超聲對激光熔覆成形中熔池潤濕行為的影響研究

姚喆赫，沈奇艷，葛宏江，王振，董剛，葉鐘，李琳，姚建華

超聲對激光熔覆成形中熔池潤濕行為的影響研究

姚喆赫1a,1b,2，沈奇艷1a,1b,2，葛宏江3，王振1a,1b,2，董剛1a,1b,2，葉鐘3，李琳4，姚建華1a,1b,2

（1.浙江工業大學 a.激光先進制造研究院 b.機械工程學院，杭州 310023；2.高端激光制造裝備省部共建協同創新中心，杭州 310023；3.杭州汽輪機股份有限公司，杭州 310020；4.英國曼徹斯特大學 激光加工研究中心，曼徹斯特 M13 9PL，英國）

對比有無超聲作用下熔體潤濕行為，闡明超聲對于熔體潤濕行為的影響及作用機制，為超聲輔助激光熔覆高質量成形提供參考。基于高速相機拍攝研究了超聲對于液滴潤濕性的作用效果，進而研究了超聲輔助激光熔覆過程中熔池的潤濕行為，使用Canny算法提取熔池輪廓，采用體視顯微鏡和共聚焦顯微鏡觀察試樣宏觀形貌，采用光學顯微鏡觀察分析微觀組織。將超聲振動施加于金屬液滴，其在基板表面潤濕性增強，金屬液滴與基板接觸面積增大39.3%。在熔覆過程中引入超聲振動，熔池面積顯著增大。隨著超聲功率比的增強，熔覆層的熔高降低，熔深減小，熔寬逐漸增大，熔覆層逐漸由弧形輪廓變為扁平。當超聲功率比為80%時，熔覆層高度為無超聲下的75.2%，熔覆層和基體之間的潤濕性顯著改善。在微觀形貌上，超聲能夠改變晶粒生長方向，抑制枝晶外延生長。超聲振動作用于激光熔覆過程中，促進了熔體的潤濕作用且加大了熔池流動性。熔體潤濕行為的改變導致扁平熔覆層形狀的形成，熔覆過程中熔池面積增大，熔池流動性增強，導致晶粒生長方向與枝晶長度的改變。

激光熔覆；超聲振動；潤濕行為；熔池；宏觀形貌；微觀組織

航空關鍵部件常服役于高溫高載荷等惡劣環境，易發生損傷和失效，損傷件的換新將產生巨大的成本與浪費。基于激光熔覆成形的激光增材再制造技術在損傷件的修復與再制造中展現出顯著優勢和巨大潛力[1]，并已在航空發動機葉片、旋轉部件、支撐結構等關鍵航空部件的再制造中應用[2-4]。激光熔覆與再制造技術具有稀釋率和熱影響區域小[5]、組織致密[6]、冶金結合強度高[7]、環保[8]、節省材料等優點，同時激光熱源快熱快冷的特點導致成形過程常伴隨著微裂紋、氣孔、殘余拉應力等缺陷的產生，嚴重影響了激光再制造的質量。

為提高激光熔覆質量，外加能場輔助成為當前研究的熱點之一[9-10]。其中，超聲振動作為外加能場引入激光成形在降低孔隙率、細化晶粒、提高機械性能等方面展示出了巨大的潛力。Cong等[11]在激光成形工藝中施加超聲波振動，引起的聲流和空化的非線性效應使孔隙率顯著降低，獲得了更細小的TiB晶粒，沿晶界分布且分布更均勻，同時晶粒細化進一步提高了零件的顯微硬度。Todaro等[12]發現超聲波的使用促進了具有隨機晶體結構的細小等軸晶粒形成，施加超聲可以降低熔池主體的溫度梯度來增加凝固過程中的過冷度，進而有利于晶粒成核和生長。Wang等[13]研究了不同超聲頻率對熔覆層微觀組織和機械性能的影響，超聲頻率越高，晶粒度越小，顯微硬度越高，在超聲頻率25 kHz時氣孔抑制效果較好，獲得熔覆層耐磨性能、彈性模量更優。王新洪等[14]在激光熔覆過程中施加超聲振動降低了涂層的輪廓粗糙度，但涂層的稀釋度略有增加，超聲振動改善了激光熔池中的傳熱傳質，細化了微觀結構，增加了陶瓷量，使陶瓷顆粒分布均勻。陳文靜等[15]發現超聲振動作用下，熔覆層潤濕鋪展程度提高，枝晶組織細化，元素分布均勻化，熔覆層顯微硬度更加均勻且提高了126.2HV0.2。姜風春等[16]發現超聲振動有效地削弱了織構強度并使沉積層的晶粒結構均勻化，晶粒結構的改善提高了ER321不銹鋼的顯微硬度和屈服強度。

上述研究探討了超聲作用下激光熔覆成形微觀組織與性能的顯著變化，熔體流動特性在超聲作用下的變化導致激光熔覆層宏觀形貌發生改變，將對多道搭接與路徑規劃策略產生不可忽視的影響。Cong等[17-18]利用超聲振動輔助激光熔覆技術制備出了平整度更優、熔池尺寸更大的熔覆層。莊棟棟等[19]發明超聲振動能有效地改善熔覆層宏微觀成形質量，降低了表面粗糙度和細化晶粒，提高了熔覆層的完整性和致密性。馬廣義等[20-21]將超聲振動引入激光熔覆，隨著超聲輸出功率的增加，熔覆層深度增加，涂層與基材之間的潤濕性增強，導致元素含量分布的變化。王維等[22]發現超聲的引入改善了搭接熔覆層的表面平整性，而疊高效率降低了36.7%。上述研究表明了超聲對熔覆層形貌的顯著影響，而當前對于其影響規律及其機理的研究較為欠缺，仍待進一步深入研究。

本文通過分析超聲作用下的液滴潤濕過程，研究超聲在熔體中的作用效果及機理，采用高速相機監測熔覆成形過程，并提取不同時刻熔池輪廓形狀，分析熔體潤濕行為，同時，通過有無超聲作用下的對比，闡明超聲對于熔體潤濕行為的影響規律。通過對比不同超聲功率比下的熔覆層宏微觀形貌探討形貌成形規律，討論超聲對于熔池潤濕行為的影響機制，為超聲輔助高質量激光熔覆成形提供參考。

1 試驗

本文所采用的超聲輔助激光送絲熔覆試驗裝置主要包括激光器、伺服送絲系統、冷卻系統、超聲振動系統、控制系統等，試驗過程由高速相機系統拍攝與記錄，試驗系統示意圖如圖1所示。所用激光器為半導體光纖耦合激光器（武漢銳科），在本文試驗中激光功率為1 kW，光斑直徑為2 mm。所用超聲振動系統頻率為20 kHz，振幅大小通過功率比可調，100%功率比時振幅為50 μm，超聲從基體底部傳遞至熔池。

試驗所用絲材與基板材料均為IN718鎳基高溫合金，基板尺寸為100 mm×60 mm×5 mm，絲材直徑為1.0 mm。在試驗前，使用砂輪機打磨拋光基板表面去除表面雜質，并用酒精清洗去除表面油污等。試驗過程中采用高速相機拍攝熔池過渡行為。試驗完成后，采用體視顯微鏡（尼康SMZ745T）和共聚焦顯微鏡（基恩士VK-X1000）觀測試樣宏觀形貌，采用光學顯微鏡（蔡司Axio Imager2）觀測分析熔覆區顯微組織。

圖1 超聲輔助激光送絲熔覆試驗裝置示意圖

基于上述試驗系統，在送絲方向為前置，送絲角度為45°的情況下，開展了激光熔覆工藝試驗研究，以液橋過渡為目標進行工藝參數優化，優化后在本文中所用的掃描速度與送絲速度分別為8 mm/s和9.3 mm/s。

2 結果與分析

2.1 超聲對金屬液滴潤濕行為的影響

為研究金屬熔體在超聲作用下的潤濕行為，采用高速相機對金屬液滴在有無超聲作用下的潤濕行為進行觀測和對比研究。采用激光送絲在金屬板上預置IN718金屬半球，再對金屬半球進行激光重熔，以1 kW的激光功率輻照1.8 s，使其完全熔化后凝固成形，采用高速相機在45°俯角下對有無超聲作用下的金屬半球重熔及凝固過程進行觀測，結果如圖2所示。金屬半球在激光束加熱下逐漸熔化，直至完全熔化形成金屬液滴；在停止激光熱源輸入后，金屬液滴逐漸凝固成形。在無超聲作用下，金屬液滴形狀基本保持不變，未出現明顯的潤濕現象；而在超聲作用下，金屬液滴表面呈現出明顯的波動，在激光停止輻照后，液態金屬在超聲的作用下向四周潤濕，最終形成扁平狀，潤濕面積增大39.3%。上述結果顯示，超聲對于金屬液滴的潤濕行為產生了顯著影響。

2.2 超聲對激光熔覆過程液橋過渡行為的影響

用高速相機拍攝有無超聲作用下的送絲熔覆液橋過渡過程，試驗結果如圖3所示。當未施加超聲振動時，絲材前端的熔融金屬與基板接觸，潤濕在基板表面，熔池呈現平穩的液橋過渡，如圖3a所示。當施加超聲振動后，熔池在超聲作用下加劇了流動，熔體與無超聲時相比在基板表面潤濕性增強，隨后熔池沿激光掃描速度方向潤濕，熔融區域進一步擴大。與此同時，超聲振動加劇了液橋搭接處的流動，使絲材熔融前端流動加快，如圖3b所示。

圖2 金屬液滴重熔及凝固過程形態

圖3 激光熔覆過程液橋過渡行為監測

針對有無超聲作用下的送絲熔覆液橋過渡過程的圖像開展邊緣輪廓提取分析。如圖4所示，利用Canny算法[23-24]分析熔覆層，首先提取熔融區域高亮處的邊緣，獲得初步輪廓線，再對輪廓邊緣進行優化，獲得熔池高亮區域。在最后的結果圖中紅色輪廓線為熔池高亮區域輪廓，對應熔池面積，藍色方框為高亮區域的外接矩形，外接矩形的長寬分別對應熔池的橫向長度和縱向長度。觀測高速相機采集結果，可得：從0 s時刻激光輻照到絲材開始，熔池面積逐漸增大，熔池的橫向縱向長度均逐步增大；在無超聲作用下，0.43 s時刻液橋過渡趨于穩定狀態，熔池面積較小，熔池拖尾較長，橫縱比較大；在超聲作用下，熔池在超聲作用下加劇了流動，熔池面積從0.5 s時刻液橋過渡趨于穩定，熔融區域擴大，橫縱比較小。

進一步對熔池區域面積進行統計，如圖5a所示。在0.15、0.45、0.60 s時刻，有無超聲情況下的熔池面積均顯著不同，超聲作用下熔池面積分別為無超聲作用下的1.52、2.07、2.80倍，結果顯示，同一時刻超聲作用下熔池區域面積增大。對圖中熔池面積和橫向縱向長度進行數值分析，如圖5b所示，超聲作用下熔池橫向與縱向長度均顯著增大。

圖4 激光熔覆過程熔池圖像輪廓提取

圖5 激光熔覆過程熔池形貌分析

2.3 超聲對激光熔覆層宏觀形貌的影響

采用體視顯微鏡和共聚焦顯微鏡觀察試樣的宏觀形貌。圖6a為無超聲作用下的激光送絲熔覆層宏觀形貌，其表面較為平整光滑，無明顯缺陷，成形質量好。圖6b—d表示超聲功率比（Ratio of Ultrasonic Power，RUP）分別為40%、60%、80%的試驗結果，可見在超聲作用下，由于凝固過程中熔池表面的超聲波作用，熔覆層表面呈現波紋狀，且功率比增大后波紋形貌更為細小。

對有無超聲作用下的熔覆層表面輪廓進行測量分析，如圖7所示。結果顯示，無超聲作用下的激光熔覆層的最大高度為627.7 μm，功率比為40%、60%、80%的超聲振動下熔覆層最大高度分別為608.8、564.8、471.7 μm，80%超聲作用下熔覆層最大高度為無超聲下的75.2%。

2.4 超聲對激光熔覆層微觀形貌的影響

激光熔覆層的橫截面金相組織如圖8所示，無超聲作用下的熔覆層與基體冶金結合良好，晶粒沿著熱流反向生長，形成長條柱狀晶，晶粒生長方向垂直于固液線。施加超聲振動后，熔體向外潤濕，熔寬明顯增大，熔高降低。施加40%、60%、80%功率比的超聲振動后，熔覆層的金相組織發生顯著變化，熔池底部和中部的枝晶在高溫度梯度的作用下，仍為柱狀晶，但長直柱狀晶明顯減少，且凝固組織生長方向較為雜亂，枝晶寬度明顯變小。隨著超聲功率比的增大，枝晶細化的程度更為明顯。同時，在施加超聲振動后，熔池頂部的轉向枝晶區域變窄。

對于激光熔覆層金相組織進一步進行了測繪，結果如圖9所示。無超聲振動時，熔覆層高度為527 μm，熔覆層寬度為2 186 μm，熔覆層熔深面積為10.97×105μm2，此時熔覆層稀釋率為57.1%。當施加的超聲功率比分別增加到40%、60%、80%時，熔深面積分別為9.29×105、10.97×105、8.33×105μm2，呈現下降趨勢。隨著超聲功率比的增大，熔高逐漸降低至483、419、435 μm，熔覆層寬度隨著超聲功率比的增大，逐漸增大至2 574、2 589、2 642 μm，稀釋率分別為50.9%、56.8%、48.5%，均小于無超聲作用下。隨著超聲功率比的增強，熔高降低，熔深減小，熔寬逐漸增大。無超聲振動沉積的涂層輪廓呈現典型的弧形輪廓，而超聲波輸出功率比達到80%，涂層的輪廓底部較為平坦。可見，在超聲振動作用下，熔體和基體之間的潤濕性顯著改善。

圖6 熔覆層宏觀形貌

圖7 熔覆層表面輪廓分析

圖8 激光熔覆層微觀組織形貌

圖9 超聲功率對熔覆層幾何形貌的影響

3 討論

通過對超聲作用下液滴潤濕行為的觀測（如圖2所示），發現潤濕角在超聲作用下顯著降低，可見超聲振動破壞了液滴的初始界面力平衡。對超聲振動作用下的液滴界面力變化進行分析，如圖10所示，在無超聲時，液滴的氣液固三相邊界在邊界力的作用下處于平衡狀態；引入超聲振動后，由于超聲振動在液滴固液邊界處產生動量傳遞層，引發了使液滴向三相邊界外側運動的額外作用力，進而破壞了初始平衡狀態，提升了液滴在基板上的潤濕效果[25]。在液滴潤濕發生改變后，超聲振動引起的額外作用力與新的三相邊界力達到平衡，該平衡可表示為[26-27]：

式中：σLV為液-氣界面表面張力；σSL為固-液界面表面張力；σSV為固-氣界面表面張力；F為由超聲振動引起的附加聲張力；θ為動態接觸角；U為基板振動振幅；R為液滴接觸半徑；β?1為黏性動量傳遞層，其值與液體黏度μ、密度u及振動角頻率ω有關。由于超聲振動引起的額外作用力平行于接觸線處的基板，根據分子動力學理論[27]，接觸線的移動與能量耗散有關，能量耗散通常為作用在移動接觸線上的摩擦力做功。隨著三相線的外移，液滴接觸半徑R增大，動態接觸角θ減小，三相邊界處徑向聲張力隨之增大，與液-氣界面表面張力σLV、固-液界面表面張力σSL、固-氣界面表面張力σSV實現表面力平衡，液滴三相線不再外移。圖4中熔池圖像輪廓的變化體現了熔體在超聲作用下潤濕效果的提升，結合式（1），可見超聲振幅的增加使得超聲的額外作用力提升，因此在超聲功率增加時，熔覆層潤濕效果提升，與圖8結果相符。

在激光熔覆過程中，熔池底部作為形核基底開始凝固，枝晶生長方向與熱流方向相反，在超聲作用下熔體流動加速，熔池內流場的變化改變了溫度場分布與熱流方向，使得枝晶生長方向較為雜亂。前期研究[28]表明，隨著超聲功率比的增加，熔池表面溫度逐漸降低，熔池溫度梯度減小，在流場和溫度場的共同作用下，柱狀晶外延生長受阻，枝晶長度顯著變短，同時由于潤濕性提升而產生的扁平熔覆層形狀也進一步抑制了晶粒的外延生長。無超聲作用下，當凝固到頂部時，由于頂部與外界環境存在直接的熱交換，導致熱流方向發生變化，外延枝晶生長方向和最大局部熱梯度方向之間的生長偏角過大[29]，故在頂部能觀察到明顯的轉向枝晶。在超聲作用下，熔體表面高頻振動，帶動熔池頂部熱流方向的紊亂，抑制了轉向枝晶的形成。

超聲振動引起的潤濕作用也對激光熔覆成形工藝窗口和成形質量產生影響。在激光送絲熔覆過程中，常出現工藝不匹配導致的頂絲而熔覆中止，高質量的熔覆成形工藝窗口較窄[30-31]。而引入超聲振動后，熔池波動促進了絲材與熔池間的熱量傳遞，加速了絲材在熔池內部時的熔化，一定程度上避免了頂絲發生，增大了送絲熔覆工藝窗口。在超聲輔助激光送粉熔覆中，超聲引起的攪拌作用減少了熔覆中的球化現象，提高了熔覆層成形質量[15,20]和粉末沉積過程中的粉末使用率[17]。低潤濕角、小稀釋率的單道熔覆是實現表面平整、稀釋率小且無孔隙的多道搭接熔覆的必要條件[32-33]。已有學者模擬了不同潤濕角和稀釋率的熔覆層在多道熔覆下的溫度場分布，模擬結果顯示，低潤濕角、小稀釋率的熔覆層單位面積吸收能量升高，更利于多道搭接熔覆[34]。無超聲振動沉積的涂層輪廓呈現典型的弧形輪廓，而隨著超聲功率比的增強，熔覆層形狀逐漸發生改變，呈現低潤濕角和小稀釋率的單道形貌，為高質量的多道搭接熔覆建立了基礎。

4 結論

1）超聲作用下，金屬液滴表面發生劇烈波動，表面潤濕性顯著提高，液滴趨于扁平，潤濕面積增大39.3%。

2）熔池在超聲作用下加劇流動，熔池往激光掃描速度方向潤濕，熔融區域面積擴大。超聲的引入加劇了液橋搭接處的流動，使絲材熔融前端流動加快，促進了熔池的潤濕行為，增大了熔體與空氣的接觸面積。

3）超聲的施加使熔覆層由典型的弧形輪廓變為扁平，隨著超聲功率比的增大，熔覆層最大高度逐漸減小，超聲功率比為80%作用下的熔覆層高度為無超聲情況下的75.2%。

4）施加超聲振動使熔體潤濕性增強且流速加快，加速了熔池與外界的熱交換，熔池頂部轉向枝晶減少，凝固組織生長方向較為雜亂，長直柱狀晶明顯減少。

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Influence of Ultrasound on the Wetting Behavior of Molten Pool in Laser Cladding

1a,1b,2,1a,1b,2,3,1a,1b,2,1a,1b,2,3,4,1a,1b,2

(1. a. Institute of Laser Advanced Manufacturing, b. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Collaborative Innovation Center of High-end Laser Manufacturing Equipment, Hangzhou 310023, China; 3. Hangzhou Steam Turbine Co., Ltd., Hangzhou 310020, China; 4. Laser Processing Research Centre, University of Manchester, Manchester M13 9PL, UK)

Laser additive remanufacturing technology based on laser cladding has shown significant advantages and great potential in the repair and remanufacturing of damaged parts. However, the rapid heating and cooling process during laser cladding leads to the formation of micro-cracks, pores, residual tensile stress, etc. in the cladding layer. In order to improve the quality of laser cladding, ultrasonic assisted laser cladding has become one of the hot spots in current research. In this study, the wetting behaviors of the molten pool with and without ultrasonic vibration were compared to investigate the influence and mechanism of ultrasonic vibration on the wetting behavior, providing reference for high-quality ultrasonic assisted laser cladding.

Inconel 718 substrates were polished and cleaned by alcohol to remove surface impurities. A laser beam with power of 1 kW and a spot diameter of 2 mm was used. Ultrasonic vibration with a frequency of 20 kHz and amplitude of 50 μm was transmitted from the bottom of the specimen to the molten pool. A forward wire feeding with a feeding angle of 45° was applied. The scanning speed and the wire feeding speed were 8 mm/s and 9.3 mm/s, respectively. During the experiments, the transition behaviors of the molten pool were captured by a high-speed camera, and the profiles of the molten pool were extracted by Canny algorithm. After the experiments, the macro morphology of the specimens was observed using a stereo microscope (Nikon, SMZ745T) and a confocal microscope (Keyence, VK-X1000). An optical microscope (Zeiss, Axio Imager2) was used to observe and analyze the microstructure of the cladding zone.

Significant fluctuation occurred on the surface of metal droplet with ultrasonic vibration. And the contact area between the metal droplet and the substrate increased by 39.3% with the effect of ultrasonic vibration, indicating the increase of wettability. The area of the molten pool in the laser cladding increased significantly caused by ultrasonic vibration. When a stable liquid-bridge transition was reached in the laser cladding, the area of the molten pool with ultrasonic vibration was 2.8 times of that without ultrasonic vibration. With the increase of ultrasonic power, the height and depth of the cladding layer decreased while the width increased. The dilution rate of the cladding layer was also reduced by ultrasonic vibration. And the cladding layer gradually varied from an arc profile to be relatively flat. When the ultrasonic power ratio was 80%, the height of the cladding layer was 75.2% of that without ultrasound, suggesting significant improvement of the wettability between the cladding and the substrate. In addition, the growth direction of the grains changed and the epitaxial growth of dendrites was inhibited. In addition, the turning dendritic structure at the top of the cladding layer became narrow with ultrasonic vibration. The mechanisms of ultrasonic vibration on the molten pool were discussed based on the experimental results.

In the laser cladding process, ultrasonic vibration is able to promote the wetting of melt and accelerate the melt flow of the molten pool, which leads to a relatively flat cladding layer. The area of molten pool increased, resulting in the variation of the grain growth direction and the length of dendrites.

laser cladding; ultrasonic vibration; wetting behavior; molten pool; macroscopic morphology; microstructure

V261.8

A

1001-3660(2022)10-0020-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.003

2022–07–19；

2022–09–24

2022-07-19；

2022-09-24

國家自然科學基金（52175443、U1809220）；浙江省屬高校基本科研業務費專項資金（RF-B2020002）；浙江省公益技術應用研究項目（LGG20E050019）

Supported by the National Natural Science Foundation of China (52175443, U1809220); the Fundamental Research Funds for the Provincial Universities of Zhejiang (RF-B2020002); Public Welfare Project of Zhejiang Province (LGG20E050019)

姚喆赫（1987—），男，博士，副研究員，主要研究方向為能場復合激光制造。

YAO Zhe-he (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: energy field hybrid laser manufacturing.

姚建華（1965—），男，博士，教授，主要研究方向為激光制造。

YAO Jian-hua (1965-), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser manufacturing.

姚喆赫, 沈奇艷, 葛宏江, 等.超聲對激光熔覆成形中熔池潤濕行為的影響研究[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 20-29.

YAO Zhe-he, SHEN Qi-yan, GE Hong-jiang, et al. Influence of Ultrasound on the Wetting Behavior of Molten Pool in Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 20-29.

責任編輯：萬長清