02
Vybrané obrázky a text
1. Úvod: Bolestivé body tradičnej laserovej výroby a zrod UVA-LM
Tradičná laserová výroba čelí trom hlavným problémom:
Výrazné tepelné poruchy
Extrémne teplotné gradienty a rýchle tuhnutie ľahko vedú k elementárnej segregácii, tvorbe krehkých intermetalických zlúčenín, trhlín a zvyškového napätia;
Nejednotná mikroštruktúra
Pri spracovaní pokročilých materiálov, ako sú zliatiny s vysokou{0}}entropiou (HEA) a žiaruvzdorné zliatiny, je náchylný na vznik-nerovnomerných mikroštruktúr, ktorým dominujú stĺpcovité zrná, čo ovplyvňuje stabilitu výkonu;
Nízka efektivita procesu
Slabá tekutosť bazénu taveniny vedie k nerovnomernej distribúcii častíc (napr. divergencia prúdu prášku pri usmernenom ukladaní energie).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) s laserom využíva duálny mechanizmus „akustické prúdenie + kavitácia“ na riadenie správania sa v kúpeli taveniny a na dosiahnutie synergického zlepšenia výrobného výkonu (obrázok 1).
2. Ultrazvukové vibrácie-Asistovaná laserová aditívna výroba (UVA-AM)
UVA-AM sa primárne používa pri fúzii laserového prášku (LPBF) a usmernenej energetickej depozícii (DED), pričom hlavným cieľom je riešiť problémy „anizotropie“ a „metalurgických defektov“ pri výrobe aditív.
2.1 Návrh procesu: Ako dosiahnuť presné spojenie výroby ultrazvuku a aditív?
Systém UVA-LPBF
(Obrázok 4): 40 kHz vysokofrekvenčné-vibrácie sú generované piezoelektrickým keramickým meničom a prenášané na substrát cez amplitúdový transformátor, čím sa dosahuje synchronizácia laserového skenovania a ultrazvukových vibrácií (ultrazvukový výkon je nastaviteľný, typická amplitúda je 20 μm);
Systém UVA-DED
(Obrázok 6): Trajektória prúdu prášku je riadená ultrazvukovými vibráciami, čím sa vytvára „ultrazvukový-model väzby častíc“ (presnosť predpovede 97,7 %), čím sa znižuje uhol rozptylu prášku z 15,3 stupňa na 14,1 stupňa a zlepšuje sa rovnomernosť distribúcie o 11,5 %.
2.2 Zlepšenie výkonu: Dvojitá optimalizácia mikroštruktúry a mechanických vlastností
Zjemnenie zrna
Ak vezmeme ako príklad vysokoteplotnú zliatinu GH5188{1}} (obrázok 7), UVA-LPBF môže znížiť priemernú veľkosť zŕn z 80,91 μm na 53,02 μm a intenzitu textúry {001} z 10,37 MUD (Multiple Mechanical Orientation Distribution Units,6UDotropic;6 anis7otrop) na M
Vylepšené mechanické vlastnosti
Mikrotvrdosť: Priemerná tvrdosť zliatiny GH5188 sa po asistencii ultrazvuku zvýšila o 4,49 % (287,7 HV → 300,6 HV);
Vlastnosti v ťahu: Po úprave UVA-DED sa predĺženie zliatiny 1Cr12Ni3MoVN zvýšilo o 53,8 % a súčin pevnosti a predĺženia (PSE) sa zvýšil o 52,9 % (obrázok 13);
Potlačenie defektov
V kompozitnom materiáli Inconel 718/Ti6Al4V môže ultrazvuková pomoc znížiť obsah intermetalických zlúčenín Ti₂Ni o 48,3 % a nesúlad mriežky z 12,7 % na 7,4 % (obrázok 9).
3. Ultrazvukové vibrácie-Asistované laserové plátovanie (UVA-LC)
Laserové opláštenie (LC) je základná technológia na spevnenie povrchu, ale tradičné LC je náchylné na „nerovnomerné rozloženie fáz spevnenia“ a „praskanie“. UVA-LC prostredníctvom ultrazvukového ovládania dosahuje dvojité zlepšenie „tvrdosti a odolnosti proti opotrebovaniu“ obkladovej vrstvy.
3.1 Návrh prístroja: Rezonančné prispôsobenie ultrazvukového systému
Systém UVA-LC musí spĺňať rezonančné prispôsobenie "ultrazvukového systému - substrátu - roztavenej nádrže" (obrázky 15, 16):
Ultrazvuková frekvencia: Typicky 20 kHz, dĺžka ultrazvukového amplitúdového transformátora je optimalizovaná prostredníctvom modálnej analýzy (115-130 mm), aby sa zabezpečil účinný prenos vibračnej energie do roztaveného kúpeľa;
Návrh substrátu: Používa sa „štruktúra polovičnej vlnovej dĺžky“ (obrázok 16) a na zabezpečenie toho, aby sa rezonančná frekvencia substrátu zhodovala s frekvenciou ultrazvuku (chyba < 1 %), sa používa simulácia konečných prvkov (ANSYS).
