基于超聲振動的激光金屬堆積機理研究分析

陳學永　史恩秀　Todd Sparks　阮建中

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

基于超聲振動的激光金屬堆積機理研究分析

陳學永1史恩秀2Todd Sparks3阮建中3

1.福建農林大學,福州,3500022.西安理工大學,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。該方法通過基板的超聲振動來改變堆積層晶粒的生長方向和生長速度,達到細化堆積層的晶粒、提高堆積層顯微硬度之目的。在理論分析的基礎上，通過實驗測試了相同工藝參數下堆積層晶粒的大小和硬度。實驗結果顯示，改變LUMD的工藝參數后,堆積層晶粒得到了細化,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

0　引言

提高材料表面硬度是增強其耐磨性的方法之一。根據Hall-Petch理論，微觀結構細化的金屬材料具有很高的硬度和韌性[1]。傳統的使金屬獲得細化的微觀組織結構的方法是熱處理。近年來，受激光在材料加工中廣泛應用的啟發,激光直接堆積技術成為很多學者研究的熱點[2-3]。激光金屬堆積技術的發展，使提高零件表面硬度有了新的思想,同時也使產品的設計、制造和生產發生了巨大的變革[4]。激光直接堆積(laser direct metal deposition,LDMD)是一種通過激光束將金屬粉末融化堆積在基體上的加工工藝，其特點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。通過激光熔敷逐層堆積可準確獲得復雜幾何形體的零件，因此,該工藝在激光快速成形[5]、激光表面再制造和修復[6]等領域得到應用。

在激光堆積過程中,材料的結晶速度很快,晶粒不易長大，但在此過程中獲得更細的微觀組織從而使材料得到更高的強度和硬度是科研工作者追求的目標。近年來，一些研究者在鑄造過程中通過振動來細化晶粒[7]。本文針對316L不銹鋼的激光直接堆積層硬度較低的問題，借鑒振動鑄造細化晶粒的方法，提出了在激光堆積過程中在基板上引入超聲振動來細化堆積層晶粒以提高堆積層硬度的激光超聲堆積新方法,并研究開發了一種超聲波振動裝置。通過超聲振動堆積實驗，在振動激光堆積過程中，引入基板的振動去干擾堆積層晶粒的生長方向和生長速度，從而使堆積層的晶粒得到細化，從根本上提高堆積層的顯微硬度。通過實驗分析了不同堆積工藝參數下的激光超聲堆積層的晶粒大小和硬度，并將其與無振動激光堆積進行了比較,證明了超聲振動激光堆積細化晶粒、提高材料硬度的可行性。

1　激光振動堆積機理模型

在激光振動堆積過程中,被堆積的基板安裝在以一定頻率振動的振動臺上,金屬粉末通過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，遇到基板后結晶。以下分析采用激光振動堆積細化晶粒。

1.1振動模型的建立

固化過程中,位于基板上的結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;m為單位長度的質量;l為整體懸臂長度。

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

熔池內的枝晶尺寸很小,固有頻率非常高,很難讓其產生共振。本文所研究的激光超聲振動堆積的思路是使堆積基板以枝晶固有頻率整數倍的頻率振動。為此設計了一臺振頻和振幅可控制的振動臺。實驗時，將堆積基板固定在超聲振動臺上，堆積過程中通過基板的振動傳遞使枝晶發生諧振。

采用振動方式來細化晶粒的振動有低頻振動和高頻振動。高頻振動的振動頻率一般高于10 kHz,比如超聲振動;低頻振動的振動頻率在100 Hz以內,如次聲波。本研究選擇超聲波高頻振動,振動頻率為40 kHz。

1.2超聲振動的機理

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

基板隨超聲振動臺做簡諧振動(圖1),其運動方程為

x=asin(2πf0t)

(2)

速度方程為

v=2aπf0cos(2πf0t)

(3)

式中,a為振幅;f0為振動臺的振動頻率。

由圖1知,為實現超聲堆積,金屬粉末液滴沿圖中“堆積方向”噴向基板。當基板的運動方向與金屬粉末液滴的噴射方向相反時,兩者開始接觸時(圖1中的A點),堆積開始；基板振動到B點處時,與金屬粉末液滴接觸最充分；當基板與噴粉方向一致時(圖1中的C點)兩者產生分離，完成一次堆積。下一個振動周期,基板與金屬粉末液滴在D點又一次接觸，進行下一次堆積。

圖1　超聲振動的動力學分析模型

設t1時刻,金屬粉末液滴與基板開始分離。要使金屬粉末液滴與基板上的堆積熔池產生分離,基板向下運動的速度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間t1滿足：

(4)

式中,T為基板的振動周期。

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

x=asin(2πf0t1)-v1(t-t1)

(5)

金屬粉末液滴與基板再次接觸時即在t2時刻,基板與液滴的相對振動位移為

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間tc為

tc=T+t1-t2

(10)

在一個堆積過程中,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的波動曲線

基板的振動使金屬粉末液滴撞擊到基板后,兩者的相對運動速度不斷改變，同時，基板的振動使金屬粉末液滴獲得了額外的能量，在晶粒生長過程中，金屬粉末液滴在沖擊作用下預制和干擾了枝晶的生長，從而使堆積層的晶粒得到細化，提高了堆積層的硬度。

2　基板振動夾具設計

圖3　基板振動夾具

如圖3所示,基板振動夾具由由3個零件構成。連接軸的一端固定于基板，另一端與圓盤固連，4個支撐柱將圓盤與超聲振動機的托盤分離。圓盤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生器中獲得諧振能量(通過實驗結果進行不斷修正頸部直徑,直到基板振動幅度最大)。

3　實驗及分析

本論文主要研究激光堆積過程中，超聲振動是否存在干擾和抑制晶粒生長、細化晶粒的作用，同時觀察超聲波與激光堆積參數間是否存在耦合現象。激光超聲堆積實驗時，取振動頻率(該頻率接近理論計算固有頻率值的整數倍)為42 kHz,改變實驗臺的振幅、激光功率、送粉量和激光移動速度等實驗參數。

激光堆積實驗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。實驗結果如表1所示。

表1　LUMD的實驗參數

3.1檢測方法

堆積后的晶粒尺寸是衡量堆積效果的重要指標。本文采用測定晶粒尺寸的方法來說明采用LUMD方法可達到細化堆積層晶粒的目的。堆積層晶粒的大小采用美國 ASTM標準,即用堆積層單位長度上的晶粒數量N來定義晶粒大小：

N=2n-1

(11)

ASTM的晶粒尺寸號n可以用單位面積或長度上的晶粒數來估算。估算n的最通用方法有對比法、晶粒計數法和斷面法。

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一條直線,通過橫斷線法計算晶粒數量來估算晶粒尺寸,結果見表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(振動方向是粉末注入方向)

樣品號振動頻率(kHz)晶粒數偏差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化。實驗結果證明了超聲振動細化激光堆積層晶粒的有效性。

超聲振動能對激光堆積層的晶粒進行細化的原因如下:①振動影響了晶粒的生長方向。LUMD中,晶粒生長方向與粉末注入方向成一個角度;LDMD中,晶粒生長方向與粉末注入方向相同。②LUMD中,超聲振動傳遞到枝晶，干擾了枝晶的生長，致使枝晶生長變慢或者發生斷裂。③調整激光超聲堆積的工藝參數，可改變晶粒的大小。激光超聲堆積的工藝參數對晶粒的影響是,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顯微硬度測試儀上測得的。測量時,測試壓力為4.96 N,作用時間為6 s;放大倍數為40。各試樣均測量5次,取其均值為被測件的硬度。測試結果見表3。

表3　微觀硬度的實驗結果

由實驗結果可知: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化。

4　結論

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

(2)振動使堆積層的晶粒得到細化。激光超聲堆積過程中,基板的振動方向和粉末注入方向相反時，金屬粉末液滴與熔池的相對運動速度疊加，粉末液滴容易進入到熔池的深處，干擾枝晶生長，因此超聲振動使懸臂梁狀態的枝晶生長受到干擾，致使晶粒斷裂、滑移，從而細化晶粒。

(3)超聲振動對提高激光堆積層的顯微硬度有一定的效果。超聲振動使激光堆積層的晶粒得到細化，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

陳學永,男,1970年生。福建農林大學機電工程學院副教授。主要研究方向為激光表面再制造和激光快速成型技術。發表論文20余篇。史恩秀,女,1966年生。西安理工大學機械與精密儀器工程學院副教授。Todd Sparks,男,1975年生。密蘇里科技大學機械與航空系助理研究員。阮建中,男,1970年生。密蘇里科技大學機械與航空系助理研究員。