01
Introdução ao artigo
A fabricação aditiva a laser geralmente resulta em grãos grossos devido a altos gradientes de temperatura. A assistência ultrassônica-de contato tradicional pode refinar grãos, mas enfrenta dois grandes desafios: primeiro, a energia ultrassônica diminui à medida que a altura de impressão aumenta, levando a grãos grossos na parte superior de componentes grandes; segundo, o ultrassom-de alta intensidade pode induzir efeitos de cavitação que facilmente criam defeitos nos poros.
Uma equipe de pesquisa da Northwestern Polytechnical University propôs uma tecnologia ultrassônica sem{0}}contato, integrando o dispositivo ultrassônico ao bocal e introduzindo o ultrassom através de um meio de ar. Este método quebra a crença tradicional de que "o refinamento de grãos deve depender da cavitação", utilizando efeitos de transmissão acústica pura para obter estruturas de grãos equiaxiais finos uniformemente densos em toda a altura de grandes amostras de Inconel 718 e 316L, melhorando significativamente a resistência e enfrentando o desafio da indústria de microestruturas irregulares em grandes componentes.
02
Visão geral
Este estudo tem como objetivo abordar os gargalos da microestrutura irregular e da suscetibilidade a defeitos na fabricação aditiva-assistida por ultrassom. A equipe de pesquisa desenvolveu um sistema ultrassônico sem{2}}contato que se move com a cabeça do laser, garantindo que a poça de fusão receba uma entrada de energia constante abaixo do limite de cavitação.
Experimentos mostram que o ultrassom de contato tradicional falha quando a altura de impressão excede 15 mm, enquanto a nova tecnologia mantém grãos finos uniformes em uma altura de 100 mm, sem defeitos de cavitação. Estudos mecanísticos indicam que o ultrassom de baixa-intensidade induz fluxo oscilatório de alta-frequência (transmissão acústica) na poça de fusão, fazendo com que os braços dendríticos em crescimento sofram fratura por fadiga e formem novos núcleos, refinando assim os grãos. Essa descoberta corrige o entendimento unilateral-da comunidade acadêmica sobre o mecanismo de refinamento de grãos de ultrassom e fornece uma nova abordagem universal e confiável para fabricação de aditivos metálicos de alto-desempenho.
03
Análise Ilustrada
A Figura 1 fornece uma comparação direta das duas abordagens técnicas. A Figura (a) mostra o modo sem contato proposto neste estudo, onde o transdutor ultrassônico se move com o bocal para garantir entrada de energia constante; A Figura (b) representa o modo de contato tradicional, onde o ultrassom é transmitido através do substrato. A partir dos resultados EBSD de amostras de-tamanho grande (f-h), pode-se observar que o método de contato (h) falha na parte superior da amostra, com os grãos engrossando em estruturas colunares; enquanto o método sem-contato (f) mantém grãos finos equiaxiais uniformes ao longo de toda a altura de 100 mm. Além disso, os dados de desempenho mecânico nas Figuras (i-k) indicam que o método sem{10}}contato (LU) não apenas melhora significativamente a resistência, mas também mostra uma dispersão de dados muito baixa, demonstrando a alta confiabilidade do processo.
A Figura 2 destaca as vantagens do ultrassom-de baixa intensidade no controle de defeitos. A morfologia do revestimento de trilha única na Figura (a-i) mostra que à medida que a intensidade do ultrassom aumenta para uma faixa alta, as trilhas de fusão exibem protuberâncias severas, depressões e até mesmo descontinuidades (i), que são causadas pelo colapso violento das bolhas de cavitação. Em contraste, as trilhas de fusão tratadas com ultrassom de baixa-intensidade (b-e) têm superfícies lisas e contínuas, comparáveis ao estado sem ultrassom. Os resultados da tomografia computadorizada (k-p) quantificam ainda mais a porosidade; o ultrassom-de alta intensidade leva a um aumento na porosidade, enquanto o ultrassom-de baixa intensidade usado neste estudo quase não aumenta a porosidade, garantindo alta densidade das peças impressas.
04
Resumo
1. Propôs e aplicou com sucesso uma tecnologia de fabricação aditiva a laser assistida por laser sem-contato de baixa-intensidade-, evitando efetivamente os dois principais problemas das técnicas tradicionais de ultrassom de alta-intensidade de contato-microestrutura irregular e defeitos internos-na fabricação de grandes peças metálicas;
2. Por meio de pesquisa mecanicista, corrigiu o tradicional-entendimento unilateral na academia em relação aos mecanismos de refinamento de grãos ultrassônicos, demonstrando o efeito de streaming acústico puro, onde fluxos oscilantes de alta-frequência induzem fratura por fadiga dendrítica, alcançando refinamento e homogeneização de grãos significativos;
3. Essa tecnologia fornece uma solução geral de alto-desempenho e altamente consistente para fabricação aditiva de vários metais, como Inconel 718 e 316L;
4. Os resultados da pesquisa não são apenas valiosos do ponto de vista prático no campo da fabricação aditiva, mas também fornecem importantes fundamentos teóricos e orientações de processo para outras tecnologias de processamento que envolvem a solidificação da poça fundida, como soldagem e revestimento.
