02
Geselecteerde figuren en tekst
1. Inleiding: de pijnpunten van traditionele laserproductie en de geboorte van UVA-LM
Traditionele laserproductie wordt geconfronteerd met drie kernproblemen:
Aanzienlijke thermische defecten
Extreme temperatuurgradiënten en snelle stolling leiden gemakkelijk tot elementaire segregatie, de vorming van broze intermetallische verbindingen, scheuren en restspanning;
Niet-uniforme microstructuur
Bij de verwerking van geavanceerde materialen zoals hoge-entropielegeringen (HEA's) en vuurvaste legeringen kunnen niet-uniforme microstructuren, gedomineerd door kolomvormige korrels, ontstaan, waardoor de prestatiestabiliteit wordt aangetast;
Lage procesefficiëntie
Een slechte vloeibaarheid van het smeltbad leidt tot een ongelijkmatige verdeling van de deeltjes (bijvoorbeeld divergentie van de poederstroom bij gerichte energiedepositie).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) met de laser, maakt het gebruik van een dubbel mechanisme "akoestische streaming + cavitatie" om het smeltbadgedrag te controleren en een synergetische verbetering van de productieprestaties te bereiken (Figuur 1).
2. Ultrasone trillingen-geassisteerde laseradditieve productie (UVA-AM)
UVA-AM wordt voornamelijk toegepast op laserpoederbedfusie (LPBF) en gerichte energiedepositie (DED), met als kerndoel het aanpakken van de problemen van "anisotropie" en "metallurgische defecten" bij additieve productie.
2.1 Procesontwerp: hoe kan een nauwkeurige koppeling van ultrageluid en additieve productie worden bereikt?
UVA-LPBF-systeem
(Figuur 4): Een hoogfrequente trilling van 40 kHz- wordt gegenereerd door een piëzo-elektrische keramische transducer en via een amplitudetransformator naar het substraat verzonden, waardoor synchronisatie van laserscanning en ultrasone trillingen wordt bereikt (het ultrasone vermogen is instelbaar, de typische amplitude is 20 μm);
UVA-DED-systeem
(Figuur 6): Het traject van de poederstraal wordt gecontroleerd door ultrasone trillingen, waardoor een 'ultrasound-deeltjeskoppelingsmodel' ontstaat (voorspellingsnauwkeurigheid 97,7%), waardoor de poederverspreidingshoek wordt verkleind van 15,3 graden naar 14,1 graden en de distributie-uniformiteit met 11,5% wordt verbeterd.
2.2 Prestatieverbetering: dubbele optimalisatie van microstructuur en mechanische eigenschappen
Graanverfijning
Als we de GH5188-legering voor hoge- temperaturen als voorbeeld nemen (Figuur 7), kan UVA-LPBF de gemiddelde korrelgrootte verkleinen van 80,91 μm naar 53,02 μm, en de {001} textuurintensiteit van 10,37 MUD (Multiple Orientation Distribution Units) naar 7,696 MUD, waardoor de mechanische anisotropie aanzienlijk wordt verminderd;
Verbeterde mechanische eigenschappen
Microhardheid: de gemiddelde hardheid van de GH5188-legering nam met 4,49% toe na ultrasone ondersteuning (287,7 HV → 300,6 HV);
Trekeigenschappen: na UVA-DED-behandeling nam de rek van de 1Cr12Ni3MoVN-legering toe met 53,8%, en het product van sterkte en rek (PSE) met 52,9% (Figuur 13);
Onderdrukking van defecten
In Inconel 718/Ti6Al4V-composietmateriaal kan ultrasone hulp het gehalte aan Ti₂Ni-intermetaalverbindingen met 48,3% verminderen, en de roostermismatch van 12,7% naar 7,4% (Figuur 9).
3. Ultrasone trillingen-ondersteunde lasercladden (UVA-LC)
Lasercladding (LC) is een kerntechnologie voor oppervlakteversterking, maar traditionele LC is gevoelig voor "ongelijke verdeling van versterkingsfasen" en "scheuren". UVA-LC bereikt, door middel van ultrasone controle, een dubbele verbetering in zowel de "hardheid als de slijtvastheid" van de bekledingslaag.
3.1 Apparaatontwerp: resonantiematching van het ultrasone systeem
Het UVA-LC-systeem moet voldoen aan de resonantie-matching van het "ultrasone systeem - substraat - gesmolten bad" (figuren 15, 16):
Ultrasone frequentie: Typisch 20 kHz, de lengte van de ultrasone amplitudetransformator wordt geoptimaliseerd door middel van modale analyse (115-130 mm) om een efficiënte overdracht van trillingsenergie naar het gesmolten zwembad te garanderen;
Substraatontwerp: Er wordt gebruik gemaakt van een "halve- golflengtestructuur" (Figuur 16) en eindige elementensimulatie (ANSYS) wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat de resonantiefrequentie van het substraat overeenkomt met de ultrasone frequentie (fout < 1%).
