02
Cifre și text selectate
1. Introducere: Punctele dureroase ale producției tradiționale de laser și nașterea UVA-LM
Fabricarea tradițională cu laser se confruntă cu trei probleme de bază:
Defecte termice semnificative
Gradienții extremi de temperatură și solidificarea rapidă duc cu ușurință la segregarea elementară, formarea de compuși intermetalici fragili, fisuri și stres rezidual;
Microstructură ne-uniformă
În prelucrarea materialelor avansate, cum ar fi aliajele cu-entropie ridicată (HEA) și aliajele refractare, microstructurile ne-uniforme dominate de granule columnare sunt predispuse să apară, afectând stabilitatea performanței;
Eficiență scăzută a procesului
Fluiditatea slabă a bazinului de topire duce la distribuția neuniformă a particulelor (de exemplu, divergența fluxului de pulbere în depunerea de energie direcționată).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) cu laser, utilizează un mecanism dublu „streaming acustic + cavitație” pentru a controla comportamentul bazinului de topire și pentru a obține o îmbunătățire sinergică a performanței de producție (Figura 1).
2. Vibrații cu ultrasunete-Producție de aditivi cu laser asistat (UVA-AM)
UVA-AM se aplică în principal fuziunii cu strat de pulbere cu laser (LPBF) și depunerii de energie direcționată (DED), cu obiectivul principal de a aborda problemele de „anizotropie” și „defecte metalurgice” în fabricarea aditivă.
2.1 Proiectarea procesului: Cum se realizează cuplarea precisă a ultrasunetelor și fabricarea aditivă?
Sistem UVA-LPBF
(Figura 4): O vibrație de înaltă-frecvență de 40 kHz este generată de un traductor ceramic piezoelectric și transmisă substratului printr-un transformator de amplitudine, realizând sincronizarea scanării laser și a vibrațiilor ultrasonice (puterea ultrasunetelor este reglabilă, amplitudinea tipică este de 20 μm);
Sistem UVA-DED
(Figura 6): Traiectoria jetului de pulbere este controlată de vibrații ultrasonice, stabilindu-se un „model de cuplare cu ultrasunete-particule” (precizia predicției 97,7%), reducând unghiul de dispersie a pulberii de la 15,3 grade la 14,1 grade și îmbunătățind uniformitatea distribuției cu 11,5%.
2.2 Îmbunătățirea performanței: Optimizarea duală a microstructurii și a proprietăților mecanice
Rafinarea cerealelor
Luând ca exemplu aliajul GH5188 pentru temperatură înaltă (Figura 7), UVA-LPBF poate reduce dimensiunea medie a granulelor de la 80,91 μm la 53,02 μm și intensitatea texturii de la 10,37 MUD (Multiple Orientation Distribution Units) la unități de distribuție cu orientare multiplă, mecanică, reducând semnificativ anio96;76.
Proprietăți mecanice îmbunătățite
Microduritate: Duritatea medie a aliajului GH5188 a crescut cu 4,49% după asistență ultrasonică (287,7 HV → 300,6 HV);
Proprietăți de întindere: După tratamentul UVA-DED, alungirea aliajului 1Cr12Ni3MoVN a crescut cu 53,8%, iar produsul de rezistență și alungire (PSE) a crescut cu 52,9% (Figura 13);
Suprimarea defectelor
În materialul compozit Inconel 718/Ti6Al4V, asistența cu ultrasunete poate reduce conținutul de compuși intermetalici Ti₂Ni cu 48,3%, iar nepotrivirea rețelei de la 12,7% la 7,4% (Figura 9).
3. Placare cu laser asistată cu vibrații cu ultrasunete-(UVA-LC)
Placarea cu laser (LC) este o tehnologie de bază pentru întărirea suprafeței, dar LC tradițională este predispusă la „distribuirea neuniformă a fazelor de întărire” și la „crapare”. UVA-LC, prin control ultrasonic, realizează o dublă îmbunătățire atât a „durității, cât și a rezistenței la uzură” a stratului de placare.
3.1 Proiectarea aparatului: potrivirea rezonanței sistemului cu ultrasunete
Sistemul UVA-LC trebuie să satisfacă potrivirea rezonanței a „sistemului cu ultrasunete - substrat - bazinului topit” (Figurile 15, 16):
Frecvența ultrasonică: De obicei 20 kHz, lungimea transformatorului de amplitudine ultrasonică este optimizată prin analiză modală (115-130 mm) pentru a asigura transferul eficient al energiei de vibrație către bazinul topit;
Proiectarea substratului: se adoptă o „structură cu jumătate-lungimi de undă” (Figura 16) și se utilizează simularea cu elemente finite (ANSYS) pentru a se asigura că frecvența de rezonanță a substratului se potrivește cu frecvența ultrasonică (eroare < 1%).
