02
Seçilmiş Şekiller ve Metin
1. Giriş: Geleneksel Lazer Üretiminin Sorunlu Noktaları ve UVA-LM'nin Doğuşu
Geleneksel lazer üretimi üç temel sorunla karşı karşıyadır:
Önemli termal kusurlar
Aşırı sıcaklık değişimleri ve hızlı katılaşma kolaylıkla element ayrışmasına, kırılgan intermetalik bileşiklerin oluşumuna, çatlaklara ve artık gerilime yol açar;
Tek-olmayan mikro yapı
Yüksek-entropili alaşımlar (HEA'lar) ve refrakter alaşımlar gibi gelişmiş malzemelerin işlenmesinde, sütunlu taneciklerin hakim olduğu-tekdüze olmayan mikro yapılar oluşmaya eğilimlidir ve bu da performans kararlılığını etkiler;
Düşük proses verimliliği
Zayıf eriyik havuzu akışkanlığı, eşit olmayan parçacık dağılımına yol açar (örneğin, yönlendirilmiş enerji birikiminde toz akışında sapma).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) lazerle birlikte, eriyik havuzu davranışını kontrol etmek ve üretim performansının sinerjik olarak iyileştirilmesini sağlamak için "akustik akış + kavitasyon" ikili mekanizmasını kullanır (Şekil 1).
2. Ultrasonik Titreşim-Destekli Lazer Eklemeli Üretim (UVA-AM)
UVA-AM öncelikle lazer tozu yatağı füzyonuna (LPBF) ve yönlendirilmiş enerji birikimine (DED) uygulanır ve temel amaç, katmanlı imalattaki "anizotropi" ve "metalurjik kusurlar" sorunlarını ele almaktır.
2.1 Proses Tasarımı: Ultrason ve katmanlı üretimin hassas birleşimi nasıl sağlanır?
UVA-LPBF Sistemi
(Şekil 4): 40 kHz'lik yüksek-frekanslı bir titreşim, bir piezoelektrik seramik dönüştürücü tarafından üretilir ve bir genlik transformatörü aracılığıyla alt tabakaya iletilerek, lazer tarama ve ultrasonik titreşimin senkronizasyonu sağlanır (ultrasonik güç ayarlanabilir, tipik genlik 20 μm'dir);
UVA-DED Sistemi
(Şekil 6): Toz jeti yörüngesi, bir "ultrason-partikül birleştirme modeli" oluşturularak (tahmin doğruluğu %97,7) ultrasonik titreşim ile kontrol edilir, toz dağılım açısı 15,3 dereceden 14,1 dereceye düşürülür ve dağıtım tekdüzeliği %11,5 oranında iyileştirilir.
2.2 Performans İyileştirme: Mikro Yapı ve Mekanik Özelliklerin İkili Optimizasyonu
Tahıl İnceltme
Örnek olarak GH5188 yüksek-sıcaklık alaşımını alırsak (Şekil 7), UVA-LPBF, ortalama tane boyutunu 80,91 μm'den 53,02 μm'ye ve doku yoğunluğunu 10,37 MUD'dan (Çoklu Yönelimli Dağıtım Birimleri) 7,696 MUD'a düşürerek mekanik anizotropiyi önemli ölçüde azaltabilir;
Gelişmiş Mekanik Özellikler
Mikrosertlik: GH5188 alaşımının ortalama sertliği ultrasonik yardımdan sonra %4,49 arttı (287,7 HV → 300,6 HV);
Çekme özellikleri: UVA-DED işleminden sonra 1Cr12Ni3MoVN alaşımının uzaması %53,8 arttı ve mukavemet ve uzama çarpımı (PSE) %52,9 arttı (Şekil 13);
Kusur Bastırma
Inconel 718/Ti6Al4V kompozit malzemede ultrasonik yardım, Ti₂Ni intermetalik bileşik içeriğini %48,3 oranında ve kafes uyumsuzluğunu %12,7'den %7,4'e azaltabilir (Şekil 9).
3. Ultrasonik Titreşim-Destekli Lazer Kaplama (UVA-LC)
Lazer kaplama (LC), yüzey güçlendirme için temel bir teknolojidir, ancak geleneksel LC, "güçlendirme aşamalarının eşit olmayan dağılımına" ve "çatlamaya" eğilimlidir. UVA-LC, ultrasonik kontrol aracılığıyla, kaplama katmanının hem "sertliğinde hem de aşınma direncinde" ikili bir iyileşme sağlar.
3.1 Aparat Tasarımı: Ultrasonik Sistemin Rezonans Eşleştirmesi
UVA-LC sisteminin "ultrasonik sistem - substrat - erimiş havuz"un rezonans eşleşmesini karşılaması gerekir (Şekil 15, 16):
Ultrasonik frekans: Tipik olarak 20 kHz, ultrasonik genlik transformatörünün uzunluğu, titreşim enerjisinin erimiş havuza verimli bir şekilde aktarılmasını sağlamak için modal analiz (115-130 mm) yoluyla optimize edilmiştir;
Alt tabaka tasarımı: Bir "yarım-dalga boyu yapısı" benimsenmiştir (Şekil 16) ve alt tabaka rezonans frekansının ultrasonik frekansla eşleştiğinden emin olmak için sonlu eleman simülasyonu (ANSYS) kullanılmıştır (hata < %1).
