02
Utvalda figurer och text
1. Introduktion: Smärtpunkterna vid traditionell lasertillverkning och uppkomsten av UVA-LM
Traditionell lasertillverkning står inför tre kärnproblem:
Betydande termiska defekter
Extrema temperaturgradienter och snabb stelning leder lätt till elementär segregation, bildandet av spröda intermetalliska föreningar, sprickor och kvarvarande spänningar;
Icke-enhetlig mikrostruktur
Vid bearbetning av avancerade material som hög-entropilegeringar (HEA) och eldfasta legeringar är o-enhetliga mikrostrukturer som domineras av kolumnformiga korn benägna att uppstå, vilket påverkar prestandastabiliteten;
Låg processeffektivitet
Dålig flytbarhet i smältbassängen leder till ojämn partikelfördelning (t.ex. divergens i pulverströmmen i riktad energiavsättning).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) med lasern använder den en "akustisk strömning + kavitation" dubbel mekanism för att kontrollera smältbassängens beteende och uppnå synergistisk förbättring av tillverkningsprestanda (Figur 1).
2. Ultrasonic Vibration-Assisted Laser Additive Manufacturing (UVA-AM)
UVA-AM används främst för laserpulverbäddfusion (LPBF) och riktad energideposition (DED), med huvudmålet att ta itu med frågorna om "anisotropi" och "metallurgiska defekter" i additiv tillverkning.
2.1 Processdesign: Hur uppnår man exakt koppling av ultraljud och additiv tillverkning?
UVA-LPBF-system
(Figur 4): En 40 kHz högfrekvent vibration genereras av en piezoelektrisk keramisk givare och överförs till substratet via en amplitudtransformator, vilket uppnår synkronisering av laserskanning och ultraljudsvibrationer (ultraljudseffekten är justerbar, typisk amplitud är 20 μm);
UVA-DED-system
(Figur 6): Pulverjetbanan styrs av ultraljudsvibrationer, vilket skapar en "ultrasound-partikelkopplingsmodell" (prediktionsnoggrannhet 97,7 %), vilket minskar pulverspridningsvinkeln från 15,3 grader till 14,1 grader och förbättrar fördelningens enhetlighet med 11,5 %.
2.2 Prestandaförbättring: Dubbel optimering av mikrostruktur och mekaniska egenskaper
Kornförfining
Om man tar GH5188 hög-temperaturlegering som ett exempel (Figur 7), kan UVA-LPBF minska den genomsnittliga kornstorleken från 80,91 μm till 53,02 μm, och {001} texturintensiteten från 10,37 MUD (Multiple Orientation Reducing MUD, Multiple Orientation)6 signifikant reducerande MUD (Multiple Orientation)6. mekanisk anisotropi;
Förbättrade mekaniska egenskaper
Mikrohårdhet: Den genomsnittliga hårdheten för GH5188-legeringen ökade med 4,49 % efter ultraljudshjälp (287,7 HV → 300,6 HV);
Dragegenskaper: Efter UVA-DED-behandling ökade töjningen av 1Cr12Ni3MoVN-legeringen med 53,8 % och produkten av hållfasthet och töjning (PSE) ökade med 52,9 % (Figur 13);
Defektundertryckning
I Inconel 718/Ti6Al4V-kompositmaterial kan ultraljudsassistans minska innehållet av Ti₂Ni-intermetalliska föreningar med 48,3 % och gallerfelanpassningen från 12,7 % till 7,4 % (Figur 9).
3. Ultraljudsvibration-Assisterad laserbeklädnad (UVA-LC)
Laserbeklädnad (LC) är en kärnteknik för ytförstärkning, men traditionell LC är utsatt för "ojämn fördelning av förstärkningsfaser" och "sprickbildning". UVA-LC, genom ultraljudskontroll, uppnår en dubbel förbättring av både "hårdhet och slitstyrka" hos beklädnadslagret.
3.1 Apparatdesign: Resonansmatchning av ultraljudssystemet
UVA-LC-systemet måste uppfylla resonansmatchningen för "ultraljudssystemet - substrat - smält pool" (figur 15, 16):
Ultraljudsfrekvens: Typiskt 20 kHz, längden på ultraljudsamplitudtransformatorn optimeras genom modal analys (115-130 mm) för att säkerställa effektiv överföring av vibrationsenergi till den smälta poolen;
Substratdesign: En "halv-våglängdsstruktur" används (Figur 16) och finita elementsimulering (ANSYS) används för att säkerställa att substratets resonansfrekvens matchar ultraljudsfrekvensen (fel < 1%).
