超声振动对激光熔覆过程的影响.docx

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1、超声振动对激光熔覆过程的影响陈畅源邓琦林宋建丽(上海交通大学机械工程学院，上海)摘要:从超声振动对结晶过程的影响机理出发，阐述了超声振动对改善金属组织性能的作用，并对在激光熔覆中引入超声振动的意义、机理及试验方案做了初步的探讨。关键词:激光熔覆;超声振动;裂纹TheInfluenceofUltrasonicVibrationontheProcessofLaserCladdingChenChangyuan,DengQilin,SongJianli(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,China)A

2、bstract:Inprocessultrasonicvibration-assistedlasercladdingcanreducethecracksofthecladdinglayerandimproveitsmechanicalproperty.Keywords:lasercladding;ultrasonicvibration;cracks激光熔覆是20世纪90年代初发展起来的一种新兴的先进制造技术，它是通过高能激光束将送入或预置的熔覆粉末熔化，并使之与基体材料形成良好冶金结合的过程[‘]。由于粉末的熔化及凝固速度很快，因

3、此能得到组织性能较好的熔覆层组织。激光熔覆作为一种新的加工技术，近年来受到广泛的关注与研究，并得到了一定的应用。在研究和应用的过程中，也遇到了一系列的问题。例如熔覆粉末的制备、送粉方式的改进、熔覆层组织性能和质量的控制等，其中最重要的是熔覆层的裂纹问题。围绕如何减少或消除熔覆层裂纹这一问题，国内外学者做了大量的研究，减少裂纹的常见方法有增加Ni含量、增大激光束能量密度、在熔池中施加电磁扰动以及对基体进行预热等[21。本文将从超声振动对液体介质的影响机理出发，阐述在激光熔覆过程中引入超声振动，以减少熔覆层裂纹以及改善熔覆层组织性能的

4、可能性。1超声振动对金属结晶过程的影响机理1.1空化作用液体能承受很大的压应力，但受拉能力却不强，受拉时，很容易被撕裂而形成气囊。因此，当超声在液体中传播时，由于强烈的高频振动，液体介质将交替地受压和受拉，造成如下结果:在超声的负压相时，液体被撕裂，形成压力很低的空化泡;在正压相来临时，空化泡迅速闭合，产生巨大的水击现象，同时伴有瞬间的高温高压现象。这种空化泡在液体介质中产生、溃陷或消失的现象，叫做空化作用。对于由较强超声振动产生的空化泡，Neppiras推导出在空化泡闭合溃陷时产生的最高温度和最高压力计算公式如下:式中:T。为环

5、境温度;Pm为空化泡溃陷瞬间液体介质内压力;Y为绝热系数;尸为空化泡最大时泡内的压力。例如，对于一般常温常压下的水，可算得Tmax大约为4000K,P,nax则接近100MPa。可见空化作用对液体介质影响之强烈。1.2超声振动对金属结晶过程的影响试验及研究表明，在金属或合金的结晶过程中引入超声振动，将对结晶过程产生较大影响，其主要原因就是空化作用。（1）细化晶粒及均化组织超声振动对金属细化晶粒的机理很复杂，较为常见的有两种理论。第一种是超声空化破碎理论:当在结晶过程中引入超声振动时，正在长大的枝晶会被空化泡闭合时产生的高温、高压击

6、碎，并分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，从而增加了晶核数，细化了晶粒。第二种是过冷生核理论:超声振动产生的空化泡在膨胀和泡内液体蒸发时，将使空化泡壁温度下降，引起空化泡周围熔液的降温，并形成新晶核，细化了晶粒。有无超声振动处理的组织晶相对比(铝合金)如图1所示。(2)均化合金中的化学成分在合金的结晶过程中，其中的某些先析出相或硬质相颗粒在重力作用下会在熔体中下沉，造成这些元素的分布不均匀，底部密度明显高于中上部密度。试验表明，在结晶过程中超声振动可有效地均化各化学成分在合金材料中的分布。超声振动产生的空化作用击碎正在成长的

7、结晶相，并在振动作用下使其均匀分布到熔体各处，从而增加了熔体的浓度，使硬质相颗粒的下降速度减缓。另一方面，超声振动可以使熔体各处温度均匀化，结晶速度加快，这也缩短的了硬质相颗粒的下沉时间，减少了它们下沉堆积的机会[5]。也有人认为，超声振动在熔体中产生的声流及空化作用，使各化学成分在熔体中得到充分的搅拌、扩散与混合，减少了合金的微观偏析，从而均化了各合金元素在熔体中的微观分布。显然，晶粒的细化、组织的均匀化及合金中化学成分分布的均匀化，对提高材料的机械性能都有帮助，如能较明显地减少残余应力、提高强度、增强塑性等。2超声振动对激光熔

8、覆过程的影响2.1超声振动对激光熔覆过程影响机理及作用在激光熔覆中引入超声振动的主要目的是减少或消除熔覆层裂纹。此外，超声振动还能均化熔覆层化学成分，减少熔池中气体含量以减少组织缺陷等。（1）减少或消除熔覆层裂纹在激光熔覆中引入超声振动的一个重要作