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來(lái)自東北大學(xué)的研究人員研究了超聲波輔助振動(dòng)激光熔覆高溫合金In718的顯微組織和機(jī)械性能的研究。
研究成果的主要亮點(diǎn)：超聲振動(dòng)對(duì)冷卻速率的超級(jí)作用和孕育效果進(jìn)行了分析；
超聲波輔助振動(dòng)之后的顯微組織的尺寸比傳統(tǒng)的僅僅采用激光熔覆時(shí)得到的顯微組織要細(xì)小得多；
Laves相和氣孔率在應(yīng)用超聲振動(dòng)之后得到顯著降低；
引入超聲振動(dòng)之后，IN718合金的摩擦系數(shù)顯著下降。
Graphical abstract
成果簡(jiǎn)介：
激光熔覆在金屬部件成形和制備涂層以及修復(fù)等方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，隨之而來(lái)的是，其顯微組織中的內(nèi)部缺陷和機(jī)械性能較差等問(wèn)題，尚需要進(jìn)一步的開(kāi)展研究。在這里，來(lái)自沈陽(yáng)東北大學(xué)的研究人員，采用超聲波輔助加工的辦法進(jìn)行激光熔覆來(lái)提高熔覆部件的性能。基于超聲波的聲化和空化效應(yīng)對(duì)金屬凝固過(guò)程中所起的作用，振動(dòng)參數(shù)對(duì)熔池金屬的過(guò)冷度和孕育速率進(jìn)行了研究。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在應(yīng)用超聲波之后，晶粒尺寸比僅僅采用激光熔覆時(shí)所得到的結(jié)果要明顯的細(xì)化。當(dāng)超聲振動(dòng)幅度為25 μm的時(shí)候，其晶粒尺寸可細(xì)化的程度是沒(méi)有采取振動(dòng)的0.522 倍。析出相的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分得到了顯著的改變。此外，高頻率振動(dòng)對(duì)熔覆層的機(jī)械性能的影響也通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，應(yīng)用高頻率振動(dòng)可以有效的減少氣孔，同時(shí)提高部件的顯微硬度和摩擦性能。定量的來(lái)說(shuō)，摩擦系數(shù)在采用超聲振動(dòng)且幅度為25 μm的時(shí)候，為0.628，而在沒(méi)有超聲振動(dòng)的時(shí)候?yàn)?.709。
圖1 論文的邏輯圖
成果背景：
激光熔覆技術(shù)，經(jīng)常作為直接能量沉積技術(shù)，在最近，在世界范圍內(nèi)成為一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)所具有的制備和修復(fù)以及強(qiáng)化的能力。在不同的激光熔覆當(dāng)中，激光熔覆鎳基高溫合金，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉輪葉片就是一個(gè)特別引人矚目的研究領(lǐng)域。鎳基高溫合金廣泛的應(yīng)用在制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，渦輪盤和燃燒室等，這是因?yàn)樵摵辖鹚哂械母邷貜?qiáng)度，疲勞性能和抗氧化和耐熱腐蝕性能。然而，在激光熔覆鎳基高溫合金的時(shí)候也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楹辖饍?nèi)部所存在的顯微組織的不均勻和較高的氣孔率等問(wèn)題。為了克服這一挑戰(zhàn)，在近年來(lái)，超聲波振動(dòng)技術(shù)被引入進(jìn)來(lái)作為一種輔助的技術(shù)來(lái)進(jìn)行鎳基合金的激光熔覆，可以提高其內(nèi)部的顯微組織和機(jī)械性能（顯微硬度和摩擦性能）和減少沉積過(guò)程中所形成的缺陷。
圖2 振動(dòng)特征的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
在近年來(lái)，超聲波振動(dòng)不僅僅應(yīng)用在減材制造中，同時(shí)還應(yīng)用在熔化金屬的凝固當(dāng)中，如鑄造，弧焊和表面涂層等。超聲波，作為一種能量波，會(huì)產(chǎn)生聲化和空化效應(yīng)，作為輔助激光熔覆的工藝，可以通過(guò)改變?nèi)垠w金屬的過(guò)冷和孕育速率而影響熔體的結(jié)晶。在最近的報(bào)道中，超聲振動(dòng)在提高金屬的凝固組織和液態(tài)金屬的凝固過(guò)程等方面具有強(qiáng)烈的優(yōu)勢(shì)。Komarov等人注意到在超聲振動(dòng)的時(shí)候，超聲的空化和聲化效應(yīng)對(duì)液態(tài)金屬的結(jié)晶和凝固過(guò)程的影響。由于這些效應(yīng)的作用，高頻振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化顯微組織，減少氣孔和提高元素成分的均勻性。Cong和Ning 等人實(shí)施了一系列的關(guān)于超聲輔助激光熔覆的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示晶粒尺寸隨著超聲頻率的增加而下滑。此外，界面之間的結(jié)合變得更加平滑。在近年來(lái)，一些研究表明晶粒尺寸的減少是孕育過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力的作用造成的。
圖3 超聲輔助激光熔覆的實(shí)驗(yàn)裝置
Todaro等人研究了超聲輔助3D打印時(shí)晶粒尺寸控制的問(wèn)題。打印材料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度同沒(méi)有采用超聲波輔助振動(dòng)相比較，增材制造的 Ti-6Al-4V的性能增加了12％。為了提高表面涂層的性能，Ｗu(yù)等人使用超聲波輔助激光熔覆技術(shù)在鈦合金基材上進(jìn)行ＺrO2陶瓷涂層的制備，并研究了超聲波振動(dòng)對(duì)顯微組織和機(jī)械性能的影響以及涂層與基材之間的潤(rùn)濕性。與此同時(shí)，當(dāng)稀釋率增加的時(shí)候，元素濃度沿著涂層的厚度方向在過(guò)渡區(qū)時(shí)逐漸的從指數(shù)向線性方向改變。此外，Ｗen等人進(jìn)行了超聲波輔助激光熔覆高熵合金 FeCrCoAlMn0.5Mo0.1的設(shè)計(jì)和表征。表面涂層的平均顯微硬度和摩擦抗力同基材相比，得到了顯著提高。
Ｃhen等人應(yīng)用超聲波輔助激光熔覆技術(shù)在鋁合金基體上制備陶瓷－金屬?gòu)?fù)合涂層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)頻率為５0－２00Ｈz的時(shí)候，振動(dòng)對(duì)熔覆層的收縮影響比較小。當(dāng)振動(dòng)頻率大于２00Ｈz的時(shí)候，超聲波穿透的深度增加，可以有效的提高熔覆涂層的收縮孔洞的問(wèn)題。Ｌi等人討論了超聲波對(duì)顯微組織，元素分布和激光熔覆層的機(jī)械性能以及WC顆粒的形貌的影響。結(jié)果表明顯微硬度和顯微組織均得到改善。Qiao等人研究了超聲波振動(dòng)等離子體弧焊的匙孔效應(yīng)。建立了一個(gè)瞬時(shí)模型，被認(rèn)為是熱流的動(dòng)態(tài)變化和在曲線匙孔壁的弧壓分布造成的。如果用激光加工效應(yīng)對(duì)形成的影響來(lái)評(píng)估的話，Biswas發(fā)現(xiàn)激光加工會(huì)導(dǎo)致一致性重復(fù)波狀溝槽表面，這一現(xiàn)象在使用高功率的超聲的時(shí)候更加明顯。因此，基于以上討論，熔覆層的性能是可以通過(guò)在激光加工過(guò)程中引入超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)提高的。
圖4 超聲波振動(dòng)對(duì)顯微組織和顯微硬度的影響：(1)3D微觀圖像； (3) 晶粒形貌的SEM照片；(2) the HVS-1000M 顯微硬度測(cè)試設(shè)備及其顯微硬度測(cè)試。
需要注意的是，過(guò)冷度的程度是一個(gè)非常重要的參考指標(biāo)，直接影響到激光熔覆層的顯微組織的分布和機(jī)械性能。然而，超聲波振動(dòng)幅度對(duì)顯微組織和機(jī)械性能的影響很少報(bào)道。因此，基于過(guò)冷度的影響程度和孕育速率的的相關(guān)理論，超聲波振動(dòng)幅度對(duì)顯微組織（晶粒尺寸，析出相結(jié)構(gòu)）和機(jī)械性能（顯微硬度和摩擦性能）的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)沒(méi)有施加超聲波的情形進(jìn)行了對(duì)比。
圖5 超聲波振動(dòng)幅度對(duì)晶粒尺寸的影響，激光功率 P = 1200 W，粉末輸送速率為 1.0 r/min, 掃描速度為 1.0 r/min 。
成果的主要結(jié)論：
在本研究中，對(duì)超聲波輔助激光熔覆工藝的過(guò)冷度的程度和孕育速率進(jìn)行了理論分析。基于理論分析結(jié)果，超聲波振動(dòng)對(duì)顯微組織（晶粒尺寸，枝晶形貌和相結(jié)構(gòu)以及析出相的化學(xué)成分）和機(jī)械性能（顯微硬度，彈性模量和摩擦性能）進(jìn)行了研究。硬度測(cè)量和納米劃痕測(cè)試進(jìn)行了實(shí)施來(lái)分析其顯微硬度及其摩擦性能，得到的主要結(jié)論如下：
圖6有無(wú)超聲波的時(shí)候顯微組織的晶粒尺寸對(duì)比圖
在超聲輔助激光熔覆的過(guò)程中，聲壓隨著超聲波的施加而周期性的變化。基于聲壓的變化，過(guò)冷度的程度和孕育速率隨著超聲波的振動(dòng)幅度和頻率的增加而增加。同沒(méi)有施加超聲振動(dòng)的激光熔覆相比較，柱狀晶主要集中在熔覆層的底部。熔覆層的中間和頂部隨著超聲波的施加變成了等軸晶。隨著振動(dòng)幅度的增加，晶粒尺寸得到了顯著的細(xì)化，Laves相的數(shù)量和成分（Nb和Mo）降低。
此外，由于晶粒的細(xì)化使得顯微硬度得到提高，Laves相的數(shù)量和氣孔隨著超聲波的施加而變少。在超聲波振動(dòng)幅度為25μm的時(shí)候，顯微硬度達(dá)到最大值，為215HV。此外，在涂層頂部的顯微硬度比底部的要大。其主要原因是柱狀晶主要集中在底部，而中間和頂部主要為等軸晶。至于熱影響區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)顯微硬度隨著振動(dòng)幅度的增加而逐漸增加。然而，激光功率和掃描速度對(duì)顯微組織，顯微硬度和熱影響區(qū)的影響非常不明顯。
圖7有無(wú)超聲波的時(shí)候 Laves相的析出形貌對(duì)比圖（0Hz即為無(wú)超聲波的情況） phase.
至于摩擦性能，在超聲波振動(dòng)幅度為 25 μm的時(shí)候，其摩擦系數(shù)為最小，是沒(méi)有施加超聲波振動(dòng)的0.628倍。是傳統(tǒng)工藝的0.709倍。這就意味著摩擦系數(shù)可以通過(guò)引入超聲波振動(dòng)而減少。此外，摩擦的深度也在振動(dòng)幅度為 25 μm的時(shí)候?yàn)樽钚。卜从吵鰳悠返谋砻婺Σ翐p傷為最小。
延伸閱讀：
超聲振動(dòng)輔助加工在激光加工中的應(yīng)用
超聲波能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造鈦合金細(xì)化晶粒的技術(shù)
文章來(lái)源：Microstructure and mechanical properties of parts formed by ultrasonic vibration-assisted laser cladding of Inconel 718，Surface and Coatings Technology，Volume 410, 25 March 2021, 126964，
參考文獻(xiàn)：Ultrasonic vibration-assisted laser engineered net shaping of Inconel 718 parts: Effects of ultrasonic frequency on microstructural and mechanical properties，Journal of Materials Processing Technology，Volume 276, February 2020, 116395，
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