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超声振动辅助对激光熔覆In718的显微组织和性能的影响

更新时间:2024-04-08      浏览次数:209

超声波激光熔覆振动平台


     激光熔覆技术,经常作为直接能量沉积技术,在最近,在世界范围内成为一个比较活跃的研究领域,这是因为该技术所具有的制备和修复以及强化的能力。在不同的激光熔覆当中,激光熔覆镍基高温合金,如航空发动机中的叶轮叶片就是一个特别引人瞩目的研究领域。镍基高温合金广泛的应用在制备飞机发动机的涡轮叶片,涡轮盘和燃烧室等,这是因为该合金所具有的高温强度,疲劳性能和抗氧化和耐热腐蚀性能。然而,在激光熔覆镍基高温合金的时候也面临着巨大的挑战,这是因为合金内部所存在的显微组织的不均匀和较高的气孔率等问题。为了克服这一挑战,在近年来,超声波振动技术被引入进来作为一种辅助的技术来进行镍基合金的激光熔覆,可以提高其内部的显微组织和机械性能(显微硬度和摩擦性能)和减少沉积过程中所形成的缺陷。

     激光熔覆在金属部件成形和制备涂层以及修复等方面具有非常明显的优势。然而,随之而来的是,其显微组织中的内部缺陷和机械性能较差等问题,尚需要进一步的开展研究。采用超声波辅助加工的办法进行激光熔覆来提高熔覆部件的性能。基于超声波的声化和空化效应对金属凝固过程中所起的作用,振动参数对熔池金属的过冷度和孕育速率进行了研究。实验结果证实,在应用超声波之后,晶粒尺寸比仅仅采用激光熔覆时所得到的结果要明显的细化。当超声振动幅度为25 μm的时候,其晶粒尺寸可细化的程度是没有采取振动的0.522 倍。析出相的结构和化学成分得到了显著的改变。此外,高频率振动对熔覆层的机械性能的影响也通过对比实验进行了分析。结果表明,应用高频率振动可以有效的减少气孔,同时提高部件的显微硬度和摩擦性能。定量的来说,摩擦系数在采用超声振动且幅度为25 μm的时候,为0.628,而在没有超声振动的时候为0.709。

   超声波,作为一种能量波,会产生声化和空化效应,作为辅助激光熔覆的工艺,可以通过改变熔体金属的过冷和孕育速率而影响熔体的结晶。超声振动在提高金属的凝固组织和液态金属的凝固过程等方面具有强烈的优势。Komarov等人注意到在超声振动的时候,超声的空化和声化效应对液态金属的结晶和凝固过程的影响。由于这些效应的作用,高频振动可以实现细化显微组织,减少气孔和提高元素成分的均匀性。Cong和Ning 等人实施了一系列的关于超声辅助激光熔覆的实验,结果显示晶粒尺寸随着超声频率的增加而下滑。此外,界面之间的结合变得更加平滑。在近年来,一些研究表明晶粒尺寸的减少是孕育过程中驱动力的作用造成的。

     在超声辅助激光熔覆的过程中,声压随着超声波的施加而周期性的变化。基于声压的变化,过冷度的程度和孕育速率随着超声波的震动幅度和频率的增加而增加。同没有施加超声振动的激光熔覆相比较,柱状晶主要集中在熔覆层的底部熔覆层的中间和顶部随着超声波的施加变成了等轴晶。随着振动幅度的增加,晶粒尺寸得到了显著的细化,Laves相的数量和成分(Nb和Mo)降低

    此外,由于晶粒的细化使得显微硬度得到提高,Laves相的数量和气孔随着超声波的施加而变少。在超声波振动幅度为25μm的时候,显微硬度达到最大值,为215HV。此外,在涂层顶部的显微硬度比底部的要大。其主要原因是柱状晶主要集中在底部,而中间和顶部主要为等轴晶。至于热影响区,可以发现显微硬度随着振动幅度的增加而逐渐增加。然而,激光功率和扫描速度对显微组织,显微硬度和热影响区的影响非常不明显。


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