•研究成果的主要亮點：超聲振動對冷卻速率的超級作用和孕育效果進行了分析；

•超聲波輔助振動之後的顯微組織的尺寸比傳統的僅僅採用鐳射熔覆時得到的顯微組織要細小得多；

•Laves相和氣孔率在應用超聲振動之後得到顯著降低；

•引入超聲振動之後，IN718合金的摩擦係數顯著下降。

Graphical abstract

成果簡介：

鐳射熔覆在金屬部件成形和製備塗層以及修復等方面具有非常明顯的優勢。然而，隨之而來的是，其顯微組織中的內部缺陷和機械效能較差等問題，尚需要進一步的開展研究。在這裡，來自瀋陽東北大學的研究人員，採用超聲波輔助加工的辦法進行鐳射熔覆來提高熔覆部件的效能。基於超聲波的聲化和空化效應對金屬凝固過程中所起的作用，振動引數對熔池金屬的過冷度和孕育速率進行了研究。實驗結果證實，在應用超聲波之後，晶粒尺寸比僅僅採用鐳射熔覆時所得到的結果要明顯的細化。當超聲振動幅度為25 μm的時候，其晶粒尺寸可細化的程度是沒有采取振動的0.522 倍。析出相的結構和化學成分得到了顯著的改變。此外，高頻率振動對熔覆層的機械效能的影響也透過對比實驗進行了分析。結果表明，應用高頻率振動可以有效的減少氣孔，同時提高部件的顯微硬度和摩擦效能。定量的來說，摩擦係數在採用超聲振動且幅度為25 μm的時候，為0.628，而在沒有超聲振動的時候為0.709。

圖1 論文的邏輯圖

成果背景：

鐳射熔覆技術，經常作為直接能量沉積技術，在最近，在世界範圍內成為一個比較活躍的研究領域，這是因為該技術所具有的製備和修復以及強化的能力。在不同的鐳射熔覆當中，鐳射熔覆鎳基高溫合金，如航空發動機中的葉輪葉片就是一個特別引人矚目的研究領域。鎳基高溫合金廣泛的應用在製備飛機發動機的渦輪葉片，渦輪盤和燃燒室等，這是因為該合金所具有的高溫強度，疲勞效能和抗氧化和耐熱腐蝕效能。然而，在鐳射熔覆鎳基高溫合金的時候也面臨著巨大的挑戰，這是因為合金內部所存在的顯微組織的不均勻和較高的氣孔率等問題。為了克服這一挑戰，在近年來，超聲波振動技術被引入進來作為一種輔助的技術來進行鎳基合金的鐳射熔覆，可以提高其內部的顯微組織和機械效能（顯微硬度和摩擦效能）和減少沉積過程中所形成的缺陷。

圖2 振動特徵的校準實驗

在近年來，超聲波振動不僅僅應用在減材製造中，同時還應用在熔化金屬的凝固當中，如鑄造，弧焊和表面塗層等。超聲波，作為一種能量波，會產生聲化和空化效應，作為輔助鐳射熔覆的工藝，可以透過改變熔體金屬的過冷和孕育速率而影響熔體的結晶。在最近的報道中，超聲振動在提高金屬的凝固組織和液態金屬的凝固過程等方面具有強烈的優勢。Komarov等人注意到在超聲振動的時候，超聲的空化和聲化效應對液態金屬的結晶和凝固過程的影響。由於這些效應的作用，高頻振動可以實現細化顯微組織，減少氣孔和提高元素成分的均勻性。Cong和Ning 等人實施了一系列的關於超聲輔助鐳射熔覆的實驗，結果顯示晶粒尺寸隨著超聲頻率的增加而下滑。此外，介面之間的結合變得更加平滑。在近年來，一些研究表明晶粒尺寸的減少是孕育過程中驅動力的作用造成的。

圖3 超聲輔助鐳射熔覆的實驗裝置

Todaro等人研究了超聲輔助3D列印時晶粒尺寸控制的問題。列印材料的拉伸強度和屈服強度同沒有采用超聲波輔助振動相比較，增材製造的 Ti-6Al-4V的效能增加了12％。為了提高表面塗層的效能，Ｗu等人使用超聲波輔助鐳射熔覆技術在鈦合金基材上進行ＺrO2陶瓷塗層的製備，並研究了超聲波振動對顯微組織和機械效能的影響以及塗層與基材之間的潤溼性。與此同時，當稀釋率增加的時候，元素濃度沿著塗層的厚度方向在過渡區時逐漸的從指數向線性方向改變。此外，Ｗen等人進行了超聲波輔助鐳射熔覆高熵合金 FeCrCoAlMn0.5Mo0.1的設計和表徵。表面塗層的平均顯微硬度和摩擦抗力同基材相比，得到了顯著提高。Ｃhen等人應用超聲波輔助鐳射熔覆技術在鋁合金基體上製備陶瓷－金屬複合塗層。結果發現當振動頻率為５0－２00Ｈz的時候，振動對熔覆層的收縮影響比較小。當振動頻率大於２00Ｈz的時候，超聲波穿透的深度增加，可以有效的提高熔覆塗層的收縮孔洞的問題。Ｌi等人討論了超聲波對顯微組織，元素分佈和鐳射熔覆層的機械效能以及WC顆粒的形貌的影響。結果表明顯微硬度和顯微組織均得到改善。Qiao等人研究了超聲波振動等離子體弧焊的匙孔效應。建立了一個瞬時模型，被認為是熱流的動態變化和在曲線匙孔壁的弧壓分佈造成的。如果用鐳射加工效應對形成的影響來評估的話，Biswas發現鐳射加工會導致一致性重複波狀溝槽表面，這一現象在使用高功率的超聲的時候更加明顯。因此，基於以上討論，熔覆層的效能是可以透過在鐳射加工過程中引入超聲波來實現提高的。

圖4 超聲波振動對顯微組織和顯微硬度的影響：(1)3D微觀影象； (3) 晶粒形貌的SEM照片；(2) the HVS-1000M 顯微硬度測試裝置及其顯微硬度測試。

需要注意的是，過冷度的程度是一個非常重要的參考指標，直接影響到鐳射熔覆層的顯微組織的分佈和機械效能。然而，超聲波振動幅度對顯微組織和機械效能的影響很少報道。因此，基於過冷度的影響程度和孕育速率的的相關理論，超聲波振動幅度對顯微組織（晶粒尺寸，析出相結構）和機械效能（顯微硬度和摩擦效能）的影響進行了研究，同時對沒有施加超聲波的情形進行了對比。

圖5 超聲波振動幅度對晶粒尺寸的影響，鐳射功率 P = 1200 W，粉末輸送速率為 1.0 r/min, 掃描速度為 1.0 r/min 。

成果的主要結論：

在本研究中，對超聲波輔助鐳射熔覆工藝的過冷度的程度和孕育速率進行了理論分析。基於理論分析結果，超聲波振動對顯微組織（晶粒尺寸，枝晶形貌和相結構以及析出相的化學成分）和機械效能（顯微硬度，彈性模量和摩擦效能）進行了研究。硬度測量和奈米劃痕測試進行了實施來分析其顯微硬度及其摩擦效能，得到的主要結論如下：

圖6 有無超聲波的時候顯微組織的晶粒尺寸對比圖

在超聲輔助鐳射熔覆的過程中，聲壓隨著超聲波的施加而週期性的變化。基於聲壓的變化，過冷度的程度和孕育速率隨著超聲波的震動幅度和頻率的增加而增加。同沒有施加超聲振動的鐳射熔覆相比較，柱狀晶主要集中在熔覆層的底部。熔覆層的中間和頂部隨著超聲波的施加變成了等軸晶。隨著振動幅度的增加，晶粒尺寸得到了顯著的細化，Laves相的數量和成分（Nb和Mo）降低。

此外，由於晶粒的細化使得顯微硬度得到提高，Laves相的數量和氣孔隨著超聲波的施加而變少。在超聲波振動幅度為25μm的時候，顯微硬度達到最大值，為215HV。此外，在塗層頂部的顯微硬度比底部的要大。其主要原因是柱狀晶主要集中在底部，而中間和頂部主要為等軸晶。至於熱影響區，可以發現顯微硬度隨著振動幅度的增加而逐漸增加。然而，鐳射功率和掃描速度對顯微組織，顯微硬度和熱影響區的影響非常不明顯。

圖7 有無超聲波的時候 Laves相的析出形貌對比圖（0Hz即為無超聲波的情況） phase.

至於摩擦效能，在超聲波振動幅度為 25 μm的時候，其摩擦係數為最小，是沒有施加超聲波振動的0.628倍。是傳統工藝的0.709倍。這就意味著摩擦係數可以透過引入超聲波振動而減少。此外，摩擦的深度也在振動幅度為 25 μm的時候為最小，也反映出樣品的表面摩擦損傷為最小。

文章來源：Microstructure and mechanical properties of parts formed by ultrasonic vibration-assisted laser cladding of Inconel 718，Surface and Coatings Technology，Volume 410, 25 March 2021, 126964，https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126964

參考文獻：Ultrasonic vibration-assisted laser engineered net shaping of Inconel 718 parts: Effects of ultrasonic frequency on microstructural and mechanical properties，Journal of Materials Processing Technology，Volume 276, February 2020, 116395，https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116395