功能梯度材料上的激光金属沉积与超声振动的实验研究#中英文翻译#外文翻译匹配

功能梯度材料上的激光金属沉积与超声振动的实验研究 秦蓝云 汪炜 杨广 沈阳工业大学，中国 ， 沈阳， 110016， 沈阳航空工业学院，中国 ， 沈阳， 110134， ， wangw1116”， 关键词： 超声波振动；激光金属沉积；激光；梯度功能材料；钛合金 摘要： 针对铸件超声波振动的影响，焊接和激光熔覆，研究表明， 它也可以使用钛合金的金属激光沉积（ LMD），以保护诸如裂纹，气孔和氧化中的缺陷 ，细化晶粒 ， 提高凝固组织的均匀性。因此采用超声振动系统制 造 功能梯度材料（ FGM）的样品 ，并 分析试样的显微结构和力学性能 ，实验 结果表明，超声振动可以抑制孔隙的形成，细化晶粒，使 TiC 硬质相 对 在功能梯度材料零件更均匀，这 同样 也是由显微硬度试验表明。 简介 激光金属沉积（ LMD）的进程已经引起广泛关注，最近他们形成近净形零件的低成本能力。然而，诸如裂纹，孔隙，氧化和包层之间的不良粘合这样的缺陷可能出现在 LMD 部份，如果工艺参数控制不当。翘曲或裂纹将导致失败的形成。此外，内部缺陷是导致其力学性能降低和安全性较差甚至失效的主要原因 1-4。 目前用于改进金属的凝固组织，减少内部缺陷的方法包含电流法，电磁搅拌，超声波等，这些方法都施加在传统的铸造领域，后来逐渐发展到焊接， 熔覆和其他熔融金属凝固 领域 5-9。 作为一种机械振动，超声波振动被广泛应用在金属凝固的场合，其设 备简单、能耗低。 鉴于在金属凝固的显著效应，超声波振动在 LMD 进程以改善内部质量和解决变形的 LMD 裂缝的 部分 瓶颈问题，并且还使得功能梯度材料零件的增强相更均匀。 超声振动的机理 超声空化效应。 空化现象 是 在液体中常见的物理现象。受涡流，超声波或其它物理场的液体将暂时 在 某一位置形成负压区域，导致在液体或固体 - 液体部分断裂，然后产生微小的 液泡 或气泡。泡沫将经历主要成长的过程 ， 发展，然后迅速关闭，。会有 一个 很大的压力 出现 在孔 隙 闭合瞬间 ， 这就是所谓的气穴现象 。 通过气穴孔的闭合瞬间所产生的巨大能量实现空化效应 ， 并且 在这个过程中，一些孔 隙 能 量 转变为热、光辐射和其他辐射的冲击波使液体局部压力高达 数千大气压 10-12。 超声波的机械作用。 在液态金属中超声波的传播促进液体流动、传热和传质以及晶核形成。在一定的频率和振幅，该金属熔池的冷却速度和结晶核的数量可以增加。日益增加的对流换热使温度场更均匀，温度梯度减小。其结果是，它减少了热应力，形成部分的残余应力，并抑制变形和裂纹的倾向。此外，增加的 晶核细化熔覆层的组合物 能够分散于晶体使其结构更充分。 实验步骤 建立过程。 超声波振动系统是由超声波发生器，换能器，变幅杆 13，等， 超声导入基板的振动载荷平台， 然后通过 熔池 的基板传送到衬底。 超声振动的示意图如图 1 所示。 图 1 激光金属沉积的超声波振动示意图 数字超声 波 采用电源驱动系统，其输入电压为 220V，最大工作电流为 l.5a，输出频率约为 17 至 23 千赫。超声振动系统主要包含的激光系统，软件控制系统，数控系统， 粉末给料系统，真空保护系统和超声波振动系统。该系统的工艺参数列于表 1。 表 1 该系统的处理参数 材料。 实验基材是的 Ti6Al4V，其标称化学 组成如表 2 所示。 Ti6Al4V 的试样切成 l00mmx55mmxl0mm 的碎片， 然后 用 320 碳化硅纸研磨 ，再用丙酮、乙醇脱脂后沉积 14。 表 2 Ti6A14V 合金成分 (wt%) TC4 粉末（纯度 99.5）， Cr3C2 复合粉末（纯度 99） 和纯钛粉末（纯度99.5%）充分混合，通过球磨在 氩气下 进行充分 混合 。 粉末颗粒尺寸 -100 / + 325（ 45 和 150 微米之间的颗粒大小）。粉末在 150C 的 真空干燥柜 中干燥 10 小时14。 结果与讨论 孔 隙 的影响。 钛合金激光加工 过程中，会有小的气体的快速凝固导致熔覆层内的孔隙不能从熔池及时溢出的缺陷。熔覆层 的下一层不溢出，顶层将重熔于熔池，并有机会消除毛孔。如果不是这样，缺陷层将被包括 在 的下一个层， 结果在试样内部 造成 缺陷。 熔覆层无超声振动 孔隙 形态 超声波振动的 熔覆层孔 隙 形态 图 2 超声波振动对熔覆层孔隙的影响（ 100% TC4） 如图 2 所示， 显然， 超声振动熔覆层 的孔隙 数量和尺寸 比较 小。原因可能是机械的超声波振动搅拌可以促进熔池中的液体 对流 ，使气体 容易集中 并上 升，减少孔隙，此外高频振动 和 空化作用使孔隙融合成大 的气泡 从熔池溢出。 对功能梯度材料试件的影响。 四 个 标本分别 在 相同参数的超声振动条件下 实验 。然后 对 标本进行切割，研磨，抛光和腐蚀。图 3 显示的 是 标本中熔覆层的组织 结构 。 从图 3（ a）可以发现 没有采用 振动 的 试样 组织结构像 树枝状，其平均长度为 ll0 m。相比之下，利用超声波振动 的 试样 树枝状 的尺寸被减小，其平均长度为 50 m，如 图 3（ b） 所示 。 a-无超声振动的 显微结构 b-超声振动显微结构 图 3 组织标本中的熔覆层（ 75% TC4 + 25%（ Cr3C2 + Ti） 图 4 显示了 样本的 增强相 TiC 颗粒 的 尺寸分布。 超声振动下的 TiC 晶粒尺寸为 l.5lm， 这很明显小了很多 ，这表明超声振动可以细化晶粒，使增强相分布均匀 。 a-无超声波下 的 TiC 分布， b-超声波下 的 TiC 分布 图 4 标本中的 TiC 颗粒大小的分布（ 70% TC4 + 30%（ Cr3C2 + Ti） 显微硬度试验方法。 硬度（ HV）的 实验 测试是基于 GB / t4340.1-2009 和 mvk-300显微硬度 计 。实验条件列于表 3。 表 3 显微硬度试验条件 两个标本用于测试，其测试选择的点， 如图 5 所示， 将沿高度方向测试从基体 到 熔覆层的顶部，并 且 每两个试验点的距离为 1mm； 10 个 点在每个高度沿水平方向统一选 择 。 图 5 显微硬度测试点示意图 图 6 显示，每个样品的增加高度方向是与梯度材料 14 硬度 基本一致的。可 以 从该硬度分布的每个轮廓线 看 见波动得厉害 的是 未经超声波振动 的 。 结果表明，在超声振动试样 中 硬度异常点少得 多，这表明超声振动可以 使 熔覆层成分分布更加均匀。 a-无超声波振动 b-超声 波 振动 图 6 试样的显微硬度分布 结论 基于超声振动改善凝固组织的质量的机制，本文通过比较采用超声振动系统的LMD 钛合金试样显微组织和力学性能 并 分析其对功能梯度材料 熔覆层 的效果，并得出以下结论。 （ 1）超声波振动将有助于抑制 气孔的 形成和减 少它的大小； （ 2）通过对中间 熔覆层 的 显微组织 分析 ，可以发现，超声波振动破坏 枝晶的时间越长晶粒径 越 微细化 ； 此外，在功能梯度材料试样 上 ，增强相 的 TiC 颗粒尺寸较小，并得到更均匀的分布 ; （ 3）硬度试验表明，梯度材料试件具有良好的硬度一致性和 较 高的机械性能， 这表明超声振动可以细化熔覆层和均匀微观结构，并提高其力学性能。 参考文献 1 杨广 ， 汪炜 ，秦蓝云 ：沈阳工业大学学报， v01.33（ 2011） p.259-264 2 王华明，张的反面，王向明：中国激光， v01.36（ 2009） p.3204-3209 3 秦蓝云，王玮，杨光：应用力学和 材料，（ 2010） p.316-320 第 44-47 4 陈静，杨海鸥，李民：应用激光， v01.22（ 2002） p.300-304 5 翟启杰，齐飞鹏，刘庆梅： 2005 中国铸造 一周 程序， p.353-357 6 陈志昆，刘敏，曾德昌：激光杂志， v01.30（ 2009） P. 55-56 7 秦雷：消除焊接残余应力和超声冲击的装置设计研究。东北大学学位论文（ 2008） 8 关建军，宋天民， 张国福 ： 辽宁 石油化工学院，辽宁大学学报 v01.21（ 2001）P. 51-54 9 程元， 对 焊接应力，变形和振动消除的研究。大连理工大学学位论文（ 1999） 10 陈长垣，邓琦林，宋监利：航空航天公司的南京大学学报， v01.37（ 2005）P. 44-48. 11