02
Figures i text seleccionats
1. Introducció: els punts dolorosos de la fabricació tradicional de làser i el naixement de la UVA-LM
La fabricació tradicional làser s'enfronta a tres problemes bàsics:
Defectes tèrmics importants
Els gradients de temperatura extrems i la solidificació ràpida condueixen fàcilment a la segregació elemental, la formació de compostos intermetàl·lics fràgils, esquerdes i tensió residual;
Microestructura no-uniforme
En el processament de materials avançats com ara aliatges d'alta{0}}entropia (HEA) i aliatges refractaris, són propenses a produir-se microestructures no-uniformes dominades per grans columnars, que afecten l'estabilitat del rendiment;
Baixa eficiència del procés
La fluïdesa deficient de la piscina de fosa condueix a una distribució desigual de partícules (p. ex., divergència del corrent de pols en la deposició d'energia dirigida).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) amb el làser, utilitza un mecanisme dual de "transmissió acústica + cavitació" per controlar el comportament de la piscina de fusió i aconseguir una millora sinèrgica del rendiment de fabricació (figura 1).
2. Vibració ultrasònica-Fabricació d'additius làser assistit (UVA-AM)
UVA-AM s'aplica principalment a la fusió làser en llit de pols (LPBF) i a la deposició d'energia dirigida (DED), amb l'objectiu principal d'abordar els problemes d'"anisotropia" i "defectes metal·lúrgics" en la fabricació additiva.
2.1 Disseny de processos: com aconseguir un acoblament precís d'ultrasons i fabricació additiva?
Sistema UVA-LPBF
(Figura 4): un transductor ceràmic piezoelèctric genera una vibració d'alta -freqüència de 40 kHz i es transmet al substrat mitjançant un transformador d'amplitud, aconseguint la sincronització de l'exploració làser i la vibració ultrasònica (la potència ultrasònica és ajustable, l'amplitud típica és de 20 μm);
Sistema UVA-DED
(Figura 6): la trajectòria del raig de pols està controlada per vibració ultrasònica, establint un "model d'acoblament de partícules d'ultrasò-" (precisió de predicció del 97,7%), reduint l'angle de dispersió de la pols de 15,3 graus a 14,1 graus i millorant la uniformitat de distribució en un 11,5%.
2.2 Millora del rendiment: optimització dual de microestructura i propietats mecàniques
Refinament de gra
Prenent com a exemple l'aliatge d'alta temperatura -GH5188 (figura 7), UVA-LPBF pot reduir la mida mitjana del gra de 80,91 μm a 53,02 μm, i la intensitat de la textura de 10,37 MUD (Multiple Orientation Distribution Units) a una reducció significativa d'unitats de distribució d'orientació múltiple, mecànica i tròpica.
Propietats mecàniques millorades
Microduresa: la duresa mitjana de l'aliatge GH5188 va augmentar un 4,49% després de l'assistència per ultrasons (287,7 HV → 300,6 HV);
Propietats de tracció: després del tractament UVA-DED, l'allargament de l'aliatge 1Cr12Ni3MoVN va augmentar un 53,8% i el producte de resistència i elongació (PSE) va augmentar un 52,9% (figura 13);
Supressió de defecte
En el material compost Inconel 718/Ti6Al4V, l'assistència ultrasònica pot reduir el contingut de compostos intermetàl·lics Ti₂Ni en un 48,3% i el desajust de la gelosia del 12,7% al 7,4% (figura 9).
3. Vibració ultrasònica-Revestiment làser assistit (UVA-LC)
El revestiment làser (LC) és una tecnologia bàsica per a l'enfortiment de la superfície, però el LC tradicional és propens a una "distribució desigual de les fases d'enfortiment" i "esquerdes". UVA-LC, mitjançant el control ultrasònic, aconsegueix una doble millora tant en la "duresa com en la resistència al desgast" de la capa de revestiment.
3.1 Disseny de l'aparell: Coincidència de ressonància del sistema d'ultrasons
El sistema UVA-LC ha de satisfer la concordança de ressonància del "sistema d'ultrasons - substrat - piscina fosa" (figures 15, 16):
Freqüència ultrasònica: normalment 20 kHz, la longitud del transformador d'amplitud ultrasònic s'optimitza mitjançant l'anàlisi modal (115-130 mm) per garantir una transferència eficient d'energia de vibració a la piscina fosa;
Disseny del substrat: s'adopta una "estructura de mitja-longitud d'ona" (figura 16) i s'utilitza la simulació d'elements finits (ANSYS) per garantir que la freqüència de ressonància del substrat coincideix amb la freqüència ultrasònica (error < 1%).
