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功能梯度材料上的激光金屬沉積與超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究
秦藍(lán)云 汪煒 楊廣
沈陽工業(yè)大學(xué)，中國，沈陽，110016，
沈陽航空工業(yè)學(xué)院，中國，沈陽，110134，
qinly@sauedu.cn，wangw1116”sau.edu.cn，yangguang@sau.edu.cn
關(guān)鍵詞：超聲波振動(dòng)；激光金屬沉積；激光；梯度功能材料；鈦合金
摘要：針對鑄件超聲波振動(dòng)的影響，焊接和激光熔覆，研究表明，它也可以使用鈦合金的金屬激光沉積（LMD），以保護(hù)諸如裂紋，氣孔和氧化中的缺陷，細(xì)化晶粒，提高凝固組織的均勻性。因此采用超聲振動(dòng)系統(tǒng)制造功能梯度材料（FGM）的樣品，并分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)可以抑制孔隙的形成，細(xì)化晶粒，使TiC硬質(zhì)相對在功能梯度材料零件更均勻，這同樣也是由顯微硬度試驗(yàn)表明。
簡介
激光金屬沉積（LMD）的進(jìn)程已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，最近他們形成近凈形零件的低成本能力。然而，諸如裂紋，孔隙，氧化和包層之間的不良粘合這樣的缺陷可能出現(xiàn)在LMD部份，如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)。翹曲或裂紋將導(dǎo)致失敗的形成。此外，內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致其力學(xué)性能降低和安全性較差甚至失效的主要原因[1-4]。
目前用于改進(jìn)金屬的凝固組織，減少內(nèi)部缺陷的方法包含電流法，電磁攪拌，超聲波等，這些方法都施加在傳統(tǒng)的鑄造領(lǐng)域，后來逐漸發(fā)展到焊接，熔覆和其他熔融金屬凝固領(lǐng)域 [5-9]。作為一種機(jī)械振動(dòng)，超聲波振動(dòng)被廣泛應(yīng)用在金屬凝固的場合，其設(shè)備簡單、能耗低。
鑒于在金屬凝固的顯著效應(yīng)，超聲波振動(dòng)在LMD進(jìn)程以改善內(nèi)部質(zhì)量和解決變形的LMD裂縫的部分瓶頸問題，并且還使得功能梯度材料零件的增強(qiáng)相更均勻。
超聲振動(dòng)的機(jī)理
超聲空化效應(yīng)?？栈F(xiàn)象是在液體中常見的物理現(xiàn)象。受渦流，超聲波或其它物理場的液體將暫時(shí)在某一位置形成負(fù)壓區(qū)域，導(dǎo)致在液體或固體 - 液體部分?jǐn)嗔?，然后產(chǎn)生微小的液泡或氣泡。泡沫將經(jīng)歷主要成長的過程，發(fā)展，然后迅速關(guān)閉，。會(huì)有一個(gè)很大的壓力出現(xiàn)在孔隙閉合瞬間，這就是所謂的氣穴現(xiàn)象。
通過氣穴孔的閉合瞬間所產(chǎn)生的巨大能量實(shí)現(xiàn)空化效應(yīng)，并且在這個(gè)過程中，一些孔隙能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷⒐廨椛浜推渌椛涞臎_擊波使液體局部壓力高達(dá)數(shù)千大氣壓[10-12]。
超聲波的機(jī)械作用。在液態(tài)金屬中超聲波的傳播促進(jìn)液體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)以及晶核形成。在一定的頻率和振幅，該金屬熔池的冷卻速度和結(jié)晶核的數(shù)量可以增加。日益增加的對流換熱使溫度場更均勻，溫度梯度減小。其結(jié)果是，它減少了熱應(yīng)力，形成部分的殘余應(yīng)力，并抑制變形和裂紋的傾向。此外，增加的晶核細(xì)化熔覆層的組合物能夠分散于晶體使其結(jié)構(gòu)更充分。
實(shí)驗(yàn)步驟
建立過程。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)是由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿[13]，等，超聲導(dǎo)入基板的振動(dòng)載荷平臺，然后通過熔池的基板傳送到襯底。超聲振動(dòng)的示意圖如圖1所示。
圖1激光金屬沉積的超聲波振動(dòng)示意圖
數(shù)字超聲波采用電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其輸入電壓為220V，最大工作電流為l.5a，輸出頻率約為17至23千赫。超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要包含的激光系統(tǒng)，軟件控制系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)，粉末給料系統(tǒng)，真空保護(hù)系統(tǒng)和超聲波振動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工藝參數(shù)列于表1。
表1該系統(tǒng)的處理參數(shù)
材料。實(shí)驗(yàn)基材是的Ti6Al4V，其標(biāo)稱化學(xué)組成如表2所示。Ti6Al4V的試樣切成l00mmx55mmxl0mm的碎片，然后用320碳化硅紙研磨 ，再用丙酮、乙醇脫脂后沉積[14]。
表2?Ti6A14V合金成分(wt%)
TC4粉末（純度99.5％），Cr3C2復(fù)合粉末（純度99％）和純鈦粉末（純度99.5%）充分混合，通過球磨在氬氣下進(jìn)行充分混合。粉末顆粒尺寸-100?/ + 325（45和150微米之間的顆粒大?。?。粉末在150°C的真空干燥柜中干燥10小時(shí)[14]。
結(jié)果與討論
孔隙的影響。鈦合金激光加工過程中，會(huì)有小的氣體的快速凝固導(dǎo)致熔覆層內(nèi)的孔隙不能從熔池及時(shí)溢出的缺陷。熔覆層的下一層不溢出，頂層將重熔于熔池，并有機(jī)會(huì)消除毛孔。如果不是這樣，缺陷層將被包括在的下一個(gè)層，結(jié)果在試樣內(nèi)部造成缺陷。
熔覆層無超聲振動(dòng)孔隙形態(tài) 超聲波振動(dòng)的熔覆層孔隙形態(tài)
圖2超聲波振動(dòng)對熔覆層孔隙的影響（100%?TC4）
如圖2所示，顯然，超聲振動(dòng)熔覆層的孔隙數(shù)量和尺寸比較小。原因可能是機(jī)械的超聲波振動(dòng)攪拌可以促進(jìn)熔池中的液體對流，使氣體容易集中并上升，減少孔隙，此外高頻振動(dòng)和空化作用使孔隙融合成大的氣泡從熔池溢出。
對功能梯度材料試件的影響。四個(gè)標(biāo)本分別在相同參數(shù)的超聲振動(dòng)條件下實(shí)驗(yàn)。然后對標(biāo)本進(jìn)行切割，研磨，拋光和腐蝕。圖3顯示的是標(biāo)本中熔覆層的組織結(jié)構(gòu)。從圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)沒有采用振動(dòng)的試樣組織結(jié)構(gòu)像樹枝狀，其平均長度為ll0μm。相比之下，利用超聲波振動(dòng)的試樣樹枝狀的尺寸被減小，其平均長度為50μm，如圖3（b）所示。
a-無超聲振動(dòng)的顯微結(jié)構(gòu) b-超聲振動(dòng)顯微結(jié)構(gòu)
圖3組織標(biāo)本中的熔覆層（75%?TC4?+?25%（Cr3C2?+?Ti））
圖4顯示了樣本的增強(qiáng)相TiC顆粒的尺寸分布。超聲振動(dòng)下的TiC晶粒尺寸為l.5lμm，這很明顯小了很多，這表明超聲振動(dòng)可以細(xì)化晶粒，使增強(qiáng)相分布均勻。
a-無超聲波下的TiC分布， b-超聲波下的TiC分布
圖4標(biāo)本中的TiC顆粒大小的分布（70%?TC4?+?30%（Cr3C2?+?Ti））
顯微硬度試驗(yàn)方法。硬度（HV）的實(shí)驗(yàn)測試是基于GB / t4340.1-2009和mvk-300顯微硬度計(jì)。實(shí)驗(yàn)條件列于表3。
表3顯微硬度試驗(yàn)條件
兩個(gè)標(biāo)本用于測試，其測試選擇的點(diǎn)，如圖5所示，將沿高度方向測試從基體到熔覆層的頂部，并且每兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的距離為1mm；10個(gè)點(diǎn)在每個(gè)高度沿水平方向統(tǒng)一選擇。
圖5顯微硬度測試點(diǎn)示意圖
圖6顯示，每個(gè)樣品的增加高度方向是與梯度材料[ 14 ]硬度基本一致的。可以從該硬度分布的每個(gè)輪廓線看見波動(dòng)得厲害的是未經(jīng)超聲波振動(dòng)的。結(jié)果表明，在超聲振動(dòng)試樣中硬度異常點(diǎn)少得多，這表明超聲振動(dòng)可以使熔覆層成分分布更加均勻。
a-無超聲波振動(dòng) b-超聲波振動(dòng)
圖6試樣的顯微硬度分布
結(jié)論
基于超聲振動(dòng)改善凝固組織的質(zhì)量的機(jī)制，本文通過比較采用超聲振動(dòng)系統(tǒng)的LMD鈦合金試樣顯微組織和力學(xué)性能并分析其對功能梯度材料熔覆層的效果，并得出以下結(jié)論。
（1）超聲波振動(dòng)將有助于抑制氣孔的形成和減少它的大小； ???
（2）通過對中間熔覆層的顯微組織分析，可以發(fā)現(xiàn)，超聲波振動(dòng)破壞枝晶的時(shí)間越長晶粒徑越微細(xì)化；此外，在功能梯度材料試樣上，增強(qiáng)相的TiC顆粒尺寸較小，并得到更均勻的分布;
（3）硬度試驗(yàn)表明，梯度材料試件具有良好的硬度一致性和較高的機(jī)械性能，這表明超聲振動(dòng)可以細(xì)化熔覆層和均勻微觀結(jié)構(gòu)，并提高其力學(xué)性能。
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