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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
秦藍云 汪煒 楊廣
沈陽工業(yè)大學，中國，沈陽，110016，
沈陽航空工業(yè)學院，中國，沈陽，110134，
qinly@sauedu.cn，wangw1116”sau.edu.cn，yangguang@sau.edu.cn
關鍵詞：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構和力學性能，實驗結果表明，超聲振動可以抑制孔隙的形成，細化晶粒，使TiC硬質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）的進程已經引起廣泛關注，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在LMD部份，如果工藝參數控制不當。翹曲或裂紋將導致失敗的形成。此外，內部缺陷是導致其力學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)的鑄造領域，后來逐漸發(fā)展到焊接，熔覆和其他熔融金屬凝固領域 [5-9]。作為一種機械振動，超聲波振動被廣泛應用在金屬凝固的場合，其設備簡單、能耗低。
鑒于在金屬凝固的顯著效應，超聲波振動在LMD進程以改善內部質量和解決變形的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?？栈F象是在液體中常見的物理現象。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壓區(qū)域，導致在液體或固體 - 液體部分斷裂，然后產生微小的液泡或氣泡。泡沫將經歷主要成長的過程，發(fā)展，然后迅速關閉，。會有一個很大的壓力出現在孔隙閉合瞬間，這就是所謂的氣穴現象。
通過氣穴孔的閉合瞬間所產生的巨大能量實現空化效應，并且在這個過程中，一些孔隙能量轉變?yōu)闊?、光輻射和其他輻射的沖擊波使液體局部壓力高達數千大氣壓[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晶核的數量可以增加。日益增加的對流換熱使溫度場更均勻，溫度梯度減小。其結果是，它減少了熱應力，形成部分的殘余應力，并抑制變形和裂紋的傾向。此外，增加的晶核細化熔覆層的組合物能夠分散于晶體使其結構更充分。
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
數字超聲波采用電源驅動系統(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)的工藝參數列于表1。
表1該系統(tǒng)的處理參數
材料。實驗基材是的Ti6Al4V，其標稱化學組成如表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致熔覆層內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，結果在試樣內部造成缺陷。
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。四個標本分別在相同參數的超聲振動條件下實驗。然后對標本進行切割，研磨，拋光和腐蝕。圖3顯示的是標本中熔覆層的組織結構。從圖3（a）可以發(fā)現沒有采用振動的試樣組織結構像樹枝狀，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構 b-超聲振動顯微結構
圖3組織標本中的熔覆層（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超聲波振動的。結果表明，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
結論
基于超聲振動改善凝固組織的質量的機制，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，并得出以下結論。
（1）超聲波振動將有助于抑制氣孔的形成和減少它的大?。????
（2）通過對中間熔覆層的顯微組織分析，可以發(fā)現，超聲波振動破壞枝晶的時間越長晶粒徑越微細化；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化熔覆層和均勻微觀結構，并提高其力學性能。
參考文獻
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