激光沉積成形用超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研制*

欽蘭云 王 維 楊 光 卞宏友

（①沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽110136;②沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

在鈦合金激光快速成形的試驗(yàn)中，成形零件與基材結(jié)合處以及成形層間易發(fā)生翹曲變形甚至開裂，零件內(nèi)部的熔覆層與熔覆層之間或道與道之間容易產(chǎn)生氣孔甚至熔合不良缺陷。零件的翹曲變形、開裂將導(dǎo)致成形過程失敗，造成人力、物力的損失;零件的內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致零件失效，零件力學(xué)性能降低、使用壽命縮短及安全性不可靠的主要原因［1－2］。因此有必要采取一定措施細(xì)化晶粒，優(yōu)化組織，從而改善合金的力學(xué)性能。

目前國內(nèi)外通過物理場來改善金屬凝固組織、減少內(nèi)部缺陷、提高力學(xué)性能的方法主要有電磁攪拌及超聲波處理等手段，這些方法最先應(yīng)用在傳統(tǒng)的鑄造領(lǐng)域，逐漸發(fā)展到焊接、熔覆等涉及金屬熔化凝固的領(lǐng)域［3－7］。超聲振動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)的一種，是金屬凝固過程中改善組織、提高力學(xué)性能的有效方法之一，功率超聲波在液態(tài)金屬中傳播時(shí)，其高頻振動(dòng)和輻射壓力對(duì)媒介產(chǎn)生機(jī)械作用、熱作用、空化作用和聲流作用等，對(duì)液態(tài)金屬結(jié)晶過程造成影響，其公認(rèn)的效果有細(xì)化晶粒、組織均勻化、組織凈化（去氣、除渣、提純等）［8－9］。

基于以上原因，本文旨在研制激光沉積成形制造用的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，把超聲振動(dòng)引入鈦合金激光沉積成形系統(tǒng)中，以期達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織成分、提高沉積層組織的力學(xué)性能。

1 超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的搭建

超聲波振動(dòng)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器（電源）、換能器、變幅桿等部件組成。超聲波通過振動(dòng)的載物臺(tái)導(dǎo)入到被加工的基板上，然后再經(jīng)過波在基板上的傳播導(dǎo)入到熔融的熔池內(nèi)。超聲波連續(xù)不斷地對(duì)熔池作用，從而實(shí)現(xiàn)超聲場在激光沉積成形過程的施加。

1.1 超聲波設(shè)備的組成

圖1為鈦合金激光沉積成形系統(tǒng)施加超聲振動(dòng)的示意圖。超聲波設(shè)備由超聲波發(fā)生器和振動(dòng)系統(tǒng)兩大部分組成。其中超聲振動(dòng)系統(tǒng)又包含超聲波換能器、載物臺(tái)及支架、基板、沉積層。結(jié)合激光沉積制造系統(tǒng)的特點(diǎn)，將振動(dòng)部分的載物臺(tái)及支架、基板、沉積層（包含已經(jīng)加工和將要加工的部分，動(dòng)態(tài)變化）等同于變幅桿。

超聲波發(fā)生器其實(shí)就是超聲波專用驅(qū)動(dòng)電源，用于產(chǎn)生高頻高功率電流，驅(qū)動(dòng)超聲波振動(dòng)部件工作。其功率可調(diào)，以適應(yīng)不同的工作狀態(tài)。發(fā)生器內(nèi)還可根據(jù)需要集成有時(shí)序控制器，設(shè)定控制超聲波發(fā)振時(shí)間和間歇時(shí)間。本系統(tǒng)選用定制的數(shù)字超聲波驅(qū)動(dòng)電源，輸入電壓220 V，最大工作點(diǎn)電流1.5 A，輸出頻率在17～23 kHz。

換能器是將高頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，目前主要有磁致伸縮式和壓電式兩種。系統(tǒng)采用夾心式壓電換能器，型號(hào)為YP－5020－4Z，其參數(shù)如下:最大輸出功率1 500 W，壓電晶片數(shù)4片，諧振頻率20 kHz，電阻 15 Ω，電容11 000 ～16 500 pF。

超聲變幅桿又稱為超聲變速桿、超聲聚能器，在高聲強(qiáng)超聲設(shè)備中，變幅桿可以使把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度放大，或者是將超聲能量集中在較小的面積上。為了使換能器的超聲波能量更有效地傳到負(fù)載上，變幅桿是按照嚴(yán)格的聲學(xué)傳播原理，計(jì)算出各相關(guān)尺寸的，這樣傳播的超聲波能量也就越大［10］:

式中:ρ為彈性介質(zhì)的密度，kg/m3;c為彈性介質(zhì)中的波速，m/s;A為振動(dòng)的振幅，mm;ω為圓頻率，ω=2πf，rad/s。

變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動(dòng)振幅，以滿足超聲加工的需要。常用的變幅桿有階梯形、指數(shù)性、圓錐形、懸鏈形等。截面越小，能量密度就越大，振動(dòng)的幅值也就越大［10］。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動(dòng)頻率和外有激振頻率相等，處于共振狀態(tài)。因此變幅桿的長度要等于超聲波的半波長或其整數(shù)倍。

如果按照式（2），選用45鋼，并對(duì)其進(jìn)行加熱到850℃在水中淬火，520℃回火1 h的熱處理，此時(shí)其損耗系數(shù)最小為2 000，聲速c=5 160 m/s，若取f=20 kHz計(jì)算，變幅桿半波諧振長度最小為l=λ/2=c/（2f）=129 mm。

受系統(tǒng)真空箱空間所限，載物臺(tái)和基板的厚度應(yīng)在保證振動(dòng)系統(tǒng)的剛度的基礎(chǔ)上盡可能小。通過計(jì)算后選取載物臺(tái)厚度L1為15 mm，而基板的厚度及大小可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求確定，一般為了保證其在成形過程中不發(fā)生大的變形，厚度選L2≥5 mm。當(dāng)載物臺(tái)及基板分別為邊長A1=200 mm，A2=40 mm的正方形，如圖2所示的超聲波波形圖，由超聲波的波形圖可知，當(dāng)L1+L2≤L/6時(shí)，基板上表面能獲得比較大的振幅。

載物臺(tái)與基板靠螺紋緊密連接，兩者組合后的結(jié)構(gòu)與階梯形變幅桿特點(diǎn)類似，所以載物臺(tái)和基板的組合結(jié)構(gòu)具有梯形變幅桿的特性。可近似推出:

基板與換能器之間的面積系數(shù)N=N0，1×N1，2=1.25;

放大系數(shù)M=N2=1.56;

頻率方程kl=π?k=0.012;

位移節(jié)點(diǎn)長度及應(yīng)變最大點(diǎn)長度重合即x0=xM=λ/4=64.5 mm;

形狀因數(shù):理論上φ=1，但實(shí)際φ＜0.8。

基板與振動(dòng)臺(tái)作為超聲振動(dòng)的傳播媒介，其對(duì)超聲波振幅的放大倍數(shù)約為1.56，由于超聲波在傳播過程中機(jī)械損失、熱損失等，當(dāng)基板與載物臺(tái)處在諧振狀態(tài)時(shí)，基板表面的振幅可達(dá)6～8 μm，鑒于激光所形成的熔池非常小，足以對(duì)熔池的熔凝起到一定的機(jī)械攪拌作用及超聲空化效應(yīng)。

在成形過程中，試件的質(zhì)量及尺寸一直在增加，所以把試件和基板作為一個(gè)整體，令其等效于有負(fù)載的變幅桿來研究。鈦合金沉積成形屬于增材制造，相當(dāng)于作用在基板上的載荷一直在變，而成形零件的截面形狀也在不斷地變化，如果要分析基板及工件某個(gè)加工節(jié)點(diǎn)的共振頻率，首先要確定其截面特征，然后按照對(duì)應(yīng)的類型再分析負(fù)載對(duì)頻率的影響。如當(dāng)加工試件為截面均勻的桿，橫向尺寸小于波長的1/10，長度小于波長的1/4，可以用下式來計(jì)算試件的等效質(zhì)量Mt［11］。

式中:mt為試件質(zhì)量。

式中:t為試件激光熔覆時(shí)間;dm為試件沉積層生成速度，g/s;kt為系數(shù)，kt=ω/ct;ct為試件的縱波速度。

則試件成形過程中整個(gè)振動(dòng)部分的共振頻率方程為

式中:St為試件掃描平面的截面積;b為基板的厚度;l為載物臺(tái)與基板的厚度和;S2為基板截面積。

2.2 超聲振動(dòng)臺(tái)性能測試

激光沉積成形加工鈦合金零件的形狀、大小不盡相同，導(dǎo)致所需基板的大小或厚度也不盡相同，不同大小的基板與載物臺(tái)組成的振動(dòng)系統(tǒng)其諧振頻率也略有變化。實(shí)驗(yàn)前通過手動(dòng)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器頻率，對(duì)系統(tǒng)的諧振頻率進(jìn)搜索，調(diào)節(jié)過程中超聲波發(fā)生器的輸出電流最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率即為振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率［12］。

測量基板振幅時(shí)首先將基板固定到載物臺(tái)的中心位置如圖3，并把頻率調(diào)到系統(tǒng)的諧振頻率，然后將振幅測量儀垂直置于基板中心位置并置零，開啟超聲振動(dòng)，便可得到此點(diǎn)的振幅值。為了檢測基板上的振幅是否分布均勻、對(duì)稱，被測點(diǎn)的選取如圖4所示。

表1為TC4基板上振幅測量結(jié)果，其諧振頻率為19.2 kHz，振幅平均為9 μm。振幅的大小與基板的大小、厚度等有關(guān)，在成形加工時(shí)盡量保證所用基板規(guī)格一致。由于基板一般是對(duì)稱的，測量點(diǎn)可以減少;對(duì)于常用的基板在載物臺(tái)上有固定的安裝位置，可直接使用。此外這種5 mm厚的基板與載物臺(tái)組成的振動(dòng)子在系統(tǒng)的頻帶范圍內(nèi)還有兩個(gè)諧振點(diǎn)，頻率分別大約為18.1 kHz和21 kHz，基板中心振幅分別為4 μm和6 μm。在試驗(yàn)過程中所選的諧振起始頻率均為系統(tǒng)振幅最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。

2 超聲輔助激光成形工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用的激光沉積成形工藝參數(shù)為:激光功率1 800～2 100 W，焦距300 mm，掃描速度2～10 mm/s，送粉速度3 g/min，光斑直徑2.5 mm，搭接率30%，載氣壓力0.2 MPa，載氣流量3 L/min。試驗(yàn)用基材為TC4合金（Ti6Al4V），其化學(xué)成分如表2所示，尺寸為50 mm×40 mm×5 mm，實(shí)驗(yàn)前用砂紙打磨掉氧化層，用丙酮清洗去除表面油污及雜質(zhì)。

表1 基板振幅測量結(jié)果 μm

表2 TC4合金成分（wt%）

沉積材料為球形TC4粉、Ti粉末和Cr3C2粉末;將基板和粉末在真空干燥機(jī)中、150℃條件下干燥10 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將TC4粉及Ti和Cr3C2混合粉末放入送粉器的不同料倉，通過控制不同粉倉的送粉速率，使各熔覆層組分按一定規(guī)律改變，Cr3C2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從第一層的8.16%增至最后一層為20%［13］。試件底面尺寸為60 mm×20 mm，成形層數(shù)為10層，掃描方式采用層間正交柵格掃描，此方式得到的試件力學(xué)性能上無明顯的方向性，且有助于熱應(yīng)力的降低［14］。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5分別為未施加和施加超聲振動(dòng)的激光沉積成形的單道沉積層的橫截面形貌。系統(tǒng)的起始諧振頻率為19 kHz，單道沉積材料為TC4粉，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，施加超聲振動(dòng)使單道熔覆組織中的β柱狀晶尺寸明顯減小，且對(duì)沉積層的表面形貌及沉積層寬度影響不大，但是對(duì)沉積層的高度及熱影響區(qū)影響顯著。施加超聲振動(dòng)的沉積層高度變小，且熔凝層的熔池底部比較平緩，說明在超聲振動(dòng)作用下熔池內(nèi)對(duì)流更強(qiáng)烈，使激光束能量分布更均勻。但是單道沉積高度受超聲振動(dòng)的影響更加顯著，這是由于振動(dòng)的作用使粉末與基體之間發(fā)生強(qiáng)烈的彈性碰撞引起的，而熔池捕捉粉末的能力是一定的。

圖6為采用相同的成形工藝參數(shù)，未施加和施加超聲振動(dòng)沉積層中部的微觀組織，沉積材料為75%TC4+25%（Cr3C2+Ti）。圖6a發(fā)現(xiàn)沉積層組織中有類似魚骨狀的不發(fā)達(dá)的枝晶，能譜成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 89.29%Ti、8.36%C、1.70%Cr、0.65%Al，基本可確定為TiC相，平均長度為110 μm;而施加超聲振動(dòng)后，這種魚骨狀的組織結(jié)構(gòu)明顯減小如圖6b，其平均長度為50 μm。說明了在沉積成形過程中施加超聲振動(dòng)所得到的沉積層組織與未施加超聲振動(dòng)的施加沉積組織有顯著不同，原本較長的枝晶被打碎，晶粒得到細(xì)化，分布更為均勻。這是因?yàn)樵诔练e過程中，正在長大的枝晶網(wǎng)會(huì)被熔體空化泡閉合時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓擊碎，并分散到熔體的各個(gè)部分形成均勻分布的小晶核，從而增加了晶核數(shù)，細(xì)化了晶粒。

3 結(jié)語

本文針對(duì)激光沉積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其中的超聲電源、換能器和超聲變幅桿進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，然后測試了系統(tǒng)性能，最后采用工藝試驗(yàn)驗(yàn)證其性能和功用，從試驗(yàn)試件的宏觀形貌、內(nèi)部組織兩方面，分析了超聲振動(dòng)對(duì)沉積層組織的影響。得出如下結(jié)論:

（1）根據(jù)超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)起始諧振頻率為19.2 kHz，振幅平均為9 μm;

（2）施加超聲振動(dòng)可使單道沉積層高度顯著變小;

（3）通過金相觀察發(fā)現(xiàn)，施加超聲振動(dòng)后，中部沉積層組織晶粒得到細(xì)化;

（4）超聲機(jī)械效應(yīng)、聲流效應(yīng)引起的熔池對(duì)流和空化效應(yīng)引起的沖擊波是顯著細(xì)化沉積層晶粒的主要原因。

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