【能场复合激光表面改性】山东大学李燕乐教授团队：超声振动方向对激光定向能沉积Inconel718性能影响研究

科技 2024-08-23 17:25 重庆

背景与意义

激光定向能沉积（Laser Directed Energy Deposition，LDED）是使用高能量密度光束使激光定向能沉积材料在基板上形成熔合的一种先进制造方式，其能实现特定位置增材、合金设计以及复杂几何形状的高附加值产品制造。LDED由于加工过程急热骤冷的特点，其加工出的零件可能出现结合效果差、尺寸精度低、表面粗糙度大、内部缺陷及脆性相生长等问题，影响零件的力学性能，甚至导致变形、开裂，影响零件的服役可靠性。

最近，面向激光定向能沉积表面改性及再制造发展需求，山东大学李燕乐教授团队开展了多方向超声振动辅助激光定向能沉积Inconel 718零件试验，结合原位熔池监测技术，研究了沉积方向、搭接方向和扫描方向超声振动对熔池流动行为、微观结构和力学性能的影响，揭示了超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718零件的影响机制，为超声辅助激光定向能沉积高质量成形提供参考。

图文导读

本研究使用自主开发的多维振动辅助激光定向能沉积系统，以未施加超声振动、沉积方向超声振动、搭接方向超声振动和扫描方向的超声振动为变量，分别设计4组单层多道沉积试验和4组多层多道沉积试验，用于观察微观结构和测量材料的显微硬度、室温拉伸性能。试验过程中，采用基于同轴CCD相机的熔池原位监测系统进行熔池图像特征数据提取、保存。使用自主开发算法模型进行熔池图像标定及处理，结合Canny边缘检测和基于阈值划分的轮廓检索，获得熔池的面积、周长、长度和宽度特征数据。

超声振动方向性对于单层多道LDED IN718零件过程中熔池流动行为的影响如图4所示。图4a为LDED过程熔池图像采集结果，图中高亮区域为熔池，红色方框为高亮区域的外接矩形，外接矩形的长y和宽x分别对应熔池的纵向长度和横向长度，不同超声振动方向下，熔池基本形状保持不变。对不同振动方向下UV-ALDED对熔池面积的影响进行频数统计、绘制直方图后的高斯拟合分析如图4b所示。

图4 UV-A LDED过程熔池图像监测

方向性超声振动对熔池流动行为的影响主要集中在高频振动的机械效应，与不同方向的UV-A引入LDED熔滴边界和熔池熔合边界的额外作用力的方向和稳定性有关，如图5所示。

图5 不同方向超声振动对熔池流动行为的影响

图8a显示了不同超声振动方向下LDED加工IN718零件的相组成比较，图8b对比了超声振动下IN718合金的白色沉淀相（即Laves相）的面积分数情况。

图8 UV-A LDED方向性对于IN718零件的相组成的影响

对照组和3种超声振动辅助处理态LDED IN718合金的室温拉伸性能如图10所示。

图10 UV-A LDED方向性对IN718零件室温拉伸性能的影响

结论

本文研究了超声振动方向对于激光定向能沉积制造IN718零件的影响（包括BD方向、OD方向和SD方向）。通过熔池原位监测分析揭示了UV-ALDED方向性对熔池流动行为的影响，同时研究了超声振动方向性对于成形零件的微观结构特征和力学性能的影响。主要结论如下：

1）不同方向超声振动的引入促进了熔池中液态金属向四周进行不同程度的润湿面积扩展，BD组、OD组、SD组熔池面积分别增大了84.0%、86.4%、79.6%，并且形状更为规则，拖尾现象得到改善，超声振动方向对于熔池流动行为的影响与不同方向高频振动引入的额外作用力的大小和稳定程度有关。

2）UV-ALDED方向性对于微观结构和晶体直径产生了不同的改善和细化。微观结构细化能力从小到大为BD组、OD组、SD组，水平方向的晶体等轴晶转变能力优于BD方向。由于超声强度方向性传播衰减和引起不同的声压梯度，导致了方向性的声流效应和机械振动搅拌作用等，从而获得了方向性的细晶强化贡献度、柱状晶到等轴晶转变。

3）超声振动促进了IN718合金Laves相的细化和面积分数的减小。随着方向性声强衰减，BD组相较于OD组和SD组，Laves相的细小点球状改变和面积分数减小能力较强，且分布更为均匀。Laves相主要在晶界树突间区域形成，Laves相的点球化转变和减小与不同程度上的细小等轴晶粒的随机晶体构织相关。

4）不同方向的超声振动辅助LDED IN718零件获得了较好的硬度、强度和塑性匹配。相较于对照组（210.4HV0.2），BD组、OD组和SD组的显微硬度分别提高到了232.5HV0.2、230.9HV0.2和233.9HV0.2，变化趋势与晶体直径变化趋势一致。材料的抗拉强度和屈服强度在不同程度获得增强，水平方向（特别是SD组）在提高材料强度的同时，还在一定程度上保持了材料的延展性。另外，超声振动的应用减少了IN718合金在不同方向上的力学性能差异。

文章信息

该文章发表在《表面技术》2024年第53卷第13期：

范伟光, 李燕乐, 牛家亭, 等. 超声振动方向对激光定向能沉积 Inconel 718 性能影响研究[J]. 表面技术, 2024, 53(13): 44-54.

FAN Weiguang, LI Yanle, NIU Jiating, et al. Effect of Ultrasonic Vibration Direction on Properties of Laser Directed Energy Deposition of Inconel 718[J]. Surface Technology, 2024, 53(13): 44-54.

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审核|汪潇

编辑|邓李旸

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