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功能梯度材料上的激光金屬沉積與超聲振動的實驗研究 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；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，實驗結(jié)果表明，超聲振動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表明。 簡介 激光金屬沉積（LMD）的進程已經(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]。作為一種機械振動，超聲波振動被廣泛應(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)，超聲波振動在LMD進程以改善內(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相更均勻。 超聲振動的機理 超聲空化效應(yīng)。空化現(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，。會有一個很大的壓力出現(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)生的巨大能量實現(xiàn)空化效應(yīng)，并且在這個過程中，一些孔隙能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光輻射和其他輻射的沖擊波使液體局部壓力高達(dá)數(shù)千大氣壓[10-12]。 超聲波的機械作用。在液態(tài)金屬中超聲波的傳播促進液體流動、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。 實驗步驟 建立過程。超聲波振動系統(tǒng)是由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿[13]，等，超聲導(dǎo)入基板的振動載荷平臺，然后通過熔池的基板傳送到襯底。超聲振動的示意圖如圖1所示。 圖1激光金屬沉積的超聲波振動示意圖 數(shù)字超聲波采用電源驅(qū)動系統(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)，真空保護系統(tǒng)和超聲波振動系統(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。實驗基材是的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[14]。 結(jié)果與討論 孔隙的影響。鈦合金激光加工過程中，會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，并有機會消除毛孔。如果不是這樣，缺陷層將被包括在的下一個層，結(jié)果在試樣內(nèi)部造成缺陷。 熔覆層無超聲振動孔隙形態(tài) 超聲波振動的熔覆層孔隙形態(tài) 圖2超聲波振動對熔覆層孔隙的影響（100%?TC4） 如圖2所示，顯然，超聲振動熔覆層的孔隙數(shù)量和尺寸比較小。原因可能是機械的超聲波振動攪拌可以促進熔池中的液體對流，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。四個標(biāo)本分別在相同參數(shù)的超聲振動條件下實驗。然后對標(biāo)本進行切割，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-無超聲振動的顯微結(jié)構(gòu) b-超聲振動顯微結(jié)構(gòu) 圖3組織標(biāo)本中的熔覆層（75%?TC4?+?25%（Cr3C2?+?Ti）） 圖4顯示了樣本的增強相TiC顆粒的尺寸分布。超聲振動下的TiC晶粒尺寸為l.5lμm，這很明顯小了很多，這表明超聲振動可以細(xì)化晶粒，使增強相分布均勻。 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）） 顯微硬度試驗方法。硬度（HV）的實驗測試是基于GB / t4340.1-2009和mvk-300顯微硬度計。實驗條件列于表3。 表3顯微硬度試驗條件 兩個標(biāo)本用于測試，其測試選擇的點，如圖5所示，將沿高度方向測試從基體到熔覆層的頂部，并且每兩個試驗點的距離為1mm；10個點在每個高度沿水平方向統(tǒng)一選擇。 圖5顯微硬度測試點示意圖 圖6顯示，每個樣品的增加高度方向是與梯度材料[ 14 ]硬度基本一致的?？梢詮脑撚捕确植嫉拿總€輪廓線看見波動得厲害的是未經(jīng)超聲波振動的。結(jié)果表明，在超聲振動試樣中硬度異常點少得多，這表明超聲振動可以使熔覆層成分分布更加均勻。 a-無超聲波振動 b-超聲波振動 圖6試樣的顯微硬度分布 結(jié)論 基于超聲振動改善凝固組織的質(zhì)量的機制，本文通過比較采用超聲振動系統(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)，超聲波振動破壞枝晶的時間越長晶粒徑越微細(xì)化；此外，在功能梯度材料試樣上，增強相的TiC顆粒尺寸較小，并得到更均勻的分布; （3）硬度試驗表明，梯度材料試件具有良好的硬度一致性和較高的機械性能，這表明超聲振動可以細(xì)化熔覆層和均勻微觀結(jié)構(gòu)，并提高其力學(xué)性能。 參考文獻 [ 1 ]楊廣，汪煒，秦藍(lán)云：沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，v01.33（2011）p.259-264 [ 2 ]王華明，張的反面，王向明：中國激光，v01.36（2009）p.3204-3209 [ 3 ]秦藍(lán)云，王瑋，楊光：應(yīng)用力學(xué)和材料，（2010）p.316-320第44-47 [ 4 ]陳靜，楊海鷗，李民：應(yīng)用激光，v01.22（2002）p.300-304 [ 5 ]翟啟杰，齊飛鵬，劉慶梅：2005中國鑄造一周程序，p.353-357 [ 6 ]陳志昆，劉敏，曾德昌：激光雜志，v01.30（2009）P.?55-56 [ 7 ]秦雷：消除焊接殘余應(yīng)力和超聲沖擊的裝置設(shè)計研究。東北大學(xué)學(xué)位論文（2008） [ 8 ]關(guān)建軍，宋天民，張國福 ：遼寧石油化工學(xué)院，遼寧大學(xué)學(xué)報v01.21（2001）P.?51-54 [ 9 ]程元，對焊接應(yīng)力，變形和振動消除的研究。大連理工大學(xué)學(xué)位論文（1999） [ 10 ]陳長垣，鄧琦林，宋監(jiān)利：航空航天公司的～南京大學(xué)學(xué)報，v01.37（2005）P.?44-48. [ 11 ]?李軍文，陶業(yè)爭，傅瑩：中國鑄造，v01.56（2007）P.?152-154 [ 12 ]陳長垣，鄧琦林，宋監(jiān)利：電磁加工模具，v01.3（2005）P.?37-40 [ 13 ]王愛玲，朱西京，吳秀玲，超聲波震動加工技術(shù)。北京：國防工業(yè)出版社（2007） [ 14 ]楊光：鈦基梯度功能材料，利用激光金屬沉積技術(shù)制備。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所博士論文（2010）