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Figuras y texto seleccionados
1. Introducción: Los puntos débiles de la fabricación láser tradicional y el nacimiento de UVA-LM
La fabricación tradicional con láser se enfrenta a tres problemas fundamentales:
Defectos térmicos importantes
Los gradientes extremos de temperatura y la rápida solidificación conducen fácilmente a la segregación elemental, la formación de compuestos intermetálicos frágiles, grietas y tensiones residuales;
Microestructura no-uniforme
En el procesamiento de materiales avanzados, como las aleaciones de alta-entropía (HEA) y las aleaciones refractarias, es probable que se produzcan microestructuras no-uniformes dominadas por granos columnares, lo que afecta la estabilidad del rendimiento;
Baja eficiencia del proceso
La mala fluidez del baño fundido conduce a una distribución desigual de las partículas (por ejemplo, divergencia de la corriente de polvo en la deposición de energía dirigida).
To address these problems, ultrasonic vibration-assisted laser manufacturing (UVA-LM) emerged – by synchronously applying high-frequency ultrasonic vibration (>20 kHz) con el láser, utiliza un mecanismo dual de "flujo acústico + cavitación" para controlar el comportamiento del baño de fusión y lograr una mejora sinérgica del rendimiento de fabricación (Figura 1).
2. Fabricación de aditivos láser asistida por vibración ultrasónica-(UVA-AM)
UVA-AM se aplica principalmente a la fusión de lechos de polvo por láser (LPBF) y la deposición de energía dirigida (DED), con el objetivo principal de abordar los problemas de "anisotropía" y "defectos metalúrgicos" en la fabricación aditiva.
2.1 Diseño de procesos: ¿Cómo lograr un acoplamiento preciso entre ultrasonido y fabricación aditiva?
Sistema UVA-LPBF
(Figura 4): Un transductor cerámico piezoeléctrico genera una vibración de alta-frecuencia de 40 kHz y se transmite al sustrato a través de un transformador de amplitud, logrando la sincronización del escaneo láser y la vibración ultrasónica (la potencia ultrasónica es ajustable, la amplitud típica es de 20 μm);
Sistema DEED-UVA
(Figura 6): La trayectoria del chorro de polvo se controla mediante vibración ultrasónica, lo que establece un "modelo de acoplamiento de partículas por ultrasonido-" (precisión de predicción del 97,7 %), lo que reduce el ángulo de dispersión del polvo de 15,3 grados a 14,1 grados y mejora la uniformidad de la distribución en un 11,5 %.
2.2 Mejora del rendimiento: optimización dual de la microestructura y las propiedades mecánicas
Refinamiento de granos
Tomando como ejemplo la aleación de alta temperatura-GH5188 (Figura 7), UVA-LPBF puede reducir el tamaño de grano promedio de 80,91 μm a 53,02 μm, y la intensidad de la textura {001} de 10,37 MUD (Unidades de distribución de orientación múltiple) a 7,696 MUD, lo que reduce significativamente la anisotropía mecánica;
Propiedades mecánicas mejoradas
Microdureza: la dureza promedio de la aleación GH5188 aumentó un 4,49 % después de la asistencia ultrasónica (287,7 HV → 300,6 HV);
Propiedades de tracción: después del tratamiento con UVA-DED, el alargamiento de la aleación 1Cr12Ni3MoVN aumentó en un 53,8 % y el producto de resistencia y alargamiento (PSE) aumentó en un 52,9 % (Figura 13);
Supresión de defectos
En el material compuesto Inconel 718/Ti6Al4V, la asistencia ultrasónica puede reducir el contenido de compuestos intermetálicos de Ti₂Ni en un 48,3% y la falta de coincidencia de la red del 12,7% al 7,4% (Figura 9).
3. Revestimiento láser asistido por vibración ultrasónica-(UVA-LC)
El revestimiento láser (LC) es una tecnología fundamental para el fortalecimiento de superficies, pero el LC tradicional es propenso a una "distribución desigual de las fases de refuerzo" y al "agrietamiento". UVA-LC, mediante control ultrasónico, consigue una doble mejora tanto en la "dureza como en la resistencia al desgaste" de la capa de revestimiento.
3.1 Diseño del aparato: adaptación de resonancia del sistema ultrasónico
El sistema UVA-LC debe satisfacer la coincidencia de resonancia del "sistema ultrasónico - sustrato - piscina fundida" (Figuras 15, 16):
Frecuencia ultrasónica: normalmente 20 kHz, la longitud del transformador de amplitud ultrasónica se optimiza mediante análisis modal (115-130 mm) para garantizar una transferencia eficiente de la energía de vibración al baño fundido;
Diseño del sustrato: se adopta una "estructura de media-longitud de onda" (Figura 16) y se utiliza la simulación de elementos finitos (ANSYS) para garantizar que la frecuencia de resonancia del sustrato coincida con la frecuencia ultrasónica (error < 1%).
