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Figuras e Texto Selecionados
1. Introdução: os pontos problemáticos da fabricação tradicional de laser e o nascimento do UVA-LM
A fabricação tradicional de laser enfrenta três problemas principais:
Defeitos térmicos significativos
Gradientes extremos de temperatura e solidificação rápida levam facilmente à segregação elementar, à formação de compostos intermetálicos frágeis, rachaduras e tensão residual;
Microestrutura-não uniforme
No processamento de materiais avançados, como ligas de alta-entropia (HEAs) e ligas refratárias, é provável que ocorram microestruturas não{1}}uniformes dominadas por grãos colunares, afetando a estabilidade do desempenho;
Baixa eficiência do processo
A baixa fluidez da poça de fusão leva à distribuição desigual de partículas (por exemplo, divergência da corrente de pó na deposição de energia direcionada).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) com o laser, ele utiliza um mecanismo duplo de "transmissão acústica + cavitação" para controlar o comportamento da poça de fusão e obter aprimoramento sinérgico do desempenho de fabricação (Figura 1).
2. Vibração ultrassônica-Fabricação assistida de aditivos a laser (UVA-AM)
UVA-AM é aplicado principalmente à fusão de leito de pó a laser (LPBF) e à deposição de energia direcionada (DED), com o objetivo principal de abordar os problemas de "anisotropia" e "defeitos metalúrgicos" na fabricação aditiva.
2.1 Projeto de Processo: Como conseguir um acoplamento preciso de ultrassom e fabricação aditiva?
Sistema UVA-LPBF
(Figura 4): Uma vibração de alta-frequência de 40 kHz é gerada por um transdutor cerâmico piezoelétrico e transmitida ao substrato por meio de um transformador de amplitude, alcançando a sincronização da varredura a laser e da vibração ultrassônica (a potência ultrassônica é ajustável, a amplitude típica é de 20 μm);
Sistema-DED UVA
(Figura 6): A trajetória do jato de pólvora é controlada por vibração ultrassônica, estabelecendo um "modelo de acoplamento de partículas de ultrassom-" (precisão de previsão de 97,7%), reduzindo o ângulo de dispersão do pó de 15,3 graus para 14,1 graus e melhorando a uniformidade de distribuição em 11,5%.
2.2 Melhoria de Desempenho: Dupla Otimização de Microestrutura e Propriedades Mecânicas
Refinamento de grãos
Tomando como exemplo a liga de alta-temperatura GH5188 (Figura 7), o UVA-LPBF pode reduzir o tamanho médio do grão de 80,91 μm para 53,02 μm e a intensidade da textura {001} de 10,37 MUD (unidades de distribuição de orientação múltipla) para 7,696 MUD, reduzindo significativamente a anisotropia mecânica;
Propriedades Mecânicas Aprimoradas
Microdureza: A dureza média da liga GH5188 aumentou 4,49% após assistência ultrassônica (287,7 HV → 300,6 HV);
Propriedades de tração: após o tratamento UVA-DED, o alongamento da liga 1Cr12Ni3MoVN aumentou 53,8% e o produto de resistência e alongamento (PSE) aumentou 52,9% (Figura 13);
Supressão de defeitos
No material compósito Inconel 718/Ti6Al4V, a assistência ultrassônica pode reduzir o conteúdo de compostos intermetálicos Ti₂Ni em 48,3% e a incompatibilidade de rede de 12,7% para 7,4% (Figura 9).
3. Revestimento a laser assistido por vibração ultrassônica-(UVA-LC)
O revestimento a laser (LC) é uma tecnologia central para o reforço de superfícies, mas o LC tradicional é propenso a "distribuição desigual das fases de reforço" e "fissuras". O UVA-LC, por meio do controle ultrassônico, consegue uma melhoria dupla na "dureza e na resistência ao desgaste" da camada de revestimento.
3.1 Projeto do Aparelho: Correspondência de Ressonância do Sistema Ultrassônico
O sistema UVA-LC precisa satisfazer a correspondência de ressonância do "sistema ultrassônico - substrato - piscina fundida" (Figuras 15, 16):
Frequência ultrassônica: Normalmente 20 kHz, o comprimento do transformador de amplitude ultrassônica é otimizado através de análise modal (115-130 mm) para garantir a transferência eficiente de energia de vibração para a poça fundida;
Projeto do substrato: Uma "estrutura de meio-comprimento de onda" é adotada (Figura 16) e a simulação de elementos finitos (ANSYS) é usada para garantir que a frequência de ressonância do substrato corresponda à frequência ultrassônica (erro <1%).
