01
Giấy giới thiệu
Sản xuất bồi đắp bằng laser thường tạo ra các hạt thô do độ dốc nhiệt độ cao. Hỗ trợ siêu âm-tiếp xúc truyền thống có thể tinh chỉnh hạt nhưng phải đối mặt với hai thách thức lớn: thứ nhất, năng lượng siêu âm giảm dần khi chiều cao in tăng lên, dẫn đến hạt thô ở đầu các bộ phận lớn; thứ hai, siêu âm cường độ- cao có thể tạo ra hiệu ứng xâm thực dễ tạo ra các khuyết tật về lỗ chân lông.
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bách khoa Tây Bắc đã đề xuất một-công nghệ siêu âm không tiếp xúc, tích hợp thiết bị siêu âm với vòi phun và đưa siêu âm qua môi trường không khí. Phương pháp này phá vỡ niềm tin truyền thống rằng "tinh chế hạt phải dựa vào xâm thực", sử dụng hiệu ứng truyền âm thuần túy để đạt được cấu trúc hạt cân bằng mịn dày đặc đồng đều trong toàn bộ chiều cao của các mẫu Inconel 718 và 316L lớn, cải thiện đáng kể độ bền và giải quyết thách thức của ngành về cấu trúc vi mô không đồng đều trong các thành phần lớn.
02
Tổng quan
Nghiên cứu này nhằm giải quyết các điểm nghẽn về cấu trúc vi mô không đồng đều và khả năng bị khuyết tật trong quá trình sản xuất bồi đắp có sự hỗ trợ của siêu âm-. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống siêu âm không tiếp xúc-di chuyển cùng với đầu laser, đảm bảo rằng bể tan chảy nhận được năng lượng đầu vào không đổi dưới ngưỡng xâm thực.
Các thí nghiệm cho thấy siêu âm tiếp xúc truyền thống không thành công khi chiều cao in vượt quá 15mm, trong khi công nghệ mới duy trì các hạt mịn đồng nhất trong phạm vi độ cao 100mm, không có khuyết tật xâm thực. Các nghiên cứu cơ học chỉ ra rằng siêu âm cường độ-thấp gây ra dòng dao động tần số-cao (truyền âm thanh) trong bể tan chảy, khiến các cánh tay dendrite đang phát triển bị gãy do mỏi và hình thành các hạt nhân mới, từ đó tinh chế các hạt. Phát hiện này điều chỉnh sự hiểu biết một chiều của cộng đồng học thuật-về cơ chế sàng lọc hạt siêu âm và cung cấp một phương pháp tiếp cận mới phổ quát và đáng tin cậy cho quá trình sản xuất bồi đắp kim loại hiệu suất cao-.
03
Phân tích minh họa
Hình 1 cung cấp sự so sánh trực tiếp giữa hai phương pháp kỹ thuật. Hình (a) cho thấy chế độ không tiếp xúc-được đề xuất trong nghiên cứu này, trong đó đầu dò siêu âm di chuyển cùng với vòi phun để đảm bảo năng lượng đầu vào không đổi; Hình (b) mô tả chế độ tiếp xúc truyền thống, trong đó siêu âm được truyền qua chất nền. Từ kết quả EBSD của các mẫu có kích thước-lớn (f-h), có thể thấy rằng phương pháp tiếp xúc (h) không thành công ở phần trên của mẫu, với các hạt thô lại thành cấu trúc cột; trong khi phương pháp không-tiếp xúc (f) duy trì các hạt mịn đồng đều trên toàn bộ chiều cao 100 mm. Ngoài ra, dữ liệu hiệu suất cơ học trong Hình (i-k) chỉ ra rằng phương pháp không tiếp xúc (LU) không chỉ cải thiện đáng kể cường độ mà còn cho thấy mức độ phân tán dữ liệu rất thấp, chứng tỏ độ tin cậy cao của quy trình.
Hình 2 nêu bật những ưu điểm của siêu âm cường độ-thấp trong kiểm soát khuyết tật. Hình thái của lớp bọc rãnh đơn-trong Hình (a-i) cho thấy rằng khi cường độ siêu âm tăng lên đến một phạm vi cao, các rãnh tan chảy biểu hiện sự phồng lên, rỗ và thậm chí không liên tục nghiêm trọng (i), gây ra bởi sự sụp đổ dữ dội của bong bóng tạo bọt. Ngược lại, các vết tan chảy được xử lý bằng siêu âm cường độ-thấp (b-e) có bề mặt nhẵn và liên tục, có thể so sánh với trạng thái không có siêu âm. Kết quả chụp CT (k-p) xác định thêm độ xốp; siêu âm cường độ{10}cao dẫn đến độ xốp tăng đột biến, trong khi siêu âm cường độ{11}thấp được sử dụng trong nghiên cứu này hầu như không làm tăng độ xốp, đảm bảo mật độ cao của các bộ phận được in.
04
Bản tóm tắt
1. Đề xuất và áp dụng thành công công nghệ sản xuất phụ trợ bằng laze siêu âm cường độ thấp-không tiếp xúc-, tránh được một cách hiệu quả hai vấn đề chính của kỹ thuật siêu âm cường độ cao-tiếp xúc truyền thống-cấu trúc vi mô không đồng đều và các khuyết tật bên trong-khi sản xuất các bộ phận kim loại lớn;
2. Thông qua nghiên cứu cơ học, đã điều chỉnh sự hiểu biết một chiều truyền thống trong giới học thuật-về cơ chế sàng lọc hạt bằng sóng siêu âm, thể hiện hiệu ứng truyền âm thuần túy, trong đó các dòng dao động tần số-cao gây ra đứt gãy do mỏi dendrite, đạt được sự tinh lọc và đồng nhất hóa hạt đáng kể;
3. Công nghệ này cung cấp giải pháp tổng thể có tính nhất quán cao, hiệu suất cao- cho việc sản xuất bồi đắp các kim loại khác nhau như Inconel 718 và 316L;
4. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị thực tiễn trong lĩnh vực sản xuất bồi đắp mà còn cung cấp nền tảng lý thuyết quan trọng và hướng dẫn quy trình cho các công nghệ xử lý khác liên quan đến quá trình hóa rắn bể nóng chảy, như hàn và ốp.
