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Présentation du document
La fabrication additive laser donne souvent lieu à des grains grossiers en raison des gradients de température élevés. L'assistance ultrasonique traditionnelle de type contact-peut affiner les grains, mais elle est confrontée à deux défis majeurs : premièrement, l'énergie ultrasonique diminue à mesure que la hauteur d'impression augmente, conduisant à des grains grossiers au sommet des gros composants ; Deuxièmement, les ultrasons de haute-intensité peuvent induire des effets de cavitation qui créent facilement des défauts de pores.
Une équipe de recherche de l'Université polytechnique du Nord-Ouest a proposé une technologie ultrasonique sans contact, intégrant le dispositif à ultrasons avec la buse et introduisant les ultrasons via un milieu aérien. Cette méthode brise la croyance traditionnelle selon laquelle « le raffinement des grains doit s'appuyer sur la cavitation », en utilisant des effets de flux acoustiques purs pour obtenir des structures de grains fins et équiaxés uniformément denses sur toute la hauteur des grands échantillons d'Inconel 718 et 316L, améliorant considérablement la résistance et relevant le défi industriel des microstructures inégales dans les grands composants.
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Aperçu
Cette étude vise à résoudre les goulots d'étranglement liés à la microstructure inégale et à la sensibilité aux défauts dans la fabrication additive assistée par ultrasons. L'équipe de recherche a développé un système ultrasonique sans contact qui se déplace avec la tête laser, garantissant que le bain de fusion reçoit un apport d'énergie constant en dessous du seuil de cavitation.
Les expériences montrent que les ultrasons de contact traditionnels échouent lorsque la hauteur d'impression dépasse 15 mm, alors que la nouvelle technologie maintient des grains fins et uniformes sur une hauteur de 100 mm, sans défauts de cavitation. Des études mécanistiques indiquent que les ultrasons de faible -intensité induit un flux oscillatoire à haute -fréquence (flux acoustique) dans le bassin de fusion, provoquant la fracture par fatigue des bras de dendrites en croissance et la formation de nouveaux noyaux, affinant ainsi les grains. Cette découverte corrige la compréhension unilatérale de la communauté universitaire-du mécanisme de raffinement des grains par ultrasons et fournit une nouvelle approche universelle et fiable pour la fabrication additive métallique à haute-performance.
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Analyse illustrée
La figure 1 fournit une comparaison directe des deux approches techniques. La figure (a) montre le mode sans contact - proposé dans cette étude, dans lequel le transducteur ultrasonique se déplace avec la buse pour assurer un apport d'énergie constant ; La figure (b) représente le mode de contact traditionnel, dans lequel les ultrasons sont transmis à travers le substrat. À partir des résultats EBSD d'échantillons de grande taille-(f-h), on peut voir que la méthode de contact (h) échoue dans la partie supérieure de l'échantillon, les grains grossissant en structures en colonnes ; tandis que la méthode sans -contact (f) maintient des grains fins et équiaxés uniformes sur toute la hauteur de 100 mm. De plus, les données de performances mécaniques des figures (i-k) indiquent que la méthode sans contact (LU) améliore non seulement de manière significative la résistance, mais montre également une très faible dispersion des données, démontrant la haute fiabilité du processus.
La figure 2 met en évidence les avantages des ultrasons de faible-intensité dans le contrôle des défauts. La morphologie du revêtement à piste unique -sur la figure (a-i) montre que lorsque l'intensité des ultrasons augmente jusqu'à une plage élevée, les pistes de fusion présentent de graves renflements, des piqûres et même des discontinuités (i), qui sont causées par l'effondrement violent des bulles de cavitation. En revanche, les traces de fusion traitées par ultrasons de faible -intensité (b-e) ont des surfaces lisses et continues, comparables à l'état sans ultrasons. Les résultats du scanner (k-p) quantifient davantage la porosité ; les ultrasons de haute-intensité entraînent une augmentation de la porosité, tandis que les ultrasons de faible-intensité utilisés dans cette étude augmentent à peine la porosité, garantissant une densité élevée des pièces imprimées.
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Résumé
1. Proposition et application réussie d'une technologie de fabrication additive laser assistée par ultrasons sans-contact de faible-intensité-, évitant efficacement les deux problèmes majeurs des techniques traditionnelles d'ultrasons à contact élevé-de haute intensité-microstructure inégale et défauts internes-lors de la fabrication de grandes pièces métalliques ;
2. Grâce à des recherches mécanistiques, correction de la compréhension traditionnelle unilatérale du milieu universitaire concernant les mécanismes de raffinement des grains par ultrasons, démontrant l'effet de streaming acoustique pur, où les flux oscillants à haute fréquence -induisent une fracture par fatigue des dendrites, permettant ainsi un raffinement et une homogénéisation significatifs des grains ;
3. Cette technologie fournit une solution générale haute-performance et hautement cohérente pour la fabrication additive de divers métaux tels que l'Inconel 718 et 316L ;
4. Les résultats de la recherche sont non seulement précieux sur le plan pratique dans le domaine de la fabrication additive, mais fournissent également d'importants fondements théoriques et des conseils de processus pour d'autres technologies de traitement impliquant la solidification en bain de fusion, telles que le soudage et le revêtement.
