磨床箱體工藝及夾具設(shè)計(jì)-鏜孔夾具
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功能梯度材料上的激光金屬沉積與超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究
秦藍(lán)云 汪煒 楊廣
沈陽工業(yè)大學(xué),中國,沈陽,110016,
沈陽航空工業(yè)學(xué)院,中國,沈陽,110134,
qinly@sauedu.cn,wangw1116”sau.edu.cn,yangguang@sau.edu.cn
關(guān)鍵詞:超聲波振動(dòng);激光金屬沉積;激光;梯度功能材料;鈦合金
摘要:針對鑄件超聲波振動(dòng)的影響,焊接和激光熔覆,研究表明,它也可以使用鈦合金的金屬激光沉積(LMD),以保護(hù)諸如裂紋,氣孔和氧化中的缺陷,細(xì)化晶粒,提高凝固組織的均勻性。因此采用超聲振動(dòng)系統(tǒng)制造功能梯度材料(FGM)的樣品,并分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲振動(dòng)可以抑制孔隙的形成,細(xì)化晶粒,使TiC硬質(zhì)相對在功能梯度材料零件更均勻,這同樣也是由顯微硬度試驗(yàn)表明。
簡介
激光金屬沉積(LMD)的進(jìn)程已經(jīng)引起廣泛關(guān)注,最近他們形成近凈形零件的低成本能力。然而,諸如裂紋,孔隙,氧化和包層之間的不良粘合這樣的缺陷可能出現(xiàn)在LMD部份,如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)。翹曲或裂紋將導(dǎo)致失敗的形成。此外,內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致其力學(xué)性能降低和安全性較差甚至失效的主要原因[1-4]。
目前用于改進(jìn)金屬的凝固組織,減少內(nèi)部缺陷的方法包含電流法,電磁攪拌,超聲波等,這些方法都施加在傳統(tǒng)的鑄造領(lǐng)域,后來逐漸發(fā)展到焊接,熔覆和其他熔融金屬凝固領(lǐng)域 [5-9]。作為一種機(jī)械振動(dòng),超聲波振動(dòng)被廣泛應(yīng)用在金屬凝固的場合,其設(shè)備簡單、能耗低。
鑒于在金屬凝固的顯著效應(yīng),超聲波振動(dòng)在LMD進(jìn)程以改善內(nèi)部質(zhì)量和解決變形的LMD裂縫的部分瓶頸問題,并且還使得功能梯度材料零件的增強(qiáng)相更均勻。
超聲振動(dòng)的機(jī)理
超聲空化效應(yīng)??栈F(xiàn)象是在液體中常見的物理現(xiàn)象。受渦流,超聲波或其它物理場的液體將暫時(shí)在某一位置形成負(fù)壓區(qū)域,導(dǎo)致在液體或固體 - 液體部分?jǐn)嗔?,然后產(chǎn)生微小的液泡或氣泡。泡沫將經(jīng)歷主要成長的過程,發(fā)展,然后迅速關(guān)閉,。會(huì)有一個(gè)很大的壓力出現(xiàn)在孔隙閉合瞬間,這就是所謂的氣穴現(xiàn)象。
通過氣穴孔的閉合瞬間所產(chǎn)生的巨大能量實(shí)現(xiàn)空化效應(yīng),并且在這個(gè)過程中,一些孔隙能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光輻射和其他輻射的沖擊波使液體局部壓力高達(dá)數(shù)千大氣壓[10-12]。
超聲波的機(jī)械作用。在液態(tài)金屬中超聲波的傳播促進(jìn)液體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)以及晶核形成。在一定的頻率和振幅,該金屬熔池的冷卻速度和結(jié)晶核的數(shù)量可以增加。日益增加的對流換熱使溫度場更均勻,溫度梯度減小。其結(jié)果是,它減少了熱應(yīng)力,形成部分的殘余應(yīng)力,并抑制變形和裂紋的傾向。此外,增加的晶核細(xì)化熔覆層的組合物能夠分散于晶體使其結(jié)構(gòu)更充分。
實(shí)驗(yàn)步驟
建立過程。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)是由超聲波發(fā)生器,換能器,變幅桿[13],等,超聲導(dǎo)入基板的振動(dòng)載荷平臺,然后通過熔池的基板傳送到襯底。超聲振動(dòng)的示意圖如圖1所示。
圖1激光金屬沉積的超聲波振動(dòng)示意圖
數(shù)字超聲波采用電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其輸入電壓為220V,最大工作電流為l.5a,輸出頻率約為17至23千赫。超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要包含的激光系統(tǒng),軟件控制系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng),粉末給料系統(tǒng),真空保護(hù)系統(tǒng)和超聲波振動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工藝參數(shù)列于表1。
表1該系統(tǒng)的處理參數(shù)
材料。實(shí)驗(yàn)基材是的Ti6Al4V,其標(biāo)稱化學(xué)組成如表2所示。Ti6Al4V的試樣切成l00mmx55mmxl0mm的碎片,然后用320碳化硅紙研磨 ,再用丙酮、乙醇脫脂后沉積[14]。
表2?Ti6A14V合金成分(wt%)
TC4粉末(純度99.5%),Cr3C2復(fù)合粉末(純度99%)和純鈦粉末(純度99.5%)充分混合,通過球磨在氬氣下進(jìn)行充分混合。粉末顆粒尺寸-100?/ + 325(45和150微米之間的顆粒大?。7勰┰?50°C的真空干燥柜中干燥10小時(shí)[14]。
結(jié)果與討論
孔隙的影響。鈦合金激光加工過程中,會(huì)有小的氣體的快速凝固導(dǎo)致熔覆層內(nèi)的孔隙不能從熔池及時(shí)溢出的缺陷。熔覆層的下一層不溢出,頂層將重熔于熔池,并有機(jī)會(huì)消除毛孔。如果不是這樣,缺陷層將被包括在的下一個(gè)層,結(jié)果在試樣內(nèi)部造成缺陷。
熔覆層無超聲振動(dòng)孔隙形態(tài) 超聲波振動(dòng)的熔覆層孔隙形態(tài)
圖2超聲波振動(dòng)對熔覆層孔隙的影響(100%?TC4)
如圖2所示,顯然,超聲振動(dòng)熔覆層的孔隙數(shù)量和尺寸比較小。原因可能是機(jī)械的超聲波振動(dòng)攪拌可以促進(jìn)熔池中的液體對流,使氣體容易集中并上升,減少孔隙,此外高頻振動(dòng)和空化作用使孔隙融合成大的氣泡從熔池溢出。
對功能梯度材料試件的影響。四個(gè)標(biāo)本分別在相同參數(shù)的超聲振動(dòng)條件下實(shí)驗(yàn)。然后對標(biāo)本進(jìn)行切割,研磨,拋光和腐蝕。圖3顯示的是標(biāo)本中熔覆層的組織結(jié)構(gòu)。從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)沒有采用振動(dòng)的試樣組織結(jié)構(gòu)像樹枝狀,其平均長度為ll0μm。相比之下,利用超聲波振動(dòng)的試樣樹枝狀的尺寸被減小,其平均長度為50μm,如圖3(b)所示。
a-無超聲振動(dòng)的顯微結(jié)構(gòu) b-超聲振動(dòng)顯微結(jié)構(gòu)
圖3組織標(biāo)本中的熔覆層(75%?TC4?+?25%(Cr3C2?+?Ti))
圖4顯示了樣本的增強(qiáng)相TiC顆粒的尺寸分布。超聲振動(dòng)下的TiC晶粒尺寸為l.5lμm,這很明顯小了很多,這表明超聲振動(dòng)可以細(xì)化晶粒,使增強(qiáng)相分布均勻。
a-無超聲波下的TiC分布, b-超聲波下的TiC分布
圖4標(biāo)本中的TiC顆粒大小的分布(70%?TC4?+?30%(Cr3C2?+?Ti))
顯微硬度試驗(yàn)方法。硬度(HV)的實(shí)驗(yàn)測試是基于GB / t4340.1-2009和mvk-300顯微硬度計(jì)。實(shí)驗(yàn)條件列于表3。
表3顯微硬度試驗(yàn)條件
兩個(gè)標(biāo)本用于測試,其測試選擇的點(diǎn),如圖5所示,將沿高度方向測試從基體到熔覆層的頂部,并且每兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的距離為1mm;10個(gè)點(diǎn)在每個(gè)高度沿水平方向統(tǒng)一選擇。
圖5顯微硬度測試點(diǎn)示意圖
圖6顯示,每個(gè)樣品的增加高度方向是與梯度材料[ 14 ]硬度基本一致的??梢詮脑撚捕确植嫉拿總€(gè)輪廓線看見波動(dòng)得厲害的是未經(jīng)超聲波振動(dòng)的。結(jié)果表明,在超聲振動(dòng)試樣中硬度異常點(diǎn)少得多,這表明超聲振動(dòng)可以使熔覆層成分分布更加均勻。
a-無超聲波振動(dòng) b-超聲波振動(dòng)
圖6試樣的顯微硬度分布
結(jié)論
基于超聲振動(dòng)改善凝固組織的質(zhì)量的機(jī)制,本文通過比較采用超聲振動(dòng)系統(tǒng)的LMD鈦合金試樣顯微組織和力學(xué)性能并分析其對功能梯度材料熔覆層的效果,并得出以下結(jié)論。
(1)超聲波振動(dòng)將有助于抑制氣孔的形成和減少它的大?。????
(2)通過對中間熔覆層的顯微組織分析,可以發(fā)現(xiàn),超聲波振動(dòng)破壞枝晶的時(shí)間越長晶粒徑越微細(xì)化;此外,在功能梯度材料試樣上,增強(qiáng)相的TiC顆粒尺寸較小,并得到更均勻的分布;
(3)硬度試驗(yàn)表明,梯度材料試件具有良好的硬度一致性和較高的機(jī)械性能,這表明超聲振動(dòng)可以細(xì)化熔覆層和均勻微觀結(jié)構(gòu),并提高其力學(xué)性能。
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