02
Избранные рисунки и текст
1. Введение: болевые точки традиционного лазерного производства и появление UVA-LM
Традиционное лазерное производство сталкивается с тремя основными проблемами:
Значительные термические дефекты
Экстремальные температурные градиенты и быстрое затвердевание легко приводят к сегрегации элементов, образованию хрупких интерметаллических соединений, трещин и остаточных напряжений;
Не-неоднородная микроструктура
При обработке современных материалов, таких как сплавы с высокой-энтропией (HEA) и тугоплавкие сплавы, часто возникают неоднородные-микроструктуры, в которых преобладают столбчатые зерна, что влияет на стабильность рабочих характеристик;
Низкая эффективность процесса
Плохая текучесть ванны расплава приводит к неравномерному распределению частиц (например, к расхождению потока порошка при направленном выделении энергии).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 кГц) с лазером, он использует двойной механизм «акустическая струя + кавитация» для управления поведением ванны расплава и достижения синергетического повышения производительности производства (рис. 1).
2. Ультразвуковая вибрация-Лазерно-аддитивное производство (UVA-AM)
UVA-AM в основном применяется для лазерной сварки в порошковом слое (LPBF) и направленного энергетического осаждения (DED) с основной целью решения проблем «анизотропии» и «металлургических дефектов» в аддитивном производстве.
2.1 Проектирование процессов: как добиться точного сочетания ультразвука и аддитивного производства?
Система UVA-LPBF
(Рисунок 4): Высокочастотная вибрация 40 кГц- генерируется пьезоэлектрическим керамическим преобразователем и передается на подложку через амплитудный преобразователь, обеспечивая синхронизацию лазерного сканирования и ультразвуковой вибрации (мощность ультразвука регулируется, типичная амплитуда составляет 20 мкм);
Система UVA-DED
(Рисунок 6): Траектория струи порошка контролируется ультразвуковой вибрацией, создавая «ультразвуковую-модель взаимодействия частиц» (точность прогнозирования 97,7%), уменьшая угол рассеивания порошка с 15,3 градуса до 14,1 градуса и улучшая равномерность распределения на 11,5%.
2.2 Повышение производительности: двойная оптимизация микроструктуры и механических свойств
Очистка зерна
На примере высокотемпературного-сплава GH5188 (рис. 7) UVA-LPBF может уменьшить средний размер зерна с 80,91 мкм до 53,02 мкм, а интенсивность текстуры {001} с 10,37 MUD (множественных единиц распределения ориентации) до 7,696 MUD, значительно снижая механическую анизотропию;
Улучшенные механические свойства
Микротвердость: средняя твердость сплава GH5188 увеличилась на 4,49% после ультразвуковой помощи (287,7 HV → 300,6 HV);
Свойства растяжения: после обработки UVA-DED удлинение сплава 1Cr12Ni3MoVN увеличилось на 53,8 %, а произведение прочности на удлинение (PSE) увеличилось на 52,9 % (рис. 13);
Подавление дефектов
В композитном материале Inconel 718/Ti6Al4V ультразвуковая помощь позволяет снизить содержание интерметаллидов Ti₂Ni на 48,3%, а несоответствие решеток с 12,7% до 7,4% (рис. 9).
3. Ультразвуковая вибрационная-лазерная наплавка (UVA-LC)
Лазерная наплавка (LC) является основной технологией упрочнения поверхности, но традиционная LC склонна к «неравномерному распределению упрочняющих фаз» и «растрескиванию». UVA-LC за счет ультразвукового контроля обеспечивает двойное улучшение как «твердости, так и износостойкости» плакирующего слоя.
3.1 Конструкция устройства: резонансное согласование ультразвуковой системы
Система UVA-LC должна удовлетворять резонансному согласованию «ультразвуковой системы - подложки - расплавленной ванны» (рис. 15, 16):
Частота ультразвука: обычно 20 кГц. Длина ультразвукового амплитудного преобразователя оптимизируется посредством модального анализа (115–130 мм) для обеспечения эффективной передачи энергии вибрации в ванну расплава;
Конструкция подложки: принята «структура на половинной- длине волны» (рис. 16) и использовано моделирование методом конечных элементов (ANSYS), чтобы гарантировать соответствие резонансной частоты подложки ультразвуковой частоте (погрешность < 1%).
