01
Úvod do práce
Laserová aditívna výroba má často za následok hrubé zrná v dôsledku vysokých teplotných gradientov. Tradičný kontaktný-typ ultrazvuku dokáže zjemniť zrná, ale čelí dvom veľkým problémom: po prvé, ultrazvuková energia klesá so zvyšujúcou sa výškou tlače, čo vedie k hrubým zrnám na vrchoch veľkých komponentov; po druhé, ultrazvuk vysokej{2}}intenzity môže vyvolať kavitačné efekty, ktoré ľahko vytvárajú defekty pórov.
Výskumný tím z Northwestern Polytechnical University navrhol bez{0}}kontaktnú ultrazvukovú technológiu, ktorá integruje ultrazvukové zariadenie s tryskou a zavádza ultrazvuk cez vzduch. Táto metóda narúša tradičné presvedčenie, že „zjemnenie zŕn sa musí spoliehať na kavitáciu“, využívajúce efekty čistého akustického prúdenia na dosiahnutie rovnomerne hustých jemných rovnoosých štruktúr zŕn po celej výške veľkých vzoriek Inconel 718 a 316L, čo výrazne zlepšuje pevnosť a rieši priemyselnú výzvu nerovných mikroštruktúr vo veľkých komponentoch.
02
Prehľad
Cieľom tejto štúdie je vyriešiť problém nerovnomernej mikroštruktúry a náchylnosti na defekty vo výrobe aditív s pomocou ultrazvuku-. Výskumný tím vyvinul bez-kontaktný ultrazvukový systém, ktorý sa pohybuje spolu s laserovou hlavou a zaisťuje, že do kúpeľa taveniny sa dostáva konštantná energia pod prahom kavitácie.
Experimenty ukazujú, že tradičný kontaktný ultrazvuk zlyhá, keď výška tlače presiahne 15 mm, zatiaľ čo nová technológia zachováva rovnomerné jemné zrná vo výške 100 mm bez kavitačných defektov. Mechanistické štúdie naznačujú, že ultrazvuk s nízkou intenzitou -indukuje vysokofrekvenčné oscilačné prúdenie (akustické prúdenie) v tavenine, čo spôsobuje, že rastúce ramená dendritu podliehajú únavovému lomu a vytvárajú nové jadrá, čím sa zrná zjemňujú. Tento objav koriguje jednostranné chápanie akademickej komunity-mechanizmu zjemňovania zŕn ultrazvukom a poskytuje univerzálny a spoľahlivý nový prístup pre vysokovýkonnú-výrobu kovových prísad.
03
Ilustrovaná analýza
Obrázok 1 poskytuje priame porovnanie dvoch technických prístupov. Obrázok (a) zobrazuje bez-kontaktný režim navrhovaný v tejto štúdii, kde sa ultrazvukový menič pohybuje s dýzou, aby sa zabezpečil konštantný prísun energie; Obrázok (b) znázorňuje tradičný kontaktný režim, kde sa ultrazvuk prenáša cez substrát. Z výsledkov EBSD veľkých- vzoriek (f{5}}h) možno vidieť, že kontaktná metóda (h) zlyháva v hornej časti vzorky, pričom zrná hrubnú do stĺpcových štruktúr; zatiaľ čo bez-kontaktná metóda (f) zachováva rovnomerné jemné rovnoosé zrná po celej výške 100 mm. Okrem toho údaje o mechanickom výkone na obrázkoch (i-k) naznačujú, že bez{10}}dotyková metóda (LU) nielenže výrazne zlepšuje pevnosť, ale vykazuje aj veľmi nízky rozptyl údajov, čo dokazuje vysokú spoľahlivosť procesu.
Obrázok 2 ukazuje výhody ultrazvuku s nízkou intenzitou- pri kontrole defektov. Morfológia jednostopového plášťa na obrázku (a-i) ukazuje, že keď sa intenzita ultrazvuku zvyšuje na vysoký rozsah, stopy taveniny vykazujú výrazné vydutie, jamky a dokonca diskontinuity (i), ktoré sú spôsobené prudkým kolapsom kavitačných bublín. Naproti tomu stopy taveniny ošetrené ultrazvukom s nízkou intenzitou (b-e) majú hladké a súvislé povrchy, porovnateľné so stavom bez ultrazvuku. Výsledky CT vyšetrenia (k-p) ďalej kvantifikujú pórovitosť; Ultrazvuk vysokej{10}}intenzity vedie k nárastu pórovitosti, zatiaľ čo ultrazvuk s nízkou intenzitou{11}} použitý v tejto štúdii pórovitosť sotva zvyšuje, čím zabezpečuje vysokú hustotu vytlačených častí.
04
Zhrnutie
1. Navrhli a úspešne použili bezkontaktnú nízko{2}}ultrazvukovú-technológiu asistovanej laserovej aditívnej výroby, ktorá účinne predchádza dvom hlavným problémom tradičných kontaktných vysokointenzívnych ultrazvukových techník-nerovnomernej mikroštruktúry a vnútorných defektov-pri výrobe veľkých kovových dielov;
2. Prostredníctvom mechanistického výskumu napravili v akademickej obci tradičné jednostranné chápanie mechanizmov zjemňovania zŕn ultrazvukom, demonštrujúc čistý akustický prúdový efekt, pri ktorom vysokofrekvenčné oscilačné prúdy vyvolávajú únavové lomy dendritov, čím sa dosahuje výrazné zjemnenie zŕn a homogenizácia;
3. Táto technológia poskytuje vysoký-výkon, vysoko konzistentné všeobecné riešenie pre aditívnu výrobu rôznych kovov, ako sú Inconel 718 a 316L;
4. Výsledky výskumu sú nielen prakticky cenné v oblasti aditívnej výroby, ale poskytujú aj dôležité teoretické základy a procesné usmernenia pre ďalšie technológie spracovania zahŕňajúce tuhnutie tavby, ako je zváranie a plátovanie.
