cơ sở để tạo ra các cải tiến mới cho kỹ thuật SLM xung.
Liu, Y. và cộng sự. Sự tiến hóa vi cấu trúc và tính chất cơ học của vật liệu composite TiB2/AlSi10Mg tại chỗ bằng phương pháp nóng chảy chọn lọc bằng laser [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Kỹ thuật tái kết tinh ranh giới hạt của quá trình nóng chảy chọn lọc bằng laser đối với thép không gỉ 316L [J]. Tạp chí Vật liệu Alma. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Phát triển tại chỗ cấu trúc vi mô dạng sandwich với độ dẻo được tăng cường bằng cách nung nóng lại bằng laser hợp kim titan nóng chảy bằng laser.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. và cộng sự. Chế tạo bồi đắp các bộ phận Ti-6Al-4V bằng phương pháp lắng đọng kim loại laser (LMD): quy trình, cấu trúc vi mô và tính chất cơ học. J. Alloys.compound. 804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. và cộng sự. Mô hình cấu trúc vi mô của quá trình lắng đọng năng lượng định hướng bột kim loại bằng laser của hợp kim 718. Add to.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Nghiên cứu hình ảnh cạnh Bragg neutron tham số của các mẫu được sản xuất bằng phương pháp in 3D được xử lý bằng xung kích laser.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. và cộng sự. Cấu trúc vi mô gradient và tính chất cơ học của hợp kim Ti-6Al-4V được chế tạo bằng phương pháp nung chảy chùm tia điện tử. Tạp chí Alma Mater. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).