02
Izbrane slike in besedilo
1. Uvod: Bolečine tradicionalne laserske proizvodnje in rojstvo UVA{1}}LM
Tradicionalna laserska proizvodnja se sooča s tremi ključnimi težavami:
Pomembne toplotne napake
Ekstremni temperaturni gradienti in hitro strjevanje zlahka vodijo do segregacije elementov, tvorbe krhkih intermetalnih spojin, razpok in preostale napetosti;
Ne{0}}enotna mikrostruktura
Pri obdelavi naprednih materialov, kot so visoko-entropijske zlitine (HEA) in ognjevzdržne zlitine, se lahko pojavijo ne-enotne mikrostrukture, v katerih prevladujejo stebričasta zrna, kar vpliva na stabilnost delovanja;
Nizka učinkovitost procesa
Slaba fluidnost bazena taline povzroči neenakomerno porazdelitev delcev (npr. razhajanje toka prahu pri usmerjenem odlaganju energije).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) z laserjem uporablja dvojni mehanizem "akustično pretakanje + kavitacija" za nadzor obnašanja bazena taline in doseganje sinergističnega izboljšanja proizvodne zmogljivosti (slika 1).
2. Ultrazvočna vibracija-Laserska aditivna proizvodnja (UVA-AM)
UVA-AM se uporablja predvsem za lasersko fuzijo prahu (LPBF) in usmerjeno nanašanje energije (DED), z glavnim ciljem obravnavanja vprašanj "anizotropije" in "metalurških napak" v aditivni proizvodnji.
2.1 Načrtovanje procesa: Kako doseči natančno povezavo ultrazvoka in aditivne proizvodnje?
Sistem UVA-LPBF
(Slika 4): Visokofrekvenčne-vibracije 40 kHz generira piezoelektrični keramični pretvornik in se prenašajo na podlago prek amplitudnega transformatorja, s čimer se doseže sinhronizacija laserskega skeniranja in ultrazvočnih vibracij (ultrazvočna moč je nastavljiva, tipična amplituda je 20 μm);
Sistem UVA-DED
(Slika 6): Pot praškastega curka nadzira ultrazvočna vibracija, ki vzpostavlja "ultrazvočni-model sklopitve delcev" (natančnost napovedi 97,7 %), zmanjša kot disperzije prahu s 15,3 stopinje na 14,1 stopinje in izboljša enakomernost porazdelitve za 11,5 %.
2.2 Izboljšanje zmogljivosti: dvojna optimizacija mikrostrukture in mehanskih lastnosti
Prečiščevanje zrn
Če za primer vzamemo visoko{1}}temperaturno zlitino GH5188 (slika 7), lahko UVA-LPBF zmanjša povprečno velikost zrn z 80,91 μm na 53,02 μm in {001} intenzivnost teksture z 10,37 MUD (razporeditvene enote z več orientacijami) na 7,696 MUD, kar znatno zmanjša mehansko anizotropija;
Izboljšane mehanske lastnosti
Mikrotrdota: povprečna trdota zlitine GH5188 se je po ultrazvočni pomoči povečala za 4,49 % (287,7 HV → 300,6 HV);
Natezne lastnosti: Po obdelavi z UVA-DED se je raztezek zlitine 1Cr12Ni3MoVN povečal za 53,8 %, produkt trdnosti in raztezka (PSE) pa za 52,9 % (slika 13);
Zatiranje napak
V kompozitnem materialu Inconel 718/Ti6Al4V lahko ultrazvočna pomoč zmanjša vsebnost intermetalnih spojin Ti₂Ni za 48,3 % in neusklajenost mreže z 12,7 % na 7,4 % (slika 9).
3. Ultrazvočno{1}}lasersko oplaščenje (UVA{2}}LC)
Lasersko oplaščenje (LC) je temeljna tehnologija za površinsko utrjevanje, vendar je tradicionalno LC nagnjeno k "neenakomerni porazdelitvi faz utrjevanja" in "pokanju". UVA-LC z ultrazvočnim nadzorom doseže dvojno izboljšanje v "trdoti in odpornosti proti obrabi" plasti obloge.
3.1 Zasnova aparata: Resonančno ujemanje ultrazvočnega sistema
Sistem UVA-LC mora zadostiti resonančnemu ujemanju "ultrazvočnega sistema - substrat - staljeni bazen" (sliki 15, 16):
Ultrazvočna frekvenca: Običajno 20 kHz, dolžina ultrazvočnega amplitudnega transformatorja je optimizirana z modalno analizo (115-130 mm), da se zagotovi učinkovit prenos vibracijske energije v bazen staline;
Zasnova podlage: Sprejeta je "pol{0}}struktura valovne dolžine" (slika 16) in uporabljena je simulacija končnih elementov (ANSYS), da se zagotovi, da se resonančna frekvenca podlage ujema z ultrazvočno frekvenco (napaka < 1 %).
