基于超聲振動(dòng)的激光金屬堆積機(jī)理研究分析

陳學(xué)永　史恩秀　Todd Sparks　阮建中

1.福建農(nóng)林大學(xué),福州,350002　　2.西安理工大學(xué),西安,7100483.Missouri University of Science and Technology,Rolla,Missouri,USA,65401

基于超聲振動(dòng)的激光金屬堆積機(jī)理研究分析

陳學(xué)永1史恩秀2Todd Sparks3阮建中3

1.福建農(nóng)林大學(xué),福州,3500022.西安理工大學(xué),西安,7100483.Missouri University of Science and Technology,Rolla,Missouri,USA,65401

為提高316L不銹鋼材料的激光堆積層硬度,提出了激光超聲堆積(LUMD)方法。該方法通過(guò)基板的超聲振動(dòng)來(lái)改變堆積層晶粒的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)速度,達(dá)到細(xì)化堆積層的晶粒、提高堆積層顯微硬度之目的。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了相同工藝參數(shù)下堆積層晶粒的大小和硬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改變LUMD的工藝參數(shù)后,堆積層晶粒得到了細(xì)化,堆積層的硬度得到了不同程度的提高。研究表明，采用LUMD方法可使堆積層的顯微硬度得到顯著提高。

激光直接堆積；超聲激光堆積；堆積層硬度；堆積工藝參數(shù)

0　引言

提高材料表面硬度是增強(qiáng)其耐磨性的方法之一。根據(jù)Hall-Petch理論，微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化的金屬材料具有很高的硬度和韌性[1]。傳統(tǒng)的使金屬獲得細(xì)化的微觀組織結(jié)構(gòu)的方法是熱處理。近年來(lái)，受激光在材料加工中廣泛應(yīng)用的啟發(fā),激光直接堆積技術(shù)成為很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[2-3]。激光金屬堆積技術(shù)的發(fā)展，使提高零件表面硬度有了新的思想,同時(shí)也使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變革[4]。激光直接堆積(laser direct metal deposition,LDMD)是一種通過(guò)激光束將金屬粉末融化堆積在基體上的加工工藝，其特點(diǎn)是可將任何形狀的零件分割成一系列的薄片，采用自底向上的逐層堆積方法得到所需形狀和尺寸的零件。通過(guò)激光熔敷逐層堆積可準(zhǔn)確獲得復(fù)雜幾何形體的零件，因此,該工藝在激光快速成形[5]、激光表面再制造和修復(fù)[6]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在激光堆積過(guò)程中,材料的結(jié)晶速度很快,晶粒不易長(zhǎng)大，但在此過(guò)程中獲得更細(xì)的微觀組織從而使材料得到更高的強(qiáng)度和硬度是科研工作者追求的目標(biāo)。近年來(lái)，一些研究者在鑄造過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)來(lái)細(xì)化晶粒[7]。本文針對(duì)316L不銹鋼的激光直接堆積層硬度較低的問(wèn)題，借鑒振動(dòng)鑄造細(xì)化晶粒的方法，提出了在激光堆積過(guò)程中在基板上引入超聲振動(dòng)來(lái)細(xì)化堆積層晶粒以提高堆積層硬度的激光超聲堆積新方法,并研究開(kāi)發(fā)了一種超聲波振動(dòng)裝置。通過(guò)超聲振動(dòng)堆積實(shí)驗(yàn)，在振動(dòng)激光堆積過(guò)程中，引入基板的振動(dòng)去干擾堆積層晶粒的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)速度，從而使堆積層的晶粒得到細(xì)化，從根本上提高堆積層的顯微硬度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同堆積工藝參數(shù)下的激光超聲堆積層的晶粒大小和硬度，并將其與無(wú)振動(dòng)激光堆積進(jìn)行了比較,證明了超聲振動(dòng)激光堆積細(xì)化晶粒、提高材料硬度的可行性。

1　激光振動(dòng)堆積機(jī)理模型

在激光振動(dòng)堆積過(guò)程中,被堆積的基板安裝在以一定頻率振動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)上,金屬粉末通過(guò)同軸送粉器噴向基板。金屬粉末與基板接觸前，在激光的作用下被熔化為液滴，遇到基板后結(jié)晶。以下分析采用激光振動(dòng)堆積細(xì)化晶粒。

1.1振動(dòng)模型的建立

固化過(guò)程中,位于基板上的結(jié)晶體即晶枝的形狀可以近似看成懸臂梁。晶枝的固有頻率可用懸臂梁固有頻率的計(jì)算,估算模型如下：

(1)

B=(πi)2(i=1,2,3)

式中,E為材料的彈性模量;I為界面模型參數(shù);m為單位長(zhǎng)度的質(zhì)量;l為整體懸臂長(zhǎng)度。

本研究中所用測(cè)試材料是316L不銹鋼,其彈性模量E=200GPa,密度ρ=5.45×103kg/m3。根據(jù)給定的參數(shù),ωn的計(jì)算結(jié)果如下:i=1時(shí),ωn=2.375×107Hz;i=2時(shí),ωn=1.064×108Hz;i=3時(shí),ωn=1.930×108Hz。

熔池內(nèi)的枝晶尺寸很小,固有頻率非常高,很難讓其產(chǎn)生共振。本文所研究的激光超聲振動(dòng)堆積的思路是使堆積基板以枝晶固有頻率整數(shù)倍的頻率振動(dòng)。為此設(shè)計(jì)了一臺(tái)振頻和振幅可控制的振動(dòng)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將堆積基板固定在超聲振動(dòng)臺(tái)上，堆積過(guò)程中通過(guò)基板的振動(dòng)傳遞使枝晶發(fā)生諧振。

采用振動(dòng)方式來(lái)細(xì)化晶粒的振動(dòng)有低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)。高頻振動(dòng)的振動(dòng)頻率一般高于10 kHz,比如超聲振動(dòng);低頻振動(dòng)的振動(dòng)頻率在100 Hz以?xún)?nèi),如次聲波。本研究選擇超聲波高頻振動(dòng),振動(dòng)頻率為40 kHz。

1.2超聲振動(dòng)的機(jī)理

超聲振動(dòng)的方向與激光注入方向相同時(shí)，超聲能量可以高效地作用在激光堆積的基板上，通過(guò)基板將能量傳遞給熔池中的晶枝。

基板隨超聲振動(dòng)臺(tái)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)(圖1),其運(yùn)動(dòng)方程為

x=asin(2πf0t)

(2)

速度方程為

v=2aπf0cos(2πf0t)

(3)

式中,a為振幅;f0為振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率。

由圖1知,為實(shí)現(xiàn)超聲堆積,金屬粉末液滴沿圖中“堆積方向”噴向基板。當(dāng)基板的運(yùn)動(dòng)方向與金屬粉末液滴的噴射方向相反時(shí),兩者開(kāi)始接觸時(shí)(圖1中的A點(diǎn)),堆積開(kāi)始；基板振動(dòng)到B點(diǎn)處時(shí),與金屬粉末液滴接觸最充分；當(dāng)基板與噴粉方向一致時(shí)(圖1中的C點(diǎn))兩者產(chǎn)生分離，完成一次堆積。下一個(gè)振動(dòng)周期,基板與金屬粉末液滴在D點(diǎn)又一次接觸，進(jìn)行下一次堆積。

圖1　超聲振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析模型

設(shè)t1時(shí)刻,金屬粉末液滴與基板開(kāi)始分離。要使金屬粉末液滴與基板上的堆積熔池產(chǎn)生分離,基板向下運(yùn)動(dòng)的速度v要高于金屬粉末液滴的噴射速度v1。兩者分離的臨界條件是v和v1相等。由式(3)知,金屬粉末液滴與基板分離的時(shí)間t1滿足：

(4)

式中,T為基板的振動(dòng)周期。

v1>2πaf0時(shí),式(4)不成立,這就意味著金屬粉末液滴始終粘著基板,不會(huì)與基板分離。因此v0=2πaf0是關(guān)鍵速度。金屬粉末液滴與基板分離后,t時(shí)刻的基板與金屬液滴相對(duì)位置為

x=asin(2πf0t1)-v1(t-t1)

(5)

金屬粉末液滴與基板再次接觸時(shí)即在t2時(shí)刻,基板與液滴的相對(duì)振動(dòng)位移為

x=asin(2πf0t2)=asin(2πf0t1)-v1(t2-t1)

(6)

則有

-v1/a=2πf0cos(2πf0t1)

(7)

式(6)變形可得

asin(2πf0t1)+v1t1=asin(2πf0t2)+v1t2

(8)

因此t1、t2和f0的關(guān)系如下：

sin(2πf0t1)-2πf0t1sin(2πf0t1)=

sin(2πf0t2)-2πf0t2sin(2πf0t2)

(9)

基板與金屬粉末液滴的接觸時(shí)間tc為

tc=T+t1-t2

(10)

在一個(gè)堆積過(guò)程中,tc/T、t1/T,t2/T隨著v1/v0的變化如圖2所示。

圖2　tc/T、t1/T、t2/T隨v1/v0的波動(dòng)曲線

基板的振動(dòng)使金屬粉末液滴撞擊到基板后,兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不斷改變，同時(shí)，基板的振動(dòng)使金屬粉末液滴獲得了額外的能量，在晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中，金屬粉末液滴在沖擊作用下預(yù)制和干擾了枝晶的生長(zhǎng)，從而使堆積層的晶粒得到細(xì)化，提高了堆積層的硬度。

2　基板振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

圖3　基板振動(dòng)夾具

如圖3所示,基板振動(dòng)夾具由由3個(gè)零件構(gòu)成。連接軸的一端固定于基板，另一端與圓盤(pán)固連，4個(gè)支撐柱將圓盤(pán)與超聲振動(dòng)機(jī)的托盤(pán)分離。圓盤(pán)浸泡在水中以放大超聲波的振幅。連接軸采用不等直徑是為了讓基板可以從超聲波發(fā)生器中獲得諧振能量(通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不斷修正頸部直徑,直到基板振動(dòng)幅度最大)。

3　實(shí)驗(yàn)及分析

本論文主要研究激光堆積過(guò)程中，超聲振動(dòng)是否存在干擾和抑制晶粒生長(zhǎng)、細(xì)化晶粒的作用，同時(shí)觀察超聲波與激光堆積參數(shù)間是否存在耦合現(xiàn)象。激光超聲堆積實(shí)驗(yàn)時(shí)，取振動(dòng)頻率(該頻率接近理論計(jì)算固有頻率值的整數(shù)倍)為42 kHz,改變實(shí)驗(yàn)臺(tái)的振幅、激光功率、送粉量和激光移動(dòng)速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

激光堆積實(shí)驗(yàn)用的金屬粉末及基板均為316 L不銹鋼,每次堆積5層,微觀組織顯微圖從中間層斷面獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　LUMD的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1檢測(cè)方法

堆積后的晶粒尺寸是衡量堆積效果的重要指標(biāo)。本文采用測(cè)定晶粒尺寸的方法來(lái)說(shuō)明采用LUMD方法可達(dá)到細(xì)化堆積層晶粒的目的。堆積層晶粒的大小采用美國(guó) ASTM標(biāo)準(zhǔn),即用堆積層單位長(zhǎng)度上的晶粒數(shù)量N來(lái)定義晶粒大?。?/p>

N=2n-1

(11)

ASTM的晶粒尺寸號(hào)n可以用單位面積或長(zhǎng)度上的晶粒數(shù)來(lái)估算。估算n的最通用方法有對(duì)比法、晶粒計(jì)數(shù)法和斷面法。

3.2微觀組織比較

激光堆積所得到的堆積層微觀組織如圖4所示。采用斷面法在微觀組織圖中畫(huà)一條直線,通過(guò)橫斷線法計(jì)算晶粒數(shù)量來(lái)估算晶粒尺寸,結(jié)果見(jiàn)表2。

(a)樣品1(LDMD)(b)樣品2(LUMD)

(c)樣品3(LUMD)(d)樣品4(LUMD)

(e)樣品5(LUMD)(f)樣品6(LUMD)圖4　LDMD與LUMD微觀組織圖(振動(dòng)方向是粉末注入方向)

樣品號(hào)振動(dòng)頻率(kHz)晶粒數(shù)偏差10353.623242523.416342493.211442453.391542473.441642543.165

從圖4和表2可知,與激光直接堆積相比，采用激光超聲堆積方法所獲得的堆積層晶粒得到了細(xì)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了超聲振動(dòng)細(xì)化激光堆積層晶粒的有效性。

超聲振動(dòng)能對(duì)激光堆積層的晶粒進(jìn)行細(xì)化的原因如下:①振動(dòng)影響了晶粒的生長(zhǎng)方向。LUMD中,晶粒生長(zhǎng)方向與粉末注入方向成一個(gè)角度;LDMD中,晶粒生長(zhǎng)方向與粉末注入方向相同。②LUMD中,超聲振動(dòng)傳遞到枝晶，干擾了枝晶的生長(zhǎng)，致使枝晶生長(zhǎng)變慢或者發(fā)生斷裂。③調(diào)整激光超聲堆積的工藝參數(shù)，可改變晶粒的大小。激光超聲堆積的工藝參數(shù)對(duì)晶粒的影響是,激光功率越低,晶粒越大；送粉量越大，晶粒越小。

3.3激光超聲堆積和激光直接堆積的顯微硬度

堆積層硬度是在Duramin顯微硬度測(cè)試儀上測(cè)得的。測(cè)量時(shí),測(cè)試壓力為4.96 N,作用時(shí)間為6 s;放大倍數(shù)為40。各試樣均測(cè)量5次,取其均值為被測(cè)件的硬度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　微觀硬度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:采用超聲激光堆積可以減小堆積層的晶粒尺寸,使堆積層的顯微硬度得到不同程度的提高，其原因是超聲激光堆積使得堆積層的晶粒細(xì)化。

4　結(jié)論

(1)基板的振動(dòng)改變了堆積層晶粒的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)的速度。采用激光超聲堆積時(shí)，堆積層的晶粒生長(zhǎng)方向發(fā)生傾斜，與粉末注入方向成一個(gè)角度。

(2)振動(dòng)使堆積層的晶粒得到細(xì)化。激光超聲堆積過(guò)程中,基板的振動(dòng)方向和粉末注入方向相反時(shí)，金屬粉末液滴與熔池的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度疊加，粉末液滴容易進(jìn)入到熔池的深處，干擾枝晶生長(zhǎng)，因此超聲振動(dòng)使懸臂梁狀態(tài)的枝晶生長(zhǎng)受到干擾，致使晶粒斷裂、滑移，從而細(xì)化晶粒。

(3)超聲振動(dòng)對(duì)提高激光堆積層的顯微硬度有一定的效果。超聲振動(dòng)使激光堆積層的晶粒得到細(xì)化，從而提高了堆積層的硬度。

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(編輯張洋)

Study on Mechanism of Laser Metal Deposition Based on Ultrasonic Vibration

Chen Xueyong1Shi Enxiu2Todd Sparks3Ruan Jianzhong3

1.Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou,350002 2.Xi’an University of Technology,Xi’an,710048 3.Missouri University of Science and Technology,Rolla,Missouri,USA,65401

To improve the hardness of deposition layer got by LDMD for stainless steel 316L,a kind of new deposition method—LUMD was put forward herein to refine the crystalline for increasing the hardness of deposition layer during laser deposition.By analyzing the theory of LUMD,the growth direction and growth velocity of deposition layer crystalline were changed so that the micro-hardness of the laser deposition layer was improved while base board was vibrated supersonically.It is found from experiments microstructure picture that the mechanical behavior of laser deposition layer was influenced because of the base board vibration.It is testified by experiments that the crystalline of deposition layer got by LUMD is refine and the hardness of deposition layer is increased while the parameters of LUMD are changed. It is also verified that the hardness of deposition layer is improved significantly when the process parameters in LUMD are selected reasonably.

laser direct metal deposited(LDMD);laser ultrasonic metal deposition(LUMD);micro-hardness of deposition layer;parameter of deposition

2014-04-17

TH166DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.013

陳學(xué)永,男,1970年生。福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)榧す獗砻嬖僦圃旌图す饪焖俪尚图夹g(shù)。發(fā)表論文20余篇。史恩秀,女,1966年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院副教授。Todd Sparks,男,1975年生。密蘇里科技大學(xué)機(jī)械與航空系助理研究員。阮建中,男,1970年生。密蘇里科技大學(xué)機(jī)械與航空系助理研究員。