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Papiereinführung
Die laseradditive Fertigung führt aufgrund hoher Temperaturgradienten häufig zu groben Körnern. Herkömmliche Kontakt-Ultraschallunterstützung kann Körner verfeinern, steht jedoch vor zwei großen Herausforderungen: Erstens nimmt die Ultraschallenergie mit zunehmender Druckhöhe ab, was zu groben Körnern an der Oberseite großer Komponenten führt. Zweitens kann hochintensiver Ultraschall Kavitationseffekte hervorrufen, die leicht zu Porendefekten führen.
Ein Forschungsteam der Northwestern Polytechnical University schlug eine berührungslose Ultraschalltechnologie vor, bei der das Ultraschallgerät in die Düse integriert und Ultraschall durch ein Luftmedium eingeleitet wird. Diese Methode bricht mit der traditionellen Überzeugung, dass „Kornverfeinerung auf Kavitation beruhen muss“, und nutzt reine akustische Strömungseffekte, um über die gesamte Höhe großer Inconel 718- und 316L-Proben gleichmäßig dichte, feine, gleichachsige Kornstrukturen zu erzielen, wodurch die Festigkeit erheblich verbessert und die Branchenherausforderung ungleichmäßiger Mikrostrukturen in großen Komponenten angegangen wird.
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Überblick
Diese Studie zielt darauf ab, die Engpässe ungleichmäßiger Mikrostruktur und Fehleranfälligkeit in der ultraschallunterstützten additiven Fertigung zu beseitigen. Das Forschungsteam entwickelte ein berührungsloses Ultraschallsystem, das sich mit dem Laserkopf bewegt und sicherstellt, dass das Schmelzbad unterhalb der Kavitationsschwelle einen konstanten Energieeintrag erhält.
Experimente zeigen, dass herkömmlicher Kontaktultraschall versagt, wenn die Druckhöhe 15 mm überschreitet, während die neue Technologie einheitliche feine Körner innerhalb einer Höhe von 100 mm ohne Kavitationsfehler aufrechterhält. Mechanistische Studien deuten darauf hin, dass Ultraschall niedriger -Intensität einen hochfrequenten Schwingungsfluss (akustische Strömung) im Schmelzbad induziert, was dazu führt, dass wachsende Dendritenarme Ermüdungsbrüche erleiden und neue Kerne bilden, wodurch die Körner verfeinert werden. Diese Entdeckung korrigiert das einseitige Verständnis der akademischen Gemeinschaft über den Ultraschall-Kornverfeinerungsmechanismus und bietet einen universellen und zuverlässigen neuen Ansatz für die leistungsstarke additive Fertigung von Metallen.
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Illustrierte Analyse
Abbildung 1 bietet einen direkten Vergleich der beiden technischen Ansätze. Abbildung (a) zeigt den in dieser Studie vorgeschlagenen berührungslosen Modus, bei dem sich der Ultraschallwandler mit der Düse bewegt, um eine konstante Energiezufuhr zu gewährleisten; Abbildung (b) zeigt den herkömmlichen Kontaktmodus, bei dem Ultraschall durch das Substrat übertragen wird. Aus den EBSD-Ergebnissen großer Proben (f-h) ist ersichtlich, dass die Kontaktmethode (h) im oberen Teil der Probe versagt, da sich die Körner zu säulenförmigen Strukturen vergröbern; wohingegen die berührungslose Methode (f) gleichmäßige feine gleichachsige Körner über die gesamte Höhe von 100 mm aufrechterhält. Darüber hinaus zeigen die mechanischen Leistungsdaten in den Abbildungen (i-k), dass die berührungslose Methode (LU) nicht nur die Festigkeit erheblich verbessert, sondern auch eine sehr geringe Datenstreuung aufweist, was die hohe Zuverlässigkeit des Prozesses zeigt.
Abbildung 2 verdeutlicht die Vorteile von Ultraschall geringer Intensität bei der Fehlerkontrolle. Die Morphologie der Einzel--Spurenverkleidung in Abbildung (a-i) zeigt, dass die Schmelzspuren bei zunehmender Ultraschallintensität in einen hohen Bereich starke Ausbeulungen, Vertiefungen und sogar Diskontinuitäten (i) aufweisen, die durch das heftige Kollabieren von Kavitationsblasen verursacht werden. Im Gegensatz dazu weisen Schmelzspuren, die mit Ultraschall geringer -Intensität (b-e) behandelt wurden, glatte und kontinuierliche Oberflächen auf, vergleichbar mit dem Zustand ohne Ultraschall. CT-Scan-Ergebnisse (k-p) quantifizieren die Porosität weiter; Ultraschall hoher Intensität führt zu einem Anstieg der Porosität, während der in dieser Studie verwendete Ultraschall niedriger Intensität die Porosität kaum erhöht und so eine hohe Dichte der gedruckten Teile gewährleistet.
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Zusammenfassung
1. Vorgeschlagen und erfolgreich angewendet wurde eine nicht-kontaktlose ultraschall--unterstützte Laser-Additive-Fertigungstechnologie, die die beiden Hauptprobleme herkömmlicher Kontakt-Ultraschalltechniken mit hoher-Intensität-ungleichmäßiger Mikrostruktur und interner Defekte-bei der Herstellung großer Metallteile effektiv vermeidet;
2. Durch mechanistische Forschung wurde das traditionelle einseitige Verständnis in der Wissenschaft über Ultraschall-Kornverfeinerungsmechanismen korrigiert und der rein akustische Strömungseffekt demonstriert, bei dem hochfrequente oszillierende Strömungen Dendriten-Ermüdungsbrüche induzieren und so eine erhebliche Kornverfeinerung und Homogenisierung erreichen;
3. Diese Technologie bietet eine leistungsstarke, äußerst konsistente allgemeine Lösung für die additive Fertigung verschiedener Metalle wie Inconel 718 und 316L;
4. Die Forschungsergebnisse sind nicht nur praktisch wertvoll im Bereich der additiven Fertigung, sondern liefern auch wichtige theoretische Grundlagen und Prozessleitlinien für andere Verarbeitungstechnologien mit Schmelzbaderstarrung, wie Schweißen und Plattieren.
