01
Wprowadzenie do papieru
Laserowe wytwarzanie przyrostowe często skutkuje gruboziarnistymi ziarnami z powodu wysokich gradientów temperatury. Tradycyjne ultradźwiękowe wspomaganie-kontaktowe umożliwia udoskonalenie ziaren, ale wiąże się z dwoma głównymi wyzwaniami: po pierwsze, energia ultradźwiękowa maleje wraz ze wzrostem wysokości drukowania, co prowadzi do gruboziarnistych ziaren na wierzchołkach dużych elementów; po drugie, ultradźwięki-o wysokiej intensywności mogą wywołać efekt kawitacji, który łatwo powoduje defekty porów.
Zespół badawczy z Northwestern Polytechnical University zaproponował-bezkontaktową technologię ultradźwiękową, integrującą urządzenie ultradźwiękowe z dyszą i wprowadzającą ultradźwięki przez ośrodek powietrzny. Metoda ta przełamuje tradycyjne przekonanie, że „rozdrobnienie ziarna musi polegać na kawitacji”, wykorzystując czyste efekty strumieniowania akustycznego w celu uzyskania jednolicie gęstych, drobnorównoosiowych struktur ziaren na całej wysokości dużych próbek Inconel 718 i 316L, znacznie poprawiając wytrzymałość i rozwiązując wyzwanie branżowe, jakim są nierówne mikrostruktury w dużych komponentach.
02
Przegląd
Celem tego badania jest wyeliminowanie wąskich gardeł związanych z nierówną mikrostrukturą i podatnością na defekty w-wytwarzaniu przyrostowym wspomaganym ultradźwiękami. Zespół badawczy opracował-bezkontaktowy system ultradźwiękowy, który porusza się wraz z głowicą lasera, zapewniając stały dopływ energii do jeziorka stopu poniżej progu kawitacji.
Eksperymenty pokazują, że tradycyjne ultradźwiękowe kontaktowe zawodzą, gdy wysokość druku przekracza 15 mm, natomiast nowa technologia pozwala zachować jednolite drobne ziarna na wysokości 100 mm, bez defektów kawitacyjnych. Badania mechaniczne wskazują, że ultradźwięki o małej-intensywności indukują-przepływ oscylacyjny o wysokiej częstotliwości (strumień akustyczny) w jeziorku stopu, powodując, że rosnące ramiona dendrytów ulegają pękaniu zmęczeniowemu i tworzą nowe jądra, w ten sposób udoskonalając ziarna. To odkrycie koryguje jednostronne-postrzeganie przez społeczność akademicką mechanizmu rozdrabniania ziaren za pomocą ultradźwięków i zapewnia uniwersalne i niezawodne nowe podejście do-wysokiej wydajności wytwarzania przyrostowego metali.
03
Ilustrowana analiza
Rysunek 1 przedstawia bezpośrednie porównanie dwóch podejść technicznych. Rysunek (a) przedstawia tryb bezdotykowy zaproponowany w tym badaniu-, w którym przetwornik ultradźwiękowy porusza się wraz z dyszą, aby zapewnić stały dopływ energii; Rysunek (b) przedstawia tradycyjny tryb kontaktowy, w którym ultradźwięki przechodzą przez podłoże. Z wyników EBSD dla próbek o dużych-wymiarach (f-h) można zauważyć, że metoda kontaktowa (h) zawodzi w górnej części próbki, a ziarna stają się gruboziarniste i tworzą struktury kolumnowe; podczas gdy metoda bezkontaktowa (f) pozwala na zachowanie jednolitych, drobnych, równoosiowych ziaren na całej wysokości 100 mm. Dodatkowo dane dotyczące wydajności mechanicznej na rysunkach (i-k) wskazują, że metoda bez-kontaktowa (LU) nie tylko znacząco poprawia wytrzymałość, ale także wykazuje bardzo niski rozrzut danych, co świadczy o wysokiej niezawodności procesu.
Rycina 2 podkreśla zalety ultradźwięków o niskiej-intensywności w kontroli defektów. Morfologia okładziny pojedynczej-ścieżki na rysunku (a-i) pokazuje, że wraz ze wzrostem intensywności ultradźwięków do wysokiego zakresu, ścieżki stopu wykazują poważne wybrzuszenia, wżery, a nawet nieciągłości (i), które są spowodowane gwałtownym zapadaniem się pęcherzyków kawitacyjnych. Natomiast ścieżki stopu poddane działaniu ultradźwięków o niskiej-intensywności (b-e) mają gładkie i ciągłe powierzchnie, porównywalne ze stanem bez ultradźwięków. Wyniki tomografii komputerowej (k-p) dodatkowo określają ilościowo porowatość; ultradźwięki o wysokiej-intensywności prowadzą do wzrostu porowatości, podczas gdy ultradźwięki o niskiej-intensywności zastosowane w tym badaniu ledwo zwiększają porowatość, zapewniając wysoką gęstość drukowanych części.
04
Streszczenie
1. Zaproponował i z powodzeniem zastosował technologię bez-kontaktowego-ultradźwięku o niskim natężeniu-wspomaganego laserem, skutecznie pozwalającą uniknąć dwóch głównych problemów związanych z tradycyjnymi technikami kontaktowego-ultradźwięku o wysokim natężeniu-nierównej mikrostruktury i defektów wewnętrznych-podczas produkcji dużych części metalowych;
2. Dzięki badaniom mechanistycznym skorygowano-tradycyjne, jednostronne rozumienie w środowisku akademickim dotyczące ultradźwiękowych mechanizmów rozdrabniania ziaren, demonstrując efekt czystego strumienia akustycznego, w którym przepływy oscylacyjne o wysokiej-częstotliwości powodują pękanie zmęczeniowe dendrytów, osiągając znaczne rozdrobnienie i homogenizację ziaren;
3. Technologia ta zapewnia-wysoką wydajność i bardzo spójne ogólne rozwiązanie do wytwarzania przyrostowego różnych metali, takich jak Inconel 718 i 316L;
4. Wyniki badań są nie tylko cenne praktycznie w dziedzinie wytwarzania przyrostowego, ale także dostarczają ważnych podstaw teoretycznych i wytycznych procesowych dla innych technologii przetwarzania obejmujących krzepnięcie jeziorka stopionego, takich jak spawanie i napawanie.
