02
Figure e testo selezionati
1. Introduzione: i punti critici della produzione laser tradizionale e la nascita dei raggi UVA-LM
La produzione laser tradizionale deve affrontare tre problemi fondamentali:
Difetti termici significativi
Gradienti di temperatura estremi e una rapida solidificazione portano facilmente alla segregazione elementare, alla formazione di composti intermetallici fragili, a crepe e a stress residui;
Microstruttura non-uniforme
Nella lavorazione di materiali avanzati come le leghe ad alta-entropia (HEA) e le leghe refrattarie, è probabile che si verifichino microstrutture non-uniformi dominate da grani colonnari, che incidono sulla stabilità delle prestazioni;
Bassa efficienza del processo
Una scarsa fluidità del bagno di fusione porta a una distribuzione non uniforme delle particelle (ad esempio, divergenza del flusso di polvere nella deposizione diretta di energia).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) con il laser, utilizza un doppio meccanismo "streaming acustico + cavitazione" per controllare il comportamento del bagno di fusione e ottenere un miglioramento sinergico delle prestazioni di produzione (Figura 1).
2. Produzione additiva laser assistita da vibrazioni ultrasoniche (UVA-AM)
UVA-AM viene applicato principalmente alla fusione laser del letto di polvere (LPBF) e alla deposizione diretta di energia (DED), con l'obiettivo principale di affrontare i problemi di "anisotropia" e "difetti metallurgici" nella produzione additiva.
2.1 Progettazione del processo: come ottenere un accoppiamento preciso tra ultrasuoni e produzione additiva?
Sistema UVA-LPBF
(Figura 4): una vibrazione ad alta-frequenza da 40 kHz viene generata da un trasduttore ceramico piezoelettrico e trasmessa al substrato tramite un trasformatore di ampiezza, ottenendo la sincronizzazione della scansione laser e della vibrazione ultrasonica (la potenza ultrasonica è regolabile, l'ampiezza tipica è 20 μm);
Sistema UVA-DED
(Figura 6): la traiettoria del getto di polvere è controllata da vibrazioni ultrasoniche, stabilendo un "modello di accoppiamento delle particelle ad ultrasuoni-" (precisione di previsione 97,7%), riducendo l'angolo di dispersione della polvere da 15,3 gradi a 14,1 gradi e migliorando l'uniformità della distribuzione dell'11,5%.
2.2 Miglioramento delle prestazioni: doppia ottimizzazione della microstruttura e delle proprietà meccaniche
Raffinazione del grano
Prendendo come esempio la lega ad alta temperatura-GH5188 (Figura 7), UVA-LPBF può ridurre la dimensione media dei grani da 80,91 μm a 53,02 μm e l'intensità della struttura {001} da 10,37 MUD (Multiple Orientation Distribution Units) a 7,696 MUD, riducendo significativamente l'anisotropia meccanica;
Proprietà meccaniche migliorate
Microdurezza: la durezza media della lega GH5188 è aumentata del 4,49% dopo l'assistenza ultrasonica (287,7 HV → 300,6 HV);
Proprietà di trazione: dopo il trattamento UVA-DED, l'allungamento della lega 1Cr12Ni3MoVN è aumentato del 53,8% e il prodotto di resistenza e allungamento (PSE) è aumentato del 52,9% (Figura 13);
Soppressione dei difetti
Nel materiale composito Inconel 718/Ti6Al4V, l'assistenza ultrasonica può ridurre il contenuto di composti intermetallici Ti₂Ni del 48,3% e il disadattamento del reticolo dal 12,7% al 7,4% (Figura 9).
3. Rivestimento laser assistito da vibrazione ultrasonica (UVA-LC)
Il rivestimento laser (LC) è una tecnologia fondamentale per il rinforzo superficiale, ma il LC tradizionale è soggetto a "distribuzione non uniforme delle fasi di rinforzo" e "fessurazione". UVA-LC, attraverso il controllo ultrasonico, ottiene un duplice miglioramento sia della "durezza che della resistenza all'usura" dello strato di rivestimento.
3.1 Progettazione dell'apparato: adattamento della risonanza del sistema a ultrasuoni
Il sistema UVA-LC deve soddisfare l'adattamento della risonanza del "sistema a ultrasuoni - substrato - pool fuso" (Figure 15, 16):
Frequenza ultrasonica: tipicamente 20 kHz, la lunghezza del trasformatore di ampiezza ultrasonica è ottimizzata attraverso l'analisi modale (115-130 mm) per garantire un trasferimento efficiente dell'energia di vibrazione al bagno fuso;
Progettazione del substrato: viene adottata una "struttura a mezza lunghezza d'onda" (Figura 16) e viene utilizzata la simulazione degli elementi finiti (ANSYS) per garantire che la frequenza di risonanza del substrato corrisponda alla frequenza ultrasonica (errore < 1%).
