Manipulating molten pool dynamics during metal 3D printing by ultrasound

微观结构 材料科学 流量(数学) 超声波 熔融沉积模型 沉积(地质) 极限抗拉强度 熔融金属 3D打印 机械工程 冶金 机械 声学 古生物学 工程类 物理 生物 沉积物
作者
Zhichao Yang,Shuhao Wang,Lida Zhu,Jinsheng Ning,Bo Xin,Yichao Dun,Wentao Yan
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:9 (2) 被引量:74
标识
DOI:10.1063/5.0082461
摘要

Ultrasound-assisted direct energy deposition (UADED) attracts increasing attention due to its capability to tailor the grain structure. However, the involved molten pool dynamics, particularly the complex interaction of ultrasound-flow-solidification, remain unclear to date, which hinders quantitative prediction and regulation of the microstructures and mechanical properties of UADED components. Here, in situ high-speed imaging and high-fidelity multi-physics modeling are leveraged to investigate flow characteristics and liquid-to-solid transformation in UADED for Inconel 718. The inertial force activated by ultrasound is revealed to drive the molten pool to flow forward and backward along the vibration direction, resulting in poor surface quality. A hybrid deposition strategy is developed to minimize ultrasound-induced defects and produce superior microstructure with alternating coarse- and fine- grains. Such a layered microstructure results in 28% and 15% improvement in the yield strength and ultimate tensile strength compared to the counterpart by additive manufacturing without ultrasound. This work provides unprecedented understanding into the molten pool dynamics in the UADED process as well as valuable guidance to manipulate molten pool flow.
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