钦兰云 王 维 杨 光 卞宏友

（①沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳110136;②沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870）

在钛合金激光快速成形的试验中，成形零件与基材结合处以及成形层间易发生翘曲变形甚至开裂，零件内部的熔覆层与熔覆层之间或道与道之间容易产生气孔甚至熔合不良缺陷。零件的翘曲变形、开裂将导致成形过程失败，造成人力、物力的损失;零件的内部缺陷是导致零件失效，零件力学性能降低、使用寿命缩短及安全性不可靠的主要原因［1－2］。因此有必要采取一定措施细化晶粒，优化组织，从而改善合金的力学性能。

目前国内外通过物理场来改善金属凝固组织、减少内部缺陷、提高力学性能的方法主要有电磁搅拌及超声波处理等手段，这些方法最先应用在传统的铸造领域，逐渐发展到焊接、熔覆等涉及金属熔化凝固的领域［3－7］。超声振动是机械振动的一种，是金属凝固过程中改善组织、提高力学性能的有效方法之一，功率超声波在液态金属中传播时，其高频振动和辐射压力对媒介产生机械作用、热作用、空化作用和声流作用等，对液态金属结晶过程造成影响，其公认的效果有细化晶粒、组织均匀化、组织净化（去气、除渣、提纯等）［8－9］。

基于以上原因，本文旨在研制激光沉积成形制造用的超声振动系统，把超声振动引入钛合金激光沉积成形系统中，以期达到细化晶粒、均匀组织成分、提高沉积层组织的力学性能。

1 超声波振动系统的搭建

超声波振动系统由超声波发生器（电源）、换能器、变幅杆等部件组成。超声波通过振动的载物台导入到被加工的基板上，然后再经过波在基板上的传播导入到熔融的熔池内。超声波连续不断地对熔池作用，从而实现超声场在激光沉积成形过程的施加。

1.1 超声波设备的组成

图1为钛合金激光沉积成形系统施加超声振动的示意图。超声波设备由超声波发生器和振动系统两大部分组成。其中超声振动系统又包含超声波换能器、载物台及支架、基板、沉积层。结合激光沉积制造系统的特点，将振动部分的载物台及支架、基板、沉积层（包含已经加工和将要加工的部分，动态变化）等同于变幅杆。

超声波发生器其实就是超声波专用驱动电源，用于产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作。其功率可调，以适应不同的工作状态。发生器内还可根据需要集成有时序控制器，设定控制超声波发振时间和间歇时间。本系统选用定制的数字超声波驱动电源，输入电压220 V，最大工作点电流1.5 A，输出频率在17～23 kHz。

换能器是将高频电振荡信号转换成机械振动，目前主要有磁致伸缩式和压电式两种。系统采用夹心式压电换能器，型号为YP－5020－4Z，其参数如下:最大输出功率1 500 W，压电晶片数4片，谐振频率20 kHz，电阻 15 Ω，电容11 000 ～16 500 pF。

超声变幅杆又称为超声变速杆、超声聚能器，在高声强超声设备中，变幅杆可以使把机械振动的质点位移或速度放大，或者是将超声能量集中在较小的面积上。为了使换能器的超声波能量更有效地传到负载上，变幅杆是按照严格的声学传播原理，计算出各相关尺寸的，这样传播的超声波能量也就越大［10］:

式中:ρ为弹性介质的密度，kg/m3;c为弹性介质中的波速，m/s;A为振动的振幅，mm;ω为圆频率，ω=2πf，rad/s。

变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。常用的变幅杆有阶梯形、指数性、圆锥形、悬链形等。截面越小，能量密度就越大，振动的幅值也就越大［10］。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外有激振频率相等，处于共振状态。因此变幅杆的长度要等于超声波的半波长或其整数倍。

如果按照式（2），选用45钢，并对其进行加热到850℃在水中淬火，520℃回火1 h的热处理，此时其损耗系数最小为2 000，声速c=5 160 m/s，若取f=20 kHz计算，变幅杆半波谐振长度最小为l=λ/2=c/（2f）=129 mm。

受系统真空箱空间所限，载物台和基板的厚度应在保证振动系统的刚度的基础上尽可能小。通过计算后选取载物台厚度L1为15 mm，而基板的厚度及大小可根据具体的实验需求确定，一般为了保证其在成形过程中不发生大的变形，厚度选L2≥5 mm。当载物台及基板分别为边长A1=200 mm，A2=40 mm的正方形，如图2所示的超声波波形图，由超声波的波形图可知，当L1+L2≤L/6时，基板上表面能获得比较大的振幅。

载物台与基板靠螺纹紧密连接，两者组合后的结构与阶梯形变幅杆特点类似，所以载物台和基板的组合结构具有梯形变幅杆的特性。可近似推出:

基板与换能器之间的面积系数N=N0，1×N1，2=1.25;

放大系数M=N2=1.56;

频率方程kl=π⇒k=0.012;

位移节点长度及应变最大点长度重合即x0=xM=λ/4=64.5 mm;

形状因数:理论上φ=1，但实际φ＜0.8。

基板与振动台作为超声振动的传播媒介，其对超声波振幅的放大倍数约为1.56，由于超声波在传播过程中机械损失、热损失等，当基板与载物台处在谐振状态时，基板表面的振幅可达6～8 μm，鉴于激光所形成的熔池非常小，足以对熔池的熔凝起到一定的机械搅拌作用及超声空化效应。

在成形过程中，试件的质量及尺寸一直在增加，所以把试件和基板作为一个整体，令其等效于有负载的变幅杆来研究。钛合金沉积成形属于增材制造，相当于作用在基板上的载荷一直在变，而成形零件的截面形状也在不断地变化，如果要分析基板及工件某个加工节点的共振频率，首先要确定其截面特征，然后按照对应的类型再分析负载对频率的影响。如当加工试件为截面均匀的杆，横向尺寸小于波长的1/10，长度小于波长的1/4，可以用下式来计算试件的等效质量Mt［11］。

式中:mt为试件质量。

式中:t为试件激光熔覆时间;dm为试件沉积层生成速度，g/s;kt为系数，kt=ω/ct;ct为试件的纵波速度。

则试件成形过程中整个振动部分的共振频率方程为

式中:St为试件扫描平面的截面积;b为基板的厚度;l为载物台与基板的厚度和;S2为基板截面积。

2.2 超声振动台性能测试

激光沉积成形加工钛合金零件的形状、大小不尽相同，导致所需基板的大小或厚度也不尽相同，不同大小的基板与载物台组成的振动系统其谐振频率也略有变化。实验前通过手动调节超声波发生器频率，对系统的谐振频率进搜索，调节过程中超声波发生器的输出电流最大时所对应的振动频率即为振动系统的谐振频率［12］。

测量基板振幅时首先将基板固定到载物台的中心位置如图3，并把频率调到系统的谐振频率，然后将振幅测量仪垂直置于基板中心位置并置零，开启超声振动，便可得到此点的振幅值。为了检测基板上的振幅是否分布均匀、对称，被测点的选取如图4所示。

表1为TC4基板上振幅测量结果，其谐振频率为19.2 kHz，振幅平均为9 μm。振幅的大小与基板的大小、厚度等有关，在成形加工时尽量保证所用基板规格一致。由于基板一般是对称的，测量点可以减少;对于常用的基板在载物台上有固定的安装位置，可直接使用。此外这种5 mm厚的基板与载物台组成的振动子在系统的频带范围内还有两个谐振点，频率分别大约为18.1 kHz和21 kHz，基板中心振幅分别为4 μm和6 μm。在试验过程中所选的谐振起始频率均为系统振幅最大时所对应的频率。

2 超声辅助激光成形工艺试验

2.1 试验条件

试验采用的激光沉积成形工艺参数为:激光功率1 800～2 100 W，焦距300 mm，扫描速度2～10 mm/s，送粉速度3 g/min，光斑直径2.5 mm，搭接率30%，载气压力0.2 MPa，载气流量3 L/min。试验用基材为TC4合金（Ti6Al4V），其化学成分如表2所示，尺寸为50 mm×40 mm×5 mm，实验前用砂纸打磨掉氧化层，用丙酮清洗去除表面油污及杂质。

表1 基板振幅测量结果 μm

表2 TC4合金成分（wt%）

沉积材料为球形TC4粉、Ti粉末和Cr3C2粉末;将基板和粉末在真空干燥机中、150℃条件下干燥10 h。实验时，将TC4粉及Ti和Cr3C2混合粉末放入送粉器的不同料仓，通过控制不同粉仓的送粉速率，使各熔覆层组分按一定规律改变，Cr3C2的质量分数从第一层的8.16%增至最后一层为20%［13］。试件底面尺寸为60 mm×20 mm，成形层数为10层，扫描方式采用层间正交栅格扫描，此方式得到的试件力学性能上无明显的方向性，且有助于热应力的降低［14］。

2.2 试验结果

图5分别为未施加和施加超声振动的激光沉积成形的单道沉积层的横截面形貌。系统的起始谐振频率为19 kHz，单道沉积材料为TC4粉，对比发现，施加超声振动使单道熔覆组织中的β柱状晶尺寸明显减小，且对沉积层的表面形貌及沉积层宽度影响不大，但是对沉积层的高度及热影响区影响显著。施加超声振动的沉积层高度变小，且熔凝层的熔池底部比较平缓，说明在超声振动作用下熔池内对流更强烈，使激光束能量分布更均匀。但是单道沉积高度受超声振动的影响更加显著，这是由于振动的作用使粉末与基体之间发生强烈的弹性碰撞引起的，而熔池捕捉粉末的能力是一定的。

图6为采用相同的成形工艺参数，未施加和施加超声振动沉积层中部的微观组织，沉积材料为75%TC4+25%（Cr3C2+Ti）。图6a发现沉积层组织中有类似鱼骨状的不发达的枝晶，能谱成分分析结果（质量分数）为 89.29%Ti、8.36%C、1.70%Cr、0.65%Al，基本可确定为TiC相，平均长度为110 μm;而施加超声振动后，这种鱼骨状的组织结构明显减小如图6b，其平均长度为50 μm。说明了在沉积成形过程中施加超声振动所得到的沉积层组织与未施加超声振动的施加沉积组织有显著不同，原本较长的枝晶被打碎，晶粒得到细化，分布更为均匀。这是因为在沉积过程中，正在长大的枝晶网会被熔体空化泡闭合时产生的高温高压击碎，并分散到熔体的各个部分形成均匀分布的小晶核，从而增加了晶核数，细化了晶粒。

3 结语

本文针对激光沉积系统的结构特点，设计了超声振动系统，对其中的超声电源、换能器和超声变幅杆进行选择和设计，然后测试了系统性能，最后采用工艺试验验证其性能和功用，从试验试件的宏观形貌、内部组织两方面，分析了超声振动对沉积层组织的影响。得出如下结论:

（1）根据超声系统设计理论设计的超声振动系统起始谐振频率为19.2 kHz，振幅平均为9 μm;

（2）施加超声振动可使单道沉积层高度显著变小;

（3）通过金相观察发现，施加超声振动后，中部沉积层组织晶粒得到细化;

（4）超声机械效应、声流效应引起的熔池对流和空化效应引起的冲击波是显著细化沉积层晶粒的主要原因。

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