1. 技術(shù)概述

定義：
超聲波二維振動激光熔覆是一種復(fù)合增材制造技術(shù)，結(jié)合了激光熔覆（Laser Cladding）與超聲波振動（Ultrasonic Vibration）的優(yōu)勢。通過引入二維振動（如XY方向），可進(jìn)一步改善熔覆層的微觀組織、殘余應(yīng)力分布及表面質(zhì)量。

核心組成：

· 激光熔覆系統(tǒng)：高功率激光器（如光纖激光）、送粉系統(tǒng)（粉末或絲材）、運(yùn)動控制平臺。

· 超聲波振動裝置：超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、二維振動工作臺（或振動頭）。

· 控制系統(tǒng)：同步控制激光參數(shù)、振動頻率/振幅及運(yùn)動路徑。

2. 技術(shù)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(jié)合的涂層。

· 超聲波作用：

o 空化效應(yīng)：超聲波在熔池中產(chǎn)生微空泡，破裂時釋放能量，細(xì)化晶粒。

o 聲流效應(yīng)：促進(jìn)熔池內(nèi)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(jìn)一步細(xì)化組織，降低殘余應(yīng)力。

3. 技術(shù)特點(diǎn)

優(yōu)勢：

· 改善微觀組織：晶粒尺寸顯著減小（可達(dá)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(yīng)力調(diào)控：振動引入的塑性變形可抵消熱應(yīng)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(zhàn)：

· 工藝參數(shù)復(fù)雜（需優(yōu)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(shè)計難度較高。

· 成本較傳統(tǒng)激光熔覆更高。

4. 關(guān)鍵工藝參數(shù)

· 激光參數(shù)：功率（500~3000W）、光斑直徑（0.5~3mm）、掃描速度（5~20mm/s）。

· 振動參數(shù)：

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(yīng)用領(lǐng)域

· 航空航天：渦輪葉片耐磨涂層、高溫合金修復(fù)。

· 能源裝備：核電閥門密封面強(qiáng)化、燃?xì)廨啓C(jī)葉片修復(fù)。

· 汽車制造：發(fā)動機(jī)部件再制造。

· 醫(yī)療器械：鈦合金植入體表面功能化涂層。

6. 研究進(jìn)展

· 2020年后文獻(xiàn)報道：

o 中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)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(tuán)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(shù)調(diào)控（AI實時優(yōu)化振動與激光參數(shù)）。

7. 參考文獻(xiàn)

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。