[دانشگاه نینگبو و موسسه فناوری و مهندسی مواد نینگبو، آکادمی علوم چین - بررسی مرزی] ارتعاش اولتراسونیک + تولید لیزر: پرداختن به نقاط دردناک فرآیندهای سنتی و توانمندسازی تولید نهایی-!

02

تصاویر و متن انتخاب شده

1. مقدمه: نقاط دردناک تولید لیزر سنتی و تولد UVA-LM
تولید لیزر سنتی با سه مشکل اساسی روبرو است:

نقص حرارتی قابل توجه
گرادیان های شدید دما و انجماد سریع به راحتی منجر به جداسازی عناصر، تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده، ترک ها و تنش پسماند می شود.
ریزساختار غیریکنواخت-
در پردازش مواد پیشرفته مانند آلیاژهای آنتروپی بالا (HEAs) و آلیاژهای نسوز، ریزساختارهای غیریکنواختی که دانه‌های ستونی بر آن غالب هستند، مستعد رخ دادن هستند که بر پایداری عملکرد تأثیر می‌گذارند.
راندمان فرآیند پایین
سیالیت ضعیف حوضچه مذاب منجر به توزیع ناهموار ذرات می شود (به عنوان مثال، واگرایی جریان پودر در رسوب انرژی هدایت شده).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 کیلوهرتز) با لیزر، از مکانیزم دوگانه "جریان صوتی + کاویتاسیون" برای کنترل رفتار حوضچه مذاب و دستیابی به افزایش هم افزایی عملکرد تولید استفاده می کند (شکل 1).

2. ارتعاش اولتراسونیک-تولید افزودنی لیزر به کمک (UVA-AM)
UVA{0}}AM در درجه اول برای همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) و رسوب انرژی هدایت شده (DED) با هدف اصلی پرداختن به مسائل "ناهمسانگردی" و "نقایص متالورژیکی" در تولید مواد افزودنی استفاده می شود.

2.1 طراحی فرآیند: چگونه می توان به جفت دقیق اولتراسوند و ساخت افزودنی دست یافت؟
سیستم UVA{0}}LPBF
(شکل 4): یک ارتعاش با فرکانس بالا 40 کیلوهرتز توسط یک مبدل سرامیکی پیزوالکتریک ایجاد می شود و از طریق یک ترانسفورماتور دامنه به زیرلایه منتقل می شود و به همگام سازی اسکن لیزری و ارتعاش اولتراسونیک می رسد (قدرت اولتراسونیک قابل تنظیم است، دامنه 20 میکرومتر معمولی است).
سیستم UVA{0}}DED
(شکل 6): مسیر جت پودر با ارتعاش اولتراسونیک کنترل می شود، یک "مدل جفت ذرات اولتراسوند" (دقت پیش بینی 97.7٪) ایجاد می کند، زاویه پراکندگی پودر را از 15.3 درجه به 14.1 درجه کاهش می دهد، و یکنواختی توزیع را 11.5٪ بهبود می بخشد.

2.2 بهبود عملکرد: بهینه سازی دوگانه ریزساختار و خواص مکانیکی
پالایش غلات

با در نظر گرفتن آلیاژ دمای بالا GH5188 به عنوان مثال (شکل 7)، UVA{3}}LPBF می‌تواند اندازه دانه‌بندی متوسط را از 80.91 میکرومتر به 53.02 میکرومتر، و شدت بافت را از 10.37 MUD (جهت چندگانه به MUD69، به میزان قابل توجهی کاهش دهد) کاهش ناهمسانگردی مکانیکی؛
خواص مکانیکی پیشرفته

میکروسختی: میانگین سختی آلیاژ GH5188 پس از کمک اولتراسونیک 4.49 درصد افزایش یافت (287.7 HV → 300.6 HV).
خواص کششی: پس از درمان UVA{0}}DED، ازدیاد طول آلیاژ 1Cr12Ni3MoVN 53.8٪ افزایش یافت و محصول استحکام و ازدیاد طول (PSE) 52.9٪ افزایش یافت (شکل 13).
سرکوب نقص

در مواد کامپوزیت Inconel 718/Ti6Al4V، کمک مافوق صوت می تواند محتوای ترکیبات بین فلزی Ti2Ni را تا 48.3٪ و عدم تطابق شبکه را از 12.7٪ به 7.4٪ کاهش دهد (شکل 9).

3. ارتعاش اولتراسونیک-روکش لیزری به کمک (UVA-LC)
روکش لیزری (LC) یک فناوری اصلی برای تقویت سطح است، اما LC سنتی مستعد "توزیع ناهموار فازهای تقویت" و "ترک خوردن" است. UVA{1}}LC، از طریق کنترل اولتراسونیک، به بهبود دوگانه در "سختی و مقاومت در برابر سایش" لایه روکش دست می دهد.

3.1 طراحی دستگاه: تطبیق رزونانس سیستم اولتراسونیک
سیستم UVA-LC باید مطابقت رزونانس "سیستم اولتراسونیک - بستر - حوضچه مذاب" را برآورده کند (شکل های 15، 16):

فرکانس اولتراسونیک: به طور معمول 20 کیلوهرتز، طول ترانسفورماتور دامنه اولتراسونیک از طریق تجزیه و تحلیل مودال (115-130 میلی متر) بهینه می شود تا از انتقال کارآمد انرژی ارتعاش به حوضچه مذاب اطمینان حاصل شود.
طراحی زیرلایه: یک "ساختار نیم{0}}طول موج" اتخاذ شده است (شکل 16) و از شبیه سازی المان محدود (ANSYS) برای اطمینان از مطابقت فرکانس تشدید بستر با فرکانس اولتراسونیک (خطا < 1%) استفاده می شود.