02
รูปภาพและข้อความที่เลือก
1. บทนำ: ปัญหาของการผลิตเลเซอร์แบบดั้งเดิมและการกำเนิดของ UVA- LM
การผลิตเลเซอร์แบบดั้งเดิมเผชิญกับปัญหาหลักสามประการ:
ข้อบกพร่องทางความร้อนที่สำคัญ
การไล่ระดับอุณหภูมิที่รุนแรงและการแข็งตัวอย่างรวดเร็วทำให้เกิดการแยกตัวขององค์ประกอบ การก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะที่เปราะ รอยแตกร้าว และความเค้นตกค้าง
โครงสร้างจุลภาคที่ไม่สม่ำเสมอ-
ในการประมวลผลวัสดุขั้นสูง เช่น โลหะผสมเอนโทรปี (HEA) สูง- และโลหะผสมที่ทนไฟ โครงสร้างจุลภาคที่ไม่เหมือนกัน- ซึ่งมีเกรนเรียงเป็นแนวมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ซึ่งส่งผลต่อความเสถียรของประสิทธิภาพ
ประสิทธิภาพกระบวนการต่ำ
การไหลของของเหลวในสระละลายไม่ดีทำให้เกิดการกระจายตัวของอนุภาคไม่สม่ำเสมอ (เช่น ความแตกต่างของกระแสผงในการสะสมพลังงานโดยตรง)
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) ด้วยเลเซอร์ จะใช้กลไกคู่ "การสตรีมแบบอะคูสติก + การเกิดโพรงอากาศ" เพื่อควบคุมพฤติกรรมของหลอมเหลว และบรรลุการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตที่ทำงานร่วมกันได้ (รูปที่ 1)
2. การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก-การผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ช่วย (UVA-AM)
UVA-AM ใช้เป็นหลักในการหลอมผงด้วยเลเซอร์ (LPBF) และการสะสมพลังงานโดยตรง (DED) โดยมีวัตถุประสงค์หลักในการแก้ไขปัญหา "แอนไอโซโทรปี" และ "ข้อบกพร่องทางโลหะวิทยา" ในการผลิตแบบเติมเนื้อ
2.1 การออกแบบกระบวนการ: ทำอย่างไรจึงจะสามารถบรรลุการเชื่อมต่ออัลตราซาวนด์และการผลิตแบบเติมเนื้อได้อย่างแม่นยำ
ระบบ UVA-LPBF
(รูปที่ 4): การสั่นสะเทือนความถี่สูง 40 kHz- ถูกสร้างขึ้นโดยทรานสดิวเซอร์เซรามิกเพียโซอิเล็กทริก และส่งไปยังซับสเตรตผ่านหม้อแปลงแอมพลิจูด เพื่อให้เกิดการซิงโครไนซ์การสแกนด้วยเลเซอร์และการสั่นแบบอัลตราโซนิก (กำลังอัลตราโซนิกสามารถปรับได้ แอมพลิจูดทั่วไปคือ 20 μm)
ระบบ UVA-DED
(รูปที่ 6): วิถีโคจรของผงเจ็ตถูกควบคุมโดยการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก ทำให้เกิด "โมเดลอัลตราซาวนด์-การเชื่อมต่ออนุภาค" (ความแม่นยำในการทำนาย 97.7%) ลดมุมการกระจายตัวของผงจาก 15.3 องศาเป็น 14.1 องศา และปรับปรุงความสม่ำเสมอในการกระจายลง 11.5%
2.2 การปรับปรุงประสิทธิภาพ: การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลแบบคู่
การปรับแต่งเกรน
จากตัวอย่างโลหะผสมอุณหภูมิสูง-ของ GH5188 (รูปที่ 7) UVA-LPBF สามารถลดขนาดเกรนเฉลี่ยจาก 80.91 μm เป็น 53.02 μm และความเข้มของพื้นผิว {001} จาก 10.37 MUD (หน่วยการกระจายทิศทางหลายทิศทาง) เหลือ 7.696 MUD ซึ่งช่วยลดแอนไอโซโทรปีเชิงกลได้อย่างมาก
คุณสมบัติทางกลที่เพิ่มขึ้น
ความแข็งระดับไมโคร: ความแข็งเฉลี่ยของโลหะผสม GH5188 เพิ่มขึ้น 4.49% หลังจากความช่วยเหลือด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (287.7 HV → 300.6 HV)
คุณสมบัติแรงดึง: หลังการรักษาด้วย UVA-DED การยืดตัวของโลหะผสม 1Cr12Ni3MoVN เพิ่มขึ้น 53.8% และผลิตภัณฑ์ของความแข็งแรงและการยืดตัว (PSE) เพิ่มขึ้น 52.9% (รูปที่ 13)
การปราบปรามข้อบกพร่อง
ในวัสดุคอมโพสิต Inconel 718/Ti6Al4V ความช่วยเหลือล้ำเสียงสามารถลดปริมาณของสารประกอบระหว่างโลหะ Ti₂Ni ได้ถึง 48.3% และความคลาดเคลื่อนของโครงตาข่ายจาก 12.7% เหลือ 7.4% (รูปที่ 9)
3. การหุ้มด้วยเลเซอร์ด้วยแรงสั่นสะเทือนอัลตราโซนิค- (UVA-LC)
การหุ้มด้วยเลเซอร์ (LC) เป็นเทคโนโลยีหลักในการเสริมความแข็งแรงให้กับพื้นผิว แต่ LC แบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะ "กระจายระยะการเสริมความแข็งแรง" และ "การแตกร้าว" อย่างไม่สม่ำเสมอ UVA-LC ผ่านการควบคุมด้วยอัลตราโซนิก ทำให้มีการปรับปรุงทั้ง "ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอ" ของชั้นหุ้มถึงสองเท่า
3.1 การออกแบบเครื่องมือ: การจับคู่ด้วยคลื่นสะท้อนของระบบอัลตราโซนิก
ระบบ UVA-LC จำเป็นต้องตอบสนองการจับคู่การสั่นพ้องของ "ระบบอัลตราโซนิก - สารตั้งต้น - พูลหลอมเหลว" (รูปที่ 15, 16):
ความถี่อัลตราโซนิก: โดยทั่วไป 20 kHz ความยาวของหม้อแปลงแอมพลิจูดอัลตราโซนิคได้รับการปรับให้เหมาะสมผ่านการวิเคราะห์โมดัล (115-130 มม.) เพื่อให้มั่นใจถึงการถ่ายโอนพลังงานการสั่นสะเทือนอย่างมีประสิทธิภาพไปยังสระหลอมเหลว
การออกแบบพื้นผิว: ใช้ "โครงสร้างความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง-" (รูปที่ 16) และใช้การจำลององค์ประกอบไฟไนต์ (ANSYS) เพื่อให้แน่ใจว่าความถี่เรโซแนนซ์ของซับสเตรตตรงกับความถี่อัลตราโซนิก (ข้อผิดพลาด < 1%)
