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2025-09-19 08:11:00
北西ポリテクニカル大学 Xi’anで、一緒に働いています Wuhan科学技術大学、 シンガポール国立大学、 そして トリニティカレッジダブリン、レーザー添加剤の製造のための非接触超音波法を実証しました。で公開 自然コミュニケーション、作業は、ガス媒体を介して20 w・cm²未満を超音波を送信すると、穀物を改良し、キャビテーションなしで機械的性能を向上させることを示しています。 Innonel 718のテストでは、降伏応力は456から582 MPa（+27.6％）に増加し（+27.6％）、引張強度は915から994 MPa（+8.6％）に増加しましたが、延性は約40％でほぼ一定のままでした。ステンレス鋼316Lでも同様の結果が達成され、アプローチが広く適用できることを示しています。
レーザー添加剤の製造は、通常、機械的特性を制限するメルトプールの急な熱勾配により、柱状粒子を生成します。従来の超音波アシスト処理では、トランスデューサーと基質間の直接接触を使用して、200 W・cm²を超える超音波強度を伝達します。この高強度の方法は穀物を改良することができますが、不安定性を導入します。コンピューター断層撮影により、212.4から1911.6 W・cm²に増加する多孔性が明らかになり、膨らみとピットが伴い、ビルドが15 mm未満の高さに制限されています。対照的に、非接触モードは、20 W・cm²未満の強度でキャリアガスを介して超音波を送信し、キャビテーションを回避します。高さ100 mmまでのサンプルは、ほぼフル密度に達し、堆積中に穀物の洗練を維持しました。
非接触交換モードによる低強度超音波の概略図。このモードでは、エネルギーアンプを備えた超音波トランスデューサーが粉末フィーダーで固定されています。自然通信による画像。
ノースウェスタンポリテクニカル大学のチームは、トランスデューサーをパウダーノズルに取り付け、層が堆積したときに溶融プールからの一定の距離を保ちました。この構成により、高さを越えて安定した超音波送達が確保され、均一な等軸構造が生成されました。穀物サイズの分析では、超音波のない平均73.7μmが示され、17.5 W・cm²で非接触超音波で44.6μmに減少しました。接触超音波は、849.6 W・cm²で30.2μmのより細かい細かい粒子を達成しましたが、多孔性と表面欠陥は急激に増加しました。穀物遷移点も異なりました。高強度のビルドでは0.6 mmと比較して、非接触サンプルでは1.0 mmを超える等軸粒子が現れました。接触移動効果は10 mmを超えて弱くなり、穀物は円柱構造に戻り、ノズルに取り付けられた方法は100 mmブロック全体の改良を維持しました。
in-situの監視および多目的シミュレーションにより、物理的なメカニズムが明らかになりました。マランゴニ駆動の流れと組み合わせた低強度超音波は、メルトプールで高周波揺れの動きを生成します。この動きは、樹状突起群を材料の37.3 MPa降伏強度を超える周期的な応力にさらされ、疲労骨折と断片化を引き起こしました。計算により、樹状突起ストレスは、超音波のない30.9 MPaから、非接触超音波下で71.3 MPaに上昇しました。暴力的な泡の崩壊と衝撃波を生成するキャビテーションとは異なり、音響ストリーミングは安定した溶融プールの表面を維持しました。低強度条件下での気孔率は、7.9から17.5 W・cm²のわずかにわずかに増加し、洗練が発生している間に欠陥が回避されたことを確認しました。
Nature Communicationsを介したIncenel 718の融合欠陥に対する超音波の効果。
溶接、被覆、鋳造の以前の研究では、キャビテーションが穀物洗練の主な原因であり、音響ストリーミングが無視できると考えられていると結論付けました。より最近のシンクロトロンX線イメージングは、レーザーAMのストリーミングフローを明らかにしましたが、これらのテストの強度がしきい値を超えたため、キャビテーションへの改良性がまだ起因していました。本研究では、キャビテーションが発生できない条件下で洗練された等軸穀物を示しており、ストリーミングだけで洗練を促進できることを証明しています。この結果は、ストリーミングの役割に対する長年の不確実性を解決し、超音波アシストAMのスケーラビリティ問題に対処します。
機械的特性テストでは、再現性の違いを強調しました。非接触サンプルは、582 MPaの近くにクラスター化された一貫した降伏強度と994 MPa付近の最終的な引張強度を示しました。コンタクト超音波ビルドは大きく異なります。降伏強度は427〜757 MPaの範囲、および気孔率と不均一な微細構造のため、890 MPaから1070 MPaの引張強度の範囲でした。著者らは、非接触技術がテストされた両方の合金で繰り返し可能な性能を達成し、高強度超音波の変動性とは対照的であると報告しています。
インコネル718シングルトラックの粒構造に対する超音波の効果。自然通信による画像。
穀物を改良するのにキャビテーションが必要ではないことを示すことにより、この研究は超音波アシスト冶金の仮定を再定義します。 20 W・cm²未満の非接触超音波は、航空宇宙およびエネルギーの用途で広く使用されている合金の精製穀物、再現性のある強度、および欠陥のない表面を生成しました。研究者は、このアプローチは、溶融プールの安定性が重要なレーザークラッディングと溶接にも適応できることを指摘しています。この調査結果は、微細構造制御の実行可能なメカニズムとして音響ストリーミングを確立し、大規模で複雑な金属成分を製造するための再現可能な戦略を指し示しています。
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注目の画像は、インコルエル718のシングルトラックの粒構造に対する超音波の効果を示しています。自然通信による画像。
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