02
Vybrané obrázky a text
1. Úvod: Bolest tradiční laserové výroby a zrod UVA-LM
Tradiční laserová výroba čelí třem hlavním problémům:
Výrazné tepelné vady
Extrémní teplotní gradienty a rychlé tuhnutí snadno vedou k elementární segregaci, tvorbě křehkých intermetalických sloučenin, trhlinám a zbytkovému napětí;
Nejednotná mikrostruktura
Při zpracování pokročilých materiálů, jako jsou slitiny s vysokou -entropií (HEA) a žáruvzdorné slitiny, se mohou vyskytovat-nestejnorodé mikrostruktury, kterým dominují sloupcová zrna, což ovlivňuje stabilitu výkonu;
Nízká efektivita procesu
Špatná tekutost lázně taveniny vede k nerovnoměrnému rozložení částic (např. divergence proudu prášku při usměrněném ukládání energie).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) s laserem využívá duální mechanismus „akustické proudění + kavitace“ pro řízení chování lázně taveniny a dosažení synergického zlepšení výrobní výkonnosti (obrázek 1).
2. Ultrazvukové vibrace-Asistovaná laserová aditivní výroba (UVA-AM)
UVA-AM se primárně používá pro laserovou práškovou fúzi (LPBF) a řízenou energetickou depozici (DED), s hlavním cílem řešit problémy „anizotropie“ a „metalurgických defektů“ v aditivní výrobě.
2.1 Návrh procesu: Jak dosáhnout přesného spojení ultrazvukové a aditivní výroby?
Systém UVA-LPBF
(Obrázek 4): Vysokofrekvenční vibrace 40 kHz-je generována piezoelektrickým keramickým měničem a přenášena na substrát přes amplitudový transformátor, čímž se dosahuje synchronizace laserového skenování a ultrazvukových vibrací (ultrazvukový výkon je nastavitelný, typická amplituda je 20 μm);
Systém UVA-DED
(Obrázek 6): Trajektorie paprsku prášku je řízena ultrazvukovými vibracemi, což vytváří „ultrazvukový-model vazby částic“ (přesnost předpovědi 97,7 %), snižuje úhel rozptylu prášku z 15,3 stupně na 14,1 stupně a zlepšuje rovnoměrnost distribuce o 11,5 %.
2.2 Zlepšení výkonu: Duální optimalizace mikrostruktury a mechanických vlastností
Zjemnění zrna
Vezmeme-li jako příklad vysokoteplotní slitinu GH5188- (obrázek 7), UVA-LPBF může snížit průměrnou velikost zrna z 80,91 μm na 53,02 μm a {001} intenzitu textury z 10,37 MUD (Multiple Mechanical Orientation Distribution Units;6 anisotropní jednotky;6 anis7otropní jednotky)
Vylepšené mechanické vlastnosti
Mikrotvrdost: Průměrná tvrdost slitiny GH5188 se po ultrazvukové asistenci zvýšila o 4,49 % (287,7 HV → 300,6 HV);
Tahové vlastnosti: Po úpravě UVA-DED se prodloužení slitiny 1Cr12Ni3MoVN zvýšilo o 53,8 % a součin pevnosti a prodloužení (PSE) se zvýšil o 52,9 % (obrázek 13);
Potlačení defektů
V kompozitním materiálu Inconel 718/Ti6Al4V může ultrazvuková pomoc snížit obsah intermetalických sloučenin Ti2Ni o 48,3 % a nesoulad mřížky z 12,7 % na 7,4 % (obrázek 9).
3. Ultrazvukové vibrace-Asistované laserové plátování (UVA-LC)
Laserové obložení (LC) je základní technologií pro zpevnění povrchu, ale tradiční LC je náchylné k „nerovnoměrnému rozložení fází zpevňování“ a „praskání“. UVA-LC prostřednictvím ultrazvukového ovládání dosahuje dvojího zlepšení „tvrdosti a odolnosti proti opotřebení“ obkladové vrstvy.
3.1 Konstrukce přístroje: Rezonanční přizpůsobení ultrazvukového systému
Systém UVA-LC musí splňovat rezonanční přizpůsobení "ultrazvukového systému - substrátu - roztavené lázně" (obrázky 15, 16):
Ultrazvuková frekvence: Typicky 20 kHz, délka ultrazvukového amplitudového transformátoru je optimalizována pomocí modální analýzy (115-130 mm), aby byl zajištěn účinný přenos vibrační energie do roztavené lázně;
Návrh substrátu: Je přijata "struktura poloviční {0}vlnové délky" (obrázek 16) a je použita simulace konečných prvků (ANSYS), aby bylo zajištěno, že frekvence rezonance substrátu odpovídá ultrazvukové frekvenci (chyba < 1 %).
