功能梯度材料上的激光金屬沉積與超聲振動的實(shí)驗(yàn)研究#中英文翻譯#外文翻譯匹配

功能梯度材料上的激光金屬沉積與超聲振動的實(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， ， wangw1116”， 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(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，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(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。 超聲振動的機(jī)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(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)嗔眩缓螽a(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(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、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(hù)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(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?。７勰┰?150C 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 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(jī)械的超聲波振動攪拌可以促進(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 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 的 試樣 組織結(jié)構(gòu)像 樹枝狀，其平均長度為 ll0 m。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 50 m，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(qiáng)相 TiC 顆粒 的 尺寸分布。 超聲振動下的 TiC 晶粒尺寸為 l.5lm， 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(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?？?以 從該硬度分布的每個(gè)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(diǎn)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(jī)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(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(xiàn) 1 楊廣 ， 汪煒 ，秦藍(lán)云 ：沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 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(jì)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(bào) 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(bào)， v01.37（ 2005）P. 44-48. 11