02
Odabrane slike i tekst
1. Uvod: Bolne tačke tradicionalne laserske proizvodnje i rađanje UVA-LM
Tradicionalna proizvodnja lasera suočava se s tri ključna problema:
Značajni termički nedostaci
Ekstremni temperaturni gradijenti i brzo očvršćavanje lako dovode do segregacije elemenata, stvaranja krhkih intermetalnih spojeva, pukotina i zaostalih naprezanja;
Ne-ujednačena mikrostruktura
U obradi naprednih materijala kao što su legure visoke{0}}entropije (HEAs) i vatrostalne legure, sklone su nastanku ne-ujednačenih mikrostruktura u kojima dominiraju stupasta zrna, što utiče na stabilnost performansi;
Niska efikasnost procesa
Loša fluidnost bazena taline dovodi do neravnomjerne raspodjele čestica (npr. divergencija struje praha u usmjerenom taloženju energije).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) sa laserom, koristi dvostruki mehanizam "akustično strujanje + kavitacija" za kontrolu ponašanja bazena taline i postizanje sinergijskog poboljšanja proizvodnih performansi (Slika 1).
2. Ultrazvučna vibracija-Proizvodnja aditiva uz pomoć lasera (UVA-AM)
UVA-AM se prvenstveno primjenjuje na lasersku fuziju sloja praha (LPBF) i usmjereno taloženje energije (DED), sa osnovnim ciljem rješavanja problema "anizotropije" i "metalurških defekata" u proizvodnji aditiva.
2.1 Dizajn procesa: Kako postići precizno spajanje ultrazvuka i aditivne proizvodnje?
UVA{0}}LPBF sistem
(Slika 4): 40 kHz visoke-vibracije generira piezoelektrični keramički pretvarač i prenosi na podlogu preko amplitudnog transformatora, čime se postiže sinhronizacija laserskog skeniranja i ultrazvučne vibracije (ultrazvučna snaga je podesiva, tipična amplituda20μm);
UVA{0}}DED sistem
(Slika 6): Putanja mlaza praha se kontroliše ultrazvučnom vibracijom, uspostavljajući "ultrazvuk{1}}model spajanja čestica" (preciznost predviđanja 97,7%), smanjujući ugao disperzije praha sa 15,3 stepena na 14,1 stepen i poboljšavajući uniformnost distribucije za 11,5%.
2.2 Poboljšanje performansi: Dvostruka optimizacija mikrostrukture i mehaničkih svojstava
Rafiniranje zrna
Uzimajući GH5188 visokotemperaturnu leguru kao primjer (Slika 7), UVA-LPBF može smanjiti prosječnu veličinu zrna sa 80,91 μm na 53,02 μm, a {001} intenzitet teksture sa 10,37 MUD (Multiple Unit Orient, višestruki orijentir66) značajno smanjiti na MUD7. anizotropija;
Poboljšana mehanička svojstva
Mikrotvrdoća: Prosječna tvrdoća legure GH5188 povećana je za 4,49% nakon ultrazvučne pomoći (287,7 HV → 300,6 HV);
Zatezna svojstva: Nakon UVA-DED tretmana, izduženje legure 1Cr12Ni3MoVN povećano je za 53,8%, a proizvod čvrstoće i izduženja (PSE) povećan za 52,9% (Slika 13);
Defekt Suppression
U kompozitnom materijalu Inconel 718/Ti6Al4V, ultrazvučna pomoć može smanjiti sadržaj Ti₂Ni intermetalnih jedinjenja za 48,3%, a neusklađenost rešetke sa 12,7% na 7,4% (Slika 9).
3. Ultrazvučna vibracija-Lasersko oblaganje (UVA-LC)
Lasersko oblaganje (LC) je osnovna tehnologija za površinsko ojačavanje, ali tradicionalni LC je sklon "neravnomjernoj raspodjeli faza ojačanja" i "pucanju". UVA-LC, kroz ultrazvučnu kontrolu, postiže dvostruko poboljšanje i "tvrdoće i otpornosti na habanje" sloja obloge.
3.1 Dizajn aparata: Rezonantno usklađivanje ultrazvučnog sistema
UVA-LC sistem treba da zadovolji rezonanciju "ultrazvučnog sistema - supstrata - rastopljenog bazena" (Slike 15, 16):
Ultrazvučna frekvencija: Tipično 20 kHz, dužina ultrazvučnog amplitudnog transformatora je optimizovana kroz modalnu analizu (115-130 mm) kako bi se osigurao efikasan prenos energije vibracija u rastopljeni bazen;
Dizajn supstrata: Usvojena je "struktura polu--talasne dužine" (slika 16), a simulacija konačnih elemenata (ANSYS) se koristi kako bi se osiguralo da frekvencija rezonancije supstrata odgovara ultrazvučnoj frekvenciji (greška < 1%).
