01
Бумага Введение
Лазерное аддитивное производство часто приводит к образованию крупных зерен из-за высоких температурных градиентов. Традиционный ультразвуковой метод контактного-типа позволяет измельчать зерна, но сталкивается с двумя основными проблемами: во-первых, энергия ультразвука уменьшается по мере увеличения высоты печати, что приводит к образованию крупных зерен в верхней части крупных компонентов; во-вторых, ультразвук высокой-интенсивности может вызывать кавитационные эффекты, которые легко создают дефекты пор.
Исследовательская группа Северо-Западного политехнического университета предложила бесконтактную ультразвуковую технологию, объединяющую ультразвуковое устройство с соплом и пропускающую ультразвук через воздушную среду. Этот метод разрушает традиционное убеждение, что «измельчение зерна должно основываться на кавитации», используя эффекты чисто акустического потока для достижения равномерно плотной мелкозернистой равноосной структуры зерен по всей высоте больших образцов Inconel 718 и 316L, что значительно повышает прочность и решает отраслевую проблему неравномерной микроструктуры в крупных компонентах.
02
Обзор
Целью данного исследования является устранение узких мест, связанных с неравномерной микроструктурой и склонностью к дефектам в аддитивном производстве с использованием ультразвука-. Исследовательская группа разработала бесконтактную ультразвуковую систему, которая движется вместе с лазерной головкой, обеспечивая постоянную подачу энергии в ванну расплава ниже порога кавитации.
Эксперименты показывают, что традиционный контактный ультразвук не работает, когда высота печати превышает 15 мм, тогда как новая технология сохраняет однородность мелких зерен в пределах высоты 100 мм без кавитационных дефектов. Механистические исследования показывают, что ультразвук низкой-интенсивности вызывает высокочастотный колебательный поток (акустическое течение) в ванне расплава, заставляя растущие ветви дендритов подвергаться усталостному разрушению и формировать новые зародыши, тем самым измельчая зерна. Это открытие исправляет одностороннее-понимание академическим сообществом механизма ультразвукового измельчения зерен и обеспечивает универсальный и надежный новый подход к высокоэффективному-аддитивному производству металлов.
03
Иллюстрированный анализ
На рисунке 1 показано прямое сравнение двух технических подходов. На рисунке (a) показан бесконтактный режим, предложенный в этом исследовании, в котором ультразвуковой преобразователь перемещается вместе с соплом, чтобы обеспечить постоянный подвод энергии; На рисунке (б) изображен традиционный контактный режим, при котором ультразвук передается через подложку. Из результатов EBSD образцов большого размера-(f-h) видно, что контактный метод (h) не работает в верхней части образца, при этом зерна укрупняются в столбчатые структуры; тогда как бес-контактный метод (f) сохраняет однородные мелкие равноосные зерна по всей высоте 100 мм. Кроме того, данные механических характеристик на рисунках (i-k) показывают, что бес-контактный метод (LU) не только значительно повышает прочность, но также демонстрирует очень низкий разброс данных, демонстрируя высокую надежность процесса.
На рисунке 2 показаны преимущества ультразвука низкой-интенсивности при контроле дефектов. Морфология однодорожечной оболочки на рисунке (a-i) показывает, что по мере увеличения интенсивности ультразвука до высокого диапазона дорожки расплава демонстрируют сильное вздутие, ямки и даже разрывы (i), которые вызваны резким коллапсом кавитационных пузырьков. Напротив, дорожки расплава, обработанные ультразвуком низкой-интенсивности (b-e), имеют гладкие и сплошные поверхности, что сравнимо с состоянием без ультразвука. Результаты компьютерной томографии (k-p) дополнительно определяют пористость; Ультразвук высокой-интенсивности приводит к резкому увеличению пористости, тогда как ультразвук низкой-интенсивности, использованный в этом исследовании, практически не увеличивает пористость, обеспечивая высокую плотность напечатанных деталей.
04
Краткое содержание
1. Предложена и успешно применена бесконтактная-ультразвуковая технология низкой интенсивности-с использованием лазерного аддитивного производства, позволяющая эффективно избежать двух основных проблем традиционных контактных-ультразвуковых методов высокой интенсивности-неравномерной микроструктуры и внутренних дефектов-при производстве крупных металлических деталей;
2. Благодаря механистическим исследованиям исправлено традиционное-понимание в научных кругах механизмов ультразвукового измельчения зерен, продемонстрирован эффект чистого акустического потока, когда высокочастотные осциллирующие потоки вызывают усталостное разрушение дендритов, достигая значительного измельчения и гомогенизации зерен;
3. Эта технология обеспечивает высокую-производительность и стабильное общее решение для аддитивного производства различных металлов, таких как Inconel 718 и 316L;
4. Результаты исследований не только имеют практическую ценность в области аддитивного производства, но также обеспечивают важные теоретические основы и руководство для других технологий обработки, включающих затвердевание ванны расплава, таких как сварка и плакирование.
