[جامعة نينغبو ومعهد نينغبو لتكنولوجيا وهندسة المواد، الأكاديمية الصينية للعلوم - مراجعة الحدود] الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية + التصنيع بالليزر: معالجة نقاط الضعف في العمليات التقليدية وتمكين-التصنيع عالي الجودة!

02

الأرقام والنص المحدد

1. المقدمة: نقاط الضعف في تصنيع الليزر التقليدي وولادة الأشعة فوق البنفسجية فئة A-LM
يواجه التصنيع التقليدي بالليزر ثلاث مشاكل أساسية:

عيوب حرارية كبيرة
تؤدي التدرجات القصوى في درجات الحرارة والتصلب السريع بسهولة إلى فصل العناصر، وتكوين مركبات بين معدنية هشة، وشقوق، وإجهاد متبقي؛
بنية مجهرية غير-موحدة
في معالجة المواد المتقدمة مثل-السبائك عالية الإنتروبيا (HEAs) والسبائك المقاومة للحرارة، تكون الهياكل المجهرية غير المنتظمة-التي تهيمن عليها الحبيبات العمودية عرضة للنشوء، مما يؤثر على استقرار الأداء؛
انخفاض كفاءة العملية
ويؤدي ضعف سيولة حوض الذوبان إلى توزيع غير متساوي للجسيمات (على سبيل المثال، انحراف تيار المسحوق في ترسيب الطاقة الموجهة).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 كيلو هرتز) باستخدام الليزر، فإنه يستخدم آلية مزدوجة "التدفق الصوتي + التجويف" للتحكم في سلوك حوض الذوبان وتحقيق تعزيز تآزري لأداء التصنيع (الشكل 1).

2. الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية-المساعدة في تصنيع إضافات الليزر (UVA-AM)
يتم تطبيق الأشعة فوق البنفسجية -AM بشكل أساسي على دمج طبقة مسحوق الليزر (LPBF) وترسيب الطاقة الموجهة (DED)، بهدف أساسي هو معالجة مشكلات "تباين الخواص" و"العيوب المعدنية" في التصنيع الإضافي.

2.1 تصميم العملية: كيفية تحقيق اقتران دقيق للموجات فوق الصوتية والتصنيع الإضافي؟
نظام UVA-LPBF
(الشكل 4): يتم إنشاء اهتزاز عالي التردد يبلغ 40 كيلو هرتز - بواسطة محول طاقة سيراميك كهرضغطية ويتم نقله إلى الركيزة عبر محول سعة، مما يحقق تزامن المسح بالليزر والاهتزاز بالموجات فوق الصوتية (طاقة الموجات فوق الصوتية قابلة للتعديل، والسعة النموذجية هي 20 ميكرومتر)؛
نظام UVA-DED
(الشكل 6): يتم التحكم في مسار نفث المسحوق عن طريق الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية، مما يؤدي إلى إنشاء "نموذج اقتران الجسيمات بالموجات فوق الصوتية-" (دقة التنبؤ 97.7%)، مما يقلل زاوية تشتت المسحوق من 15.3 درجة إلى 14.1 درجة، ويحسن توحيد التوزيع بنسبة 11.5%.

2.2 تحسين الأداء: التحسين المزدوج للبنية المجهرية والخواص الميكانيكية
صقل الحبوب

بأخذ سبيكة GH5188 ذات درجة الحرارة العالية كمثال (الشكل 7)، يمكن لـ UVA-LPBF تقليل متوسط ​​حجم الحبيبات من 80.91 ميكرومتر إلى 53.02 ميكرومتر، وكثافة النسيج {001} من 10.37 MUD (وحدات توزيع التوجيه المتعددة) إلى 7.696 MUD، مما يقلل بشكل كبير من التباين الميكانيكي؛
خصائص ميكانيكية محسنة

الصلابة الدقيقة: زاد متوسط ​​صلابة سبيكة GH5188 بنسبة 4.49% بعد المساعدة بالموجات فوق الصوتية (287.7 HV → 300.6 HV)؛
خصائص الشد: بعد معالجة UVA-DED، زاد استطالة سبيكة 1Cr12Ni3MoVN بنسبة 53.8%، وزاد منتج القوة والاستطالة (PSE) بنسبة 52.9% (الشكل 13)؛
قمع الخلل

في المواد المركبة Inconel 718/Ti6Al4V، يمكن للمساعدة بالموجات فوق الصوتية أن تقلل من محتوى المركبات المعدنية Ti₂Ni بنسبة 48.3%، وعدم تطابق الشبكة من 12.7% إلى 7.4% (الشكل 9).

3. الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية-الكسوة بالليزر المساعدة (UVA-LC)
تعتبر الكسوة بالليزر (LC) تقنية أساسية لتقوية الأسطح، ولكن الكسوة الليزرية التقليدية عرضة "للتوزيع غير المتساوي لمراحل التقوية" و"التشقق". تحقق UVA-LC، من خلال التحكم بالموجات فوق الصوتية، تحسينًا مزدوجًا في كل من "الصلابة ومقاومة التآكل" لطبقة الكسوة.

3.1 تصميم الجهاز: مطابقة الرنين لنظام الموجات فوق الصوتية
يحتاج نظام UVA-LC إلى تلبية مطابقة الرنين لـ "نظام الموجات فوق الصوتية - الركيزة - المجمع المنصهر" (الأشكال 15، 16):

تردد الموجات فوق الصوتية: عادة 20 كيلو هرتز، يتم تحسين طول محول السعة بالموجات فوق الصوتية من خلال التحليل المشروط (115-130 مم) لضمان النقل الفعال لطاقة الاهتزاز إلى المجمع المنصهر؛
تصميم الركيزة: تم اعتماد "بنية نصف الطول الموجي" (الشكل 16)، ويتم استخدام محاكاة العناصر المحدودة (ANSYS) للتأكد من أن تردد رنين الركيزة يطابق تردد الموجات فوق الصوتية (الخطأ < 1%).