超聲振動輔助對激光熔覆In718的顯微組織和性能的影響

超聲波激光熔覆振動平臺

     激光熔覆技術，經常作為直接能量沉積技術，在最近，在世界范圍內成為一個比較活躍的研究領域，這是因為該技術所具有的制備和修復以及強化的能力。在不同的激光熔覆當中，激光熔覆鎳基高溫合金，如航空發動機中的葉輪葉片就是一個特別引人矚目的研究領域。鎳基高溫合金廣泛的應用在制備飛機發動機的渦輪葉片，渦輪盤和燃燒室等，這是因為該合金所具有的高溫強度，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候也面臨著巨大的挑戰，這是因為合金內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，在近年來，超聲波振動技術被引入進來作為一種輔助的技術來進行鎳基合金的激光熔覆，可以提高其內部的顯微組織和機械性能（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等方面具有非常明顯的優勢。然而，隨之而來的是，其顯微組織中的內部缺陷和機械性能較差等問題，尚需要進一步的開展研究。采用超聲波輔助加工的辦法進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對金屬凝固過程中所起的作用，振動參數對熔池金屬的過冷度和孕育速率進行了研究。實驗結果證實，在應用超聲波之后，晶粒尺寸比僅僅采用激光熔覆時所得到的結果要明顯的細化。當超聲振動幅度為25 μm的時候，其晶粒尺寸可細化的程度是沒有采取振動的0.522 倍。析出相的結構和化學成分得到了顯著的改變。此外，高頻率振動對熔覆層的機械性能的影響也通過對比實驗進行了分析。結果表明，應用高頻率振動可以有效的減少氣孔，同時提高部件的顯微硬度和摩擦性能。定量的來說，摩擦系數在采用超聲振動且幅度為25 μm的時候，為0.628，而在沒有超聲振動的時候為0.709。

   超聲波，作為一種能量波，會產生聲化和空化效應，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晶。超聲振動在提高金屬的凝固組織和液態金屬的凝固過程等方面具有強烈的優勢。Komarov等人注意到在超聲振動的時候，超聲的空化和聲化效應對液態金屬的結晶和凝固過程的影響。由于這些效應的作用，高頻振動可以實現細化顯微組織，減少氣孔和提高元素成分的均勻性。Cong和Ning 等人實施了一系列的關于超聲輔助激光熔覆的實驗，結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動力的作用造成的。

     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。基于聲壓的變化，過冷度的程度和孕育速率隨著超聲波的震動幅度和頻率的增加而增加。同沒有施加超聲振動的激光熔覆相比較，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。隨著振動幅度的增加，晶粒尺寸得到了顯著的細化，Laves相的數量和成分（Nb和Mo）降低。

    此外，由于晶粒的細化使得顯微硬度得到提高，Laves相的數量和氣孔隨著超聲波的施加而變少。在超聲波振動幅度為25μm的時候，顯微硬度達到最大值，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，可以發現顯微硬度隨著振動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的影響非常不明顯。