應用領域 | 能源,電子/電池,汽車及零部件,電氣,綜合 |
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1. 技術概述
定義:
超聲波二維振動激光熔覆是一種復合增材制造技術,結合了激光熔覆(Laser Cladding)與超聲波振動(Ultrasonic Vibration)的優勢。通過引入二維振動(如XY方向),可進一步改善熔覆層的微觀組織、殘余應力分布及表面質量。
核心組成:
· 激光熔覆系統:高功率激光器(如光纖激光)、送粉系統(粉末或絲材)、運動控制平臺。
· 超聲波振動裝置:超聲波發生器、換能器、變幅桿、二維振動工作臺(或振動頭)。
· 控制系統:同步控制激光參數、振動頻率/振幅及運動路徑。
2. 技術原理
· 激光熔覆:激光束熔化基材表面形成熔池,同時輸送金屬粉末形成冶金結合的涂層。
· 超聲波作用:
o 空化效應:超聲波在熔池中產生微空泡,破裂時釋放能量,細化晶粒。
o 聲流效應:促進熔池內對流,均勻化成分分布,減少氣孔/夾雜。
o 振動輔助:二維振動可打破枝晶生長方向,進一步細化組織,降低殘余應力。
3. 技術特點
優勢:
· 改善微觀組織:晶粒尺寸顯著減小(可達納米級),提升硬度與耐磨性。
· 減少缺陷:降低氣孔率(可減少30%~50%)、裂紋敏感性。
· 殘余應力調控:振動引入的塑性變形可抵消熱應力,提高疲勞壽命。
· 涂層均勻性:二維振動使熔覆層厚度更一致,表面粗糙度(Ra)可降低20%~40%。
挑戰:
· 工藝參數復雜(需優化激光功率、掃描速度、振動頻率/振幅等)。
· 超聲波裝置與激光頭的集成設計難度較高。
· 成本較傳統激光熔覆更高。
4. 關鍵工藝參數
· 激光參數:功率(500~3000W)、光斑直徑(0.5~3mm)、掃描速度(5~20mm/s)。
· 振動參數:
o 頻率:20~40kHz(超聲波范圍)或低頻振動(<1kHz)。
o 振幅:5~50μm(二維振動需匹配方向性)。
· 材料選擇:鎳基合金(如Inconel 625)、鈷基合金、不銹鋼、鈦合金等。
5. 應用領域
· 航空航天:渦輪葉片耐磨涂層、高溫合金修復。
· 能源裝備:核電閥門密封面強化、燃氣輪機葉片修復。
· 汽車制造:發動機部件再制造。
· 醫療器械:鈦合金植入體表面功能化涂層。
6. 研究進展
· 2020年后文獻報道:
o 中國學者發現二維振動可使Ti6Al4V熔覆層晶粒尺寸從50μm降至10μm以下(《Journal of Materials Processing Technology》)。
o 德國團隊通過超聲振動將316L不銹鋼涂層的疲勞壽命提升200%(《Additive Manufacturing》)。
· 未來方向:
o 多物理場耦合仿真(激光-超聲-熱力耦合)。
o 智能參數調控(AI實時優化振動與激光參數)。
7. 參考文獻
1. Zhang et al. (2021). "Effect of ultrasonic vibration on microstructure and properties of laser cladded Inconel 718". Materials & Design.
2. Wang et al. (2022). "2D vibration-assisted laser cladding: A novel approach for residual stress reduction". Journal of Manufacturing Processes。