01
Introducere hârtie
Fabricarea aditivă cu laser are adesea ca rezultat boabe grosiere din cauza gradienților de temperatură ridicat. Asistența ultrasonică tradițională de tip contact-poate rafina boabele, dar se confruntă cu două provocări majore: în primul rând, energia ultrasonică scade pe măsură ce înălțimea de imprimare crește, ceea ce duce la formarea granulelor grosiere în partea superioară a componentelor mari; în al doilea rând, ultrasunetele de mare-intensitate pot induce efecte de cavitație care creează cu ușurință defecte ale porilor.
O echipă de cercetare de la Universitatea Politehnică Northwestern a propus o tehnologie ultrasonică fără-contact, integrând dispozitivul cu ultrasunete cu duza și introducând ultrasunete printr-un mediu de aer. Această metodă încalcă credința tradițională conform căreia „rafinarea granulelor trebuie să se bazeze pe cavitație”, utilizând efecte de flux acustic pur pentru a obține structuri de granulație fină uniform dense pe toată înălțimea probelor mari de Inconel 718 și 316L, îmbunătățind semnificativ rezistența și abordând provocarea industriei de microstructuri neuniforme în componente mari.
02
Prezentare generală
Acest studiu își propune să abordeze blocajele microstructurii neuniforme și susceptibilitatea defectelor în fabricarea aditivă-asistată cu ultrasunete. Echipa de cercetare a dezvoltat un sistem ultrasonic fără-contact care se mișcă cu capul laser, asigurându-se că bazinul de topire primește o intrare constantă de energie sub pragul de cavitație.
Experimentele arată că ultrasunetele de contact tradiționale nu reușesc atunci când înălțimea de imprimare depășește 15 mm, în timp ce noua tehnologie menține granulații fine uniforme la o înălțime de 100 mm, fără defecte de cavitație. Studiile mecaniciste indică faptul că ultrasunetele de intensitate joasă-induce un flux oscilator de-frecvență înaltă (streaming acustic) în bazinul de topire, determinând ca brațele dendrite în creștere să sufere fracturi de oboseală și să formeze noi nuclei, rafinând astfel boabele. Această descoperire corectează înțelegerea unilaterală de către comunitatea academică a mecanismului de rafinare a granulelor cu ultrasunete și oferă o nouă abordare universală și fiabilă pentru fabricarea de aditivi metalici de înaltă-performanță.
03
Analiză ilustrată
Figura 1 oferă o comparație directă a celor două abordări tehnice. Figura (a) prezintă modul fără-contact propus în acest studiu, în care traductorul ultrasonic se mișcă cu duza pentru a asigura intrare constantă de energie; Figura (b) ilustrează modul de contact tradițional, în care ultrasunetele sunt transmise prin substrat. Din rezultatele EBSD ale eșantioanelor de dimensiuni mari-(f-h), se poate observa că metoda de contact (h) eșuează în partea superioară a probei, cu boabele grosieră în structuri columnare; în timp ce metoda fără-contact (f) menține granulații fine echiaxiale uniforme pe toată înălțimea de 100 mm. În plus, datele de performanță mecanică din figurile (i-k) indică faptul că metoda fără-contact (LU) nu numai că îmbunătățește semnificativ rezistența, dar arată și o dispersie foarte scăzută a datelor, demonstrând fiabilitatea ridicată a procesului.
Figura 2 evidențiază avantajele ultrasunetelor de intensitate redusă-în controlul defectelor. Morfologia învelișului cu o singură cale din figura (a-i) arată că, pe măsură ce intensitatea ultrasunetelor crește la un interval ridicat, pistele de topire prezintă bombari severe, gropi și chiar discontinuități (i), care sunt cauzate de prăbușirea violentă a bulelor de cavitație. În schimb, urmele de topire tratate cu ultrasunete de intensitate joasă{{6}(b-e) au suprafețe netede și continue, comparabile cu starea fără ultrasunete. Rezultatele scanării CT (k-p) cuantifică în continuare porozitatea; ultrasunetele de{10}}intensitate mare duce la o creștere a porozității, în timp ce ultrasunetele de-intensitate scăzută utilizate în acest studiu abia măresc porozitatea, asigurând o densitate mare a pieselor imprimate.
04
Rezumat
1. A propus și aplicat cu succes o tehnologie de fabricație aditivă cu laser fără-contact-intensitate scăzută-asistată cu ultrasunete-, evitând în mod eficient cele două probleme majore ale tehnicilor tradiționale cu ultrasunete de-intensitate ridicată-microstructurii inegale și defecte interne-la fabricarea pieselor metalice mari;
2. Prin cercetări mecaniciste, s-a corectat înțelegerea tradițională-unilaterală în mediul academic privind mecanismele de rafinare a granulelor cu ultrasunete, demonstrând efectul de streaming acustic pur, unde fluxurile oscilante de-înaltă frecvență induc ruperea prin oboseală a dendritei, realizând o rafinare și omogenizare semnificativă a granulelor;
3. Această tehnologie oferă o soluție generală de înaltă-performanță, foarte consistentă pentru fabricarea aditivă a diferitelor metale, cum ar fi Inconel 718 și 316L;
4. Rezultatele cercetării nu sunt doar practic valoroase în domeniul producției aditive, dar oferă și fundamente teoretice importante și ghiduri de proces pentru alte tehnologii de procesare care implică solidificarea bazinului topit, cum ar fi sudarea și placarea.
