超声振动对激光熔覆过程的影响

超声振动对激光熔覆过程的影响陈畅源邓琦林宋建丽(上海交通大学机械工程学院，上海200030)摘要:从超声振动对结晶过程的影响机理出发，阐述了超声振动对改善金属组织性能的作用，并对在激光熔覆中引入超声振动的意义、机理及试验方案做了初步的探讨。关键词:激光熔覆;超声振动;裂纹TheInfluenceofUltrasonicVibrationontheProcessofLaserCladdingChenChangyuan,DengQilin,SongJianli(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Inprocessultrasonicvibration-assistedlasercladdingcanreducethecracksofthecladdinglayerandimproveitsmechanicalproperty.Keywords:lasercladding;ultrasonicvibration;cracks激光熔覆是20世纪90年代初发展起来的一种新兴的先进制造技术，它是通过高能激光束将送入或预置的熔覆粉末熔化，并使之与基体材料形成良好冶金结合的过程[‘]。由于粉末的熔化及凝固速度很快，因此能得到组织性能较好的熔覆层组织。激光熔覆作为一种新的加工技术，近年来受到广泛的关注与研究，并得到了一定的应用。在研究和应用的过程中，也遇到了一系列的问题。例如熔覆粉末的制备、送粉方式的改进、熔覆层组织性能和质量的控制等，其中最重要的是熔覆层的裂纹问题。围绕如何减少或消除熔覆层裂纹这一问题，国内外学者做了大量的研究，减少裂纹的常见方法有增加Ni含量、增大激光束能量密度、在熔池中施加电磁扰动以及对基体进行预热等[21。本文将从超声振动对液体介质的影响机理出发，阐述在激光熔覆过程中引入超声振动，以减少熔覆层裂纹以及改善熔覆层组织性能的可能性。1超声振动对金属结晶过程的影响机理1.1空化作用液体能承受很大的压应力，但受拉能力却不强，受拉时，很容易被撕裂而形成气囊。因此，当超声在液体中传播时，由于强烈的高频振动，液体介质将交替地受压和受拉，造成如下结果:在超声的负压相时，液体被撕裂，形成压力很低的空化泡;在正压相来临时，空化泡迅速闭合，产生巨大的水击现象，同时伴有瞬间的高温高压现象。这种空化泡在液体介质中产生、溃陷或消失的现象，叫做空化作用。对于由较强超声振动产生的空化泡，Neppiras推导出在空化泡闭合溃陷时产生的最高温度和最高压力计算公式如下:式中:T。为环境温度;Pm为空化泡溃陷瞬间液体介质内压力;Y为绝热系数;尸为空化泡最大时泡内的压力。例如，对于一般常温常压下的水，可算得Tmax大约为4000K,P,nax则接近100MPa。可见空化作用对液体介质影响之强烈。1.2超声振动对金属结晶过程的影响试验及研究表明，在金属或合金的结晶过程中引入超声振动，将对结晶过程产生较大影响，其主要原因就是空化作用。（1）细化晶粒及均化组织超声振动对金属细化晶粒的机理很复杂，较为常见的有两种理论。第一种是超声空化破碎理论:当在结晶过程中引入超声振动时，正在长大的枝晶会被空化泡闭合时产生的高温、高压击碎，并分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，从而增加了晶核数，细化了晶粒。第二种是过冷生核理论:超声振动产生的空化泡在膨胀和泡内液体蒸发时，将使空化泡壁温度下降，引起空化泡周围熔液的降温，并形成新晶核，细化了晶粒。有无超声振动处理的组织晶相对比(铝合金)如图1所示。(2)均化合金中的化学成分在合金的结晶过程中，其中的某些先析出相或硬质相颗粒在重力作用下会在熔体中下沉，造成这些元素的分布不均匀，底部密度明显高于中上部密度。试验表明，在结晶过程中超声振动可有效地均化各化学成分在合金材料中的分布。超声振动产生的空化作用击碎正在成长的结晶相，并在振动作用下使其均匀分布到熔体各处，从而增加了熔体的浓度，使硬质相颗粒的下降速度减缓。另一方面，超声振动可以使熔体各处温度均匀化，结晶速度加快，这也缩短的了硬质相颗粒的下沉时间，减少了它们下沉堆积的机会[5]。也有人认为，超声振动在熔体中产生的声流及空化作用，使各化学成分在熔体中得到充分的搅拌、扩散与混合，减少了合金的微观偏析，从而均化了各合金元素在熔体中的微观分布。显然，晶粒的细化、组织的均匀化及合金中化学成分分布的均匀化，对提高材料的机械性能都有帮助，如能较明显地减少残余应力、提高强度、增强塑性等。2超声振动对激光熔覆过程的影响2.1超声振动对激光熔覆过程影响机理及作用在激光熔覆中引入超声振动的主要目的是减少或消除熔覆层裂纹。此外，超声振动还能均化熔覆层化学成分，减少熔池中气体含量以减少组织缺陷等。（1）减少或消除熔覆层裂纹在激光熔覆中引入超声振动的一个重要作用是减少残余应力，从而减少或消除熔覆层的裂纹。本文所说的裂纹特指单层单道熔覆过程中产生的裂纹，由搭接、多层堆积等原因产生的裂纹暂不考虑。熔覆后，材料的凝固速度非常快，因此熔覆层的裂纹大部分属于凝固裂纹。裂纹产生机理是:在很短的凝固时间里，初生的枝晶相互交错，形成封闭的固态结晶网，继续冷却时，由于外部的液体无法补充进来，故容易在初生的枝晶间产生拉应力，当应力超过一定值时产生裂纹。因此，熔覆层裂纹一般都是沿枝晶方向生长的。在激光熔覆过程中引入超声振动，由于超声振动在熔池中搅拌作用及空化作用产生的高压及高温，可以打碎由初生枝晶交错连接形成的固态结晶网，使继续结晶时熔体得到及时补充，消除了在枝晶间产生拉应力的根源，从而避免了裂纹的生成。同时，超声振动使熔池各处原本复杂的温度分布均匀化，也减小了产生裂纹的几率。(2)匀化熔覆层化学组织为了改善熔覆层性能，如增大强度、提高耐磨性等，有时需要在熔覆粉末中加入一定量的金属或非金属添加剂，如稀土、陶瓷、WC等[m。很多情况下，添加剂和熔覆材料粉末的相容性、亲和性很差，难以混合均匀。在熔覆前对预置的混合粉末进行超声振动，利用它的搅拌作用，可以使添加剂和熔覆材料粉末混合更为均匀。在熔覆的结晶过程中，由于和熔覆材料密度不同等原因，添加剂的析出相会下沉或上浮，造成添加剂在熔覆层中的分布不均。而超声振动在熔池中产生的空化作用可以增大熔体粘度，缩短凝固时间，从而使添加剂的下沉或上浮难度增大，均匀化了添加剂在熔覆层的分布。(3)除气溶解在熔池中的气体会影响到熔覆层的晶相组织，造成缺陷，因此除气也是改善熔覆层组织性能的手段之一。研究表明，超声振动在熔体中产生的扰动及空化作用，会使溶解在熔体中的气体进入原本几乎是真空的空化泡中，形成大气泡而上浮，最终逸出熔体[“]，达到除气的效果。故在熔覆过程中，超声振动可有效减少溶解在熔池中的气体，减少熔覆层组织的气孔等缺陷，从而改善了熔覆层的机械性能。（4)细化晶粒在金属结晶过程中施加超声振动有助于细化晶粒，故在激光熔覆中引入超声振动，将细化熔覆层组织晶粒，改善熔覆层性能。2.2在激光熔覆中引入超声振动的试验构想2.2.1试验装置在铸造过程中引入超声振动的方式一般是直接在熔体中引入超声振动杆。而在激光熔覆过程中，由于熔池一般很小，无法直接将超声振动器伸入熔体，因此只能采用间接的方式一种可行的方式是先将熔覆粉末预置于基体上，然后将基体连同预置粉末一起固定在超声振动器上，在进行激光熔覆开始时启动超声振动器，超声通过基体传递给熔池(图2)另：的裂纹;而超声振动激光熔覆过程可以同步施加且可以对熔覆层裂纹起到一定控制作用，现有资料报道的技术均采用单频率谐振的方法控制裂纹，只能对熔覆过程中的某一单一相变和物化反应过程进行控制，无法对整个熔覆过程中材料熔化、凝固、冷却及相变进行全方位控制，致使裂纹控制效果有限。研究发现，在激光熔覆的同时对熔池施加超生振动与常规激光熔覆及其他去应力手段相比，抑制熔覆层裂纹效果好。2.2.2超声参数的选取(1)声强使液体介质能产生空化作用的超声最低声强称为空化阀。要使液体介质产生空化作用，施加的超声声强必须大于该液体介质的空化阀空化阀pc。的计算公式如下:由上式可见，空化阀与液体介质的性质及其含气量、环境温度等有关。此外，空化阀与超声频率有密切联系，频率越高，空化阀也越高，液体介质越难空化。式(3)是理论上计算空化阀的公式，较为繁琐。根据空化阀与液体介质粘度的关系，得出了下面的经验公式:在激光熔覆试验中，可以查出熔覆材料熔化后熔体的粘滞系数，代入上式，就可得到该材料的空化阀，作为选取超声声强的参考。值得注意的是，在激光熔覆中引入超声振动，当施加的超声声强高于空化i}}时，并不是声强越大越好。若声强过大，则在结晶时，析出的枝晶不断地打碎重熔，使结晶速度变慢，凝固时间变长，导致熔覆层晶相组织粗大。因此，在选择超声的声强时，需根据熔覆材料的具体参数及超声频率，考虑一个合适的值，使之既能在熔池中产生空化作用，又可避免因声强过大而使熔覆材料组织粗大的现象。（2)频率空化泡产生后，会在超声场的作用下发生振动，并不一定发生闭合溃陷。只有当超声频率小于空化泡振动频率时，空化泡才会闭合溃陷，产生空化作用。空化泡的谐振频率可由下式来计算:在试验中，为了使空化泡能在振动中闭合溃陷，即产生空化作用，必须根据熔覆材料熔化后的性质，估算出原始空化泡半径及谐振频率，从而选择频率小于空化泡谐振频率的超声，才能对激光熔覆过程产生影响。同时，频率也不能太低，否则对熔池的搅拌扰动作用就会大大减弱。3小结通过超声振动对材料结晶过程的影响机理—空化作用的分析，表明在激光熔覆过程中施加超声振动，可以减少熔覆层裂纹、均化熔覆层化学成分、细化熔覆层组织晶粒，从而改善熔覆层性能。此外，还从影响空化作用的几个因素着手，初步阐述了在激光熔覆中引入超声振动试验的构想和超声参数的确定方法与原则。有关超声振动对激光熔覆过程影响的研究，目前国内外尚未得见，该项目的研究具有广阔前景，但尚有大量问题有待解决，如超声频率、超声强度、熔覆材料等与振动效果的具体量化关系等。此外，在激光熔覆中无法采用在铸造中引入超声的方法，直接将超声振动杆置于熔池中，只能采用间接传递的方式，而超声波在传播途中会有反射、衰减等，故改进试验中的超声装置也是一个值得关注的问题。摘要:采用激光熔覆同步超声振动(超声振动频率25kHz)在30CrMnSi基体表面制备Ni60熔覆层，研究超牛振动激光熔覆层的组织特点，并与常规激光熔覆层进行组织对比，研究超牛振动抑制熔覆层裂纹产牛的原因。实验结果表明，无论是组织均匀性、形核率还是熔覆层元素分布，超声振动激光熔覆层均优于未施加超声振动激光熔覆层。熔覆层裂纹是激光熔覆过程中的常见缺陷，严重制约了激光熔覆技术的应用。一些高性能材料由于熔覆会产生裂纹而无法进行激光熔覆。现有的控制激光熔覆裂纹的方法主要有，在基体与熔覆层之间增加过渡层、在熔覆粉末中添加稀土元素、激光熔覆前对基体材料预热和熔覆后退火、激光熔覆后机械锤击，以及激光熔覆过程同步施加超声振动。以上方法局限性较大，抑制激光熔覆层裂纹的效果均不明显。许多关重件由于材料、使用环境或性能要求的特殊不允许增加过渡层或添加稀土元素，无法通过添加过渡层来防止裂纹;熔覆前预热、熔覆后退火工艺不易操作，特别是对一些较大工件较难实施;而机械锤击只能改善熔覆层表面应力，在熔覆层裂纹控制上效果有限;上述三种方法都无法在激光熔覆过程中同步施加.因此无法控制激光熔覆过程中业已形成