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Figures et textes sélectionnés
1. Introduction : les problèmes de la fabrication laser traditionnelle et la naissance de l'UVA-LM
La fabrication laser traditionnelle est confrontée à trois problèmes fondamentaux :
Défauts thermiques importants
Les gradients de température extrêmes et la solidification rapide conduisent facilement à une ségrégation élémentaire, à la formation de composés intermétalliques fragiles, à des fissures et à des contraintes résiduelles ;
Microstructure non-uniforme
Lors du traitement de matériaux avancés tels que les alliages à haute-entropie (HEA) et les alliages réfractaires, des microstructures non-uniformes dominées par des grains en colonnes sont susceptibles de se produire, affectant la stabilité des performances ;
Faible efficacité du processus
Une mauvaise fluidité du bain de fusion conduit à une répartition inégale des particules (par exemple, divergence du flux de poudre lors du dépôt d'énergie dirigé).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) avec le laser, il utilise un double mécanisme « flux acoustique + cavitation » pour contrôler le comportement du bain de fusion et obtenir une amélioration synergique des performances de fabrication (Figure 1).
2. Fabrication additive laser assistée par vibrations ultrasoniques (UVA-AM)
L'UVA-AM s'applique principalement à la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et au dépôt d'énergie dirigée (DED), avec pour objectif principal de résoudre les problèmes d'"anisotropie" et de "défauts métallurgiques" dans la fabrication additive.
2.1 Conception de processus : Comment réaliser un couplage précis entre ultrasons et fabrication additive ?
Système UVA-LPBF
(Figure 4) : Une vibration haute fréquence-de 40 kHz est générée par un transducteur piézoélectrique en céramique et transmise au substrat via un transformateur d'amplitude, permettant ainsi la synchronisation du balayage laser et des vibrations ultrasoniques (la puissance ultrasonique est réglable, l'amplitude typique est de 20 μm) ;
Système UVA-DED
(Figure 6) : La trajectoire du jet de poudre est contrôlée par vibration ultrasonique, établissant un « modèle de couplage de particules par ultrasons - » (précision de prédiction de 97,7 %), réduisant l'angle de dispersion de la poudre de 15,3 degrés à 14,1 degrés et améliorant l'uniformité de la distribution de 11,5 %.
2.2 Amélioration des performances : double optimisation de la microstructure et des propriétés mécaniques
Raffinement des grains
En prenant comme exemple l'alliage à haute température -GH5188 (Figure 7), le UVA-LPBF peut réduire la taille moyenne des grains de 80,91 μm à 53,02 μm et l'intensité de la texture {001} de 10,37 MUD (unités de distribution à orientation multiple) à 7,696 MUD, réduisant ainsi considérablement l'anisotropie mécanique ;
Propriétés mécaniques améliorées
Microdureté : La dureté moyenne de l'alliage GH5188 a augmenté de 4,49 % après assistance ultrasonique (287,7 HV → 300,6 HV) ;
Propriétés de traction : après le traitement UVA-DED, l'allongement de l'alliage 1Cr12Ni3MoVN a augmenté de 53,8 % et le produit de résistance et d'allongement (PSE) a augmenté de 52,9 % (Figure 13) ;
Suppression des défauts
Dans le matériau composite Inconel 718/Ti6Al4V, l'assistance ultrasonique peut réduire la teneur en composés intermétalliques Ti₂Ni de 48,3 % et le décalage de réseau de 12,7 % à 7,4 % (Figure 9).
3. Revêtement laser assisté par vibrations ultrasoniques (UVA-LC)
Le revêtement laser (LC) est une technologie de base pour le renforcement des surfaces, mais le LC traditionnel est sujet à une « répartition inégale des phases de renforcement » et à des « fissures ». UVA-LC, grâce au contrôle par ultrasons, permet d'obtenir une double amélioration de la « dureté et de la résistance à l'usure » de la couche de revêtement.
3.1 Conception de l'appareil : adaptation de résonance du système à ultrasons
Le système UVA-LC doit satisfaire l'adaptation de résonance du "système ultrasonique - substrat - bassin fondu" (Figures 15, 16) :
Fréquence ultrasonique : généralement 20 kHz, la longueur du transformateur d'amplitude ultrasonique est optimisée par analyse modale (115-130 mm) pour assurer un transfert efficace de l'énergie vibratoire vers le bain de fusion ;
Conception du substrat : une « structure à demi -longueur d'onde » est adoptée (Figure 16) et une simulation par éléments finis (ANSYS) est utilisée pour garantir que la fréquence de résonance du substrat correspond à la fréquence ultrasonore (erreur < 1 %).
