超聲波激光熔覆振動(dòng)平臺

    激光熔覆技術(shù)，經(jīng)常作為直接能量沉積技術(shù)，在最近，在世界范圍內(nèi)成為一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)所具有的制備和修復(fù)以及強(qiáng)化的能力。在不同的激光熔覆當(dāng)中，激光熔覆鎳基高溫合金，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉輪葉片就是一個(gè)特別引人矚目的研究領(lǐng)域。鎳基高溫合金廣泛的應(yīng)用在制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，渦輪盤和燃燒室等，這是因?yàn)樵摵辖鹚哂械母邷貜?qiáng)度，疲勞性能和抗氧化和耐熱腐蝕性能。然而，在激光熔覆鎳基高溫合金的時(shí)候也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楹辖饍?nèi)部所存在的顯微組織的不均勻和較高的氣孔率等問題。為了克服這一挑戰(zhàn)，在近年來，超聲波振動(dòng)技術(shù)被引入進(jìn)來作為一種輔助的技術(shù)來進(jìn)行鎳基合金的激光熔覆，可以提高其內(nèi)部的顯微組織和機(jī)械性能（顯微硬度和摩擦性能）和減少沉積過程中所形成的缺陷。

    激光熔覆在金屬部件成形和制備涂層以及修復(fù)等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。然而，隨之而來的是，其顯微組織中的內(nèi)部缺陷和機(jī)械性能較差等問題，尚需要進(jìn)一步的開展研究。采用超聲波輔助加工的辦法進(jìn)行激光熔覆來提高熔覆部件的性能。基于超聲波的聲化和空化效應(yīng)對金屬凝固過程中所起的作用，振動(dòng)參數(shù)對熔池金屬的過冷度和孕育速率進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在應(yīng)用超聲波之后，晶粒尺寸比僅僅采用激光熔覆時(shí)所得到的結(jié)果要明顯的細(xì)化。當(dāng)超聲振動(dòng)幅度為25 μm的時(shí)候，其晶粒尺寸可細(xì)化的程度是沒有采取振動(dòng)的0.522 倍。析出相的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分得到了顯著的改變。此外，高頻率振動(dòng)對熔覆層的機(jī)械性能的影響也通過對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，應(yīng)用高頻率振動(dòng)可以有效的減少氣孔，同時(shí)提高部件的顯微硬度和摩擦性能。定量的來說，摩擦系數(shù)在采用超聲振動(dòng)且幅度為25 μm的時(shí)候，為0.628，而在沒有超聲振動(dòng)的時(shí)候?yàn)?.709。

  超聲波，作為一種能量波，會(huì)產(chǎn)生聲化和空化效應(yīng)，作為輔助激光熔覆的工藝，可以通過改變熔體金屬的過冷和孕育速率而影響熔體的結(jié)晶。超聲振動(dòng)在提高金屬的凝固組織和液態(tài)金屬的凝固過程等方面具有強(qiáng)烈的優(yōu)勢。Komarov等人注意到在超聲振動(dòng)的時(shí)候，超聲的空化和聲化效應(yīng)對液態(tài)金屬的結(jié)晶和凝固過程的影響。由于這些效應(yīng)的作用，高頻振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化顯微組織，減少氣孔和提高元素成分的均勻性。Cong和Ning 等人實(shí)施了一系列的關(guān)于超聲輔助激光熔覆的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示晶粒尺寸隨著超聲頻率的增加而下滑。此外，界面之間的結(jié)合變得更加平滑。在近年來，一些研究表明晶粒尺寸的減少是孕育過程中驅(qū)動(dòng)力的作用造成的。

    在超聲輔助激光熔覆的過程中，聲壓隨著超聲波的施加而周期性的變化?；诼晧旱淖兓?strong>過冷度的程度和孕育速率隨著超聲波的震動(dòng)幅度和頻率的增加而增加。同沒有施加超聲振動(dòng)的激光熔覆相比較，柱狀晶主要集中在熔覆層的底部。熔覆層的中間和頂部隨著超聲波的施加變成了等軸晶。隨著振動(dòng)幅度的增加，晶粒尺寸得到了顯著的細(xì)化，Laves相的數(shù)量和成分（Nb和Mo）降低。

   此外，由于晶粒的細(xì)化使得顯微硬度得到提高，Laves相的數(shù)量和氣孔隨著超聲波的施加而變少。在超聲波振動(dòng)幅度為25μm的時(shí)候，顯微硬度達(dá)到最大值，為215HV。此外，在涂層頂部的顯微硬度比底部的要大。其主要原因是柱狀晶主要集中在底部，而中間和頂部主要為等軸晶。至于熱影響區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)顯微硬度隨著振動(dòng)幅度的增加而逐漸增加。然而，激光功率和掃描速度對顯微組織，顯微硬度和熱影響區(qū)的影響非常不明顯。