浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2021, 55(5): 887-895 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.009

机械工程

超声辅助激光修复镍基高温合金V形槽

姚喆赫,, 张操棋, 宋其伟, 卢习江, 孔建强, 姚建华,

1. 浙江工业大学 激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023

2. 高端激光制造装备省部共建协同创新中心，浙江 杭州 310023

3. 浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023

4. 杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310020

Ultrasonic assisted laser repair of V-grooves in nickel-based superalloy

YAO Zhe-he,, ZHANG Cao-qi, SONG Qi-wei, LU Xi-jiang, KONG Jian-qiang, YAO Jian-hua,

1. Institute of Laser Advanced Manufacturing, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China

2. Collaborative Innovation Center of High-end Laser Manufacturing Equipment, Hangzhou 310023, China

3. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China

4. Hangzhou Steam Turbine Co. Ltd, Hangzhou 310020, China

通讯作者: 姚建华，男，教授. orcid.org/0000-0001-8834-9212. E-mail： laser@zjut.edu.cn

收稿日期: 2020-11-3  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51705460）；浙江省重点研发计划资助项目（2019C04004）；浙江省属高校基本科研业务费专项资金资助项目（RF-B2020002）

Received: 2020-11-3  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（51705460）；浙江省重点研发计划资助项目（2019C04004）；浙江省属高校基本科研业务费专项资金资助项目（RF-B2020002）

作者简介 About authors

姚喆赫（1987—），男，副研究员，从事激光加工、超声/振动辅助制造研究.orcid.org/0000-0001-5252-463X.E-mail：zhyao@zjut.edu.cn , E-mail：zhyao@zjut.edu.cn

摘要

为了提高失效零件的修复质量，以V形槽为修复对象开展研究，在修复过程中引入超声振动. 耦合声场、温度场与流场建立超声辅助激光修复V形槽的非线性瞬态模型，对修复过程熔池形貌及其温度场进行数值模拟，并开展相关实验研究，分析超声对修复区组织及性能的影响机制. 数值模拟结果表明，超声振动能加速熔池流动与散热，提高熔深，细化晶粒并改善V形槽底部难熔区域的修复效果. 金相、扫描电子显微镜和电子背散射衍射分析结果表明，在超声作用下，晶粒尺寸和一次枝晶间距得到细化，Laves相更加弥散，Nb元素的富集受到抑制；常温和高温硬度在超声作用下分别提高了11.1%、10.4%. 研究表明，超声振动能有效改善镍基高温合金V形槽激光修复区的微观形貌，提高力学性能.

关键词： 超声振动 ; V形槽 ; 析出物形貌 ; 成形形貌 ; 显微硬度

Abstract

The V-shaped groove was taken as the repair object, and the ultrasonic vibration was introduced in the repair process, in order to improve the repair quality of failed parts. The acoustic field, temperature field and flow field were coupled to establish a nonlinear transient model for ultrasonic assisted laser repairing of V-groove. The morphology and the temperature field of the molten pool during the repairing process were numerically studied, and the related experimental studies were carried out. The influence mechanisms of ultrasonic vibration on the microstructure and the performance of the repaired region were analyzed. Numerical simulation results showed that the ultrasonic vibration would accelerate the flow and heat dissipation of the molten pool, increase the penetration depth and refine the grains, leading to the improvement of the repair effect of the refractory region at the bottom of the V-shaped groove. Results of metallographic, scanning electron microscope and electron backscatter diffraction analysis show that the crystal grains and primary dendrite spacing were refined with the effect of ultrasonic vibration, resulting in the dispersion of the Laves phase and the suppression of the Nb element enrichment. The room-temperature hardness and the elevated-temperature hardness increased by 11.1% and 10.4%, respectively. Research shows that the ultrasonic vibration effectively improves the microscopic morphology of the laser repair zone of the nickel-based superalloy V-groove, and improves the mechanical properties.

Keywords： ultrasonic vibration ; V-groove ; precipitate morphology ; forming morphology ; microhardness

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本文引用格式

姚喆赫, 张操棋, 宋其伟, 卢习江, 孔建强, 姚建华. 超声辅助激光修复镍基高温合金V形槽. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(5): 887-895 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.009

YAO Zhe-he, ZHANG Cao-qi, SONG Qi-wei, LU Xi-jiang, KONG Jian-qiang, YAO Jian-hua. Ultrasonic assisted laser repair of V-grooves in nickel-based superalloy. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(5): 887-895 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.009

工业燃气轮机中的进气机匣、涡轮盘、叶片等热端部件在高温高压的服役环境下，易发生疲劳和损伤，若对其直接报废处理会导致资源及成本的严重浪费[1-2]. 采用激光再制造技术对受损热端部件进行修复，可以极大地降低成本，减少资源浪费，具有较大的社会意义和经济价值. 采用激光再制造技术对受损零部件进行修复再制造，延长受损零部件的服役寿命，已经成为再制造的主流技术之一[3]. 然而，热端部件所采用的高温合金经激光修复后，在修复区易出现Laves相及MC型碳化物，产生气孔、液化裂纹、熔合不良等缺陷[4-7]，严重降低修复件的综合力学性能及服役寿命.

为了克服激光缺陷问题，近年来，国内外学者通过将超声振动引入激光熔覆成形过程，在组织细化、缺陷抑制、性能改善等方面取得了一定成果. 例如，Gorunov等[8]研究发现施加超声振动后，熔覆层的拉伸强度提高了30%；Ning等[9]将超声振动引入TiB增强Ti基复合材料激光近净成形过程，结果表明超声振动能够降低孔隙率，细化晶粒组织；张安峰等[10]研究发现超声振动能够有效降低激光熔覆Ti-6Al-4V成形件的表面粗糙度与残余应力；Yao等[11]研究发现在三维高频振动的作用下，激光熔覆SS316L涂层孔隙率明显降低，柱状枝晶尺寸细化，显微硬度得到提高；Todaro等[12]报道了将超声引入Ti-6Al-4V激光粉末沉积过程，实现了柱状晶向等轴晶的转变. 上述文献研究超声振动对于激光熔覆与增材制造的作用效果，而针对受损零部件的超声辅助激光增材修复的研究则较少. 激光增材修复相较于激光熔覆与增材制造更加关注界面结合与过渡、热输入与热影响区等因素，因此，超声辅助激光增材修复仍待进一步深入研究.

本研究面向镍基高温合金失效部件，以V形槽这一典型缺陷形状[13-14]为研究对象，将超声振动引入激光修复过程，在激光修复区的成形质量、显微组织以及力学性能等方面开展对比研究，并采用数值模拟的方法辅助分析超声在激光修复V形槽过程中的影响机制，为超声辅助激光修复镍基高温合金部件提供理论依据与技术支持.

1. 实验设备及方案

超声辅助激光修复实验平台示意图如图1所示，该系统由Laserline 6 kW半导体激光器、冷却系统、控制系统、双桶送粉器以及自行搭建的超声振动装置构成. 实验修复的V形槽由镍基高温合金IN718基板制备，深为3 mm，开口角度为45°；粉末材料为IN939，在实验前置于100 °C的保温炉中保温干燥1 h. 经前期实验探索与工艺优化，在本研究中扫描速度与送粉速率保持不变，激光功率在500 ~ 1 000 W调整，实验研究中的工艺参数如表1所示.

图 1

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图 1   超声辅助激光修复实验平台示意图

Fig.1   Diagram of experimental setup for ultrasonic-assisted laser repairing


表 1   超声辅助激光修复实验研究中的工艺参数

Tab.1  Processing parameters in experimental studies of ultrasonic-assisted laser repairing

参数名称 参数
激光功率/W 500 ~ 1 000
光斑直径/mm 2.2
扫描速度/（mm∙s−1） 5
送粉速率/（g∙min−1） 10
超声振动频率/kHz 20
超声振幅/μm 20

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2. 数值模拟研究

2.1. 数值模型的构建

超声辅助激光修复V形槽的过程中伴随着复杂的物理变化，在满足计算精度的条件下，为了提高模型求解效率，对所构建的超声辅助激光修复V形槽数值模型进行以下假设：1) 假设熔池中的金属流体为不可压缩牛顿流体，流体流动假定为层流流动[15]；2) 假设固液两相之间的糊状区为具有各向同性的多孔介质[16]；3) 忽略熔体流动对熔池形貌的影响；4) 忽略激光对环境温度的影响，模型的初始温度设定为293.15 K.

基于上述假设建立的数值模型如下.

1) 激光热源模型. 采用平面热源模型[17]，热流密度的表达式为

$Q = a{P / {\left( {{\text{π}} {r^2}} \right)}}.$

式中：a为激光吸收率，P为激光功率，r为光斑半径.

2)传热控制方程. 在修复过程中存在热传导、热对流、热辐射等物理变化[18-19]，控制方程为

$\rho c\frac{{\partial T}}{{\partial t}} + \rho c{{u}} \cdot \nabla T - \nabla \cdot \left( {\kappa \nabla T} \right){\rm{ = }}{Q_{\rm{e}}}.$

式中：ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，u为熔体流速， $\kappa $为导热系数，Qe为包括激光热源、热对流、热辐射在内的能量源项.

3) 流场控制方程. 除了传热控制方程外，超声辅助激光修复数值模型的控制方程还包括连续方程和动量方程[20]，分别为

$\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho {{u}}) = 0,$

$\rho \frac{{\partial {{u}}}}{{\partial t}}{\rm{ + }}\rho \nabla \cdot \left( {{{u}} \otimes {{u}}} \right) = - \nabla p + \mu \nabla \cdot \left( {\nabla {{u}} + {{\left( {\nabla {{u}}} \right)}^{\rm{T}}}} \right) + {{f}}.$

式中：μ为动力黏度；f为单位体积流体所受到的热浮力源项FB和Darcy源项FD之和.

合金密度会随着温度而变化，且密度发生变化将引起浮力源项的改变，因此采用Boussinesq假设，热浮力源项表达式[16]为

${{{F}}_{\rm{B}}} = \rho {{g}}\beta (T - {T_{{\rm{ref}}}}).$

式中：β为热膨胀系数，Tref为相对参考温度，g为重力加速度.

Darcy源项表达式为

${{{F}}_{\rm{D}}} = m\frac{{{{(1 - {\varphi})}^2}}}{{{\varphi}^3 + n}}{{u}}.$

式中：m为动量阻尼系数；n为无穷小的辅助参数，避免分母为零； $\varphi $为液相体积分数.

$\varphi = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} 1,&{T > {T_{\rm{l}}}};\\ {\dfrac{{T - {T_{\rm{s}}}}}{{{T_{\rm{l}}} - {T_{\rm{s}}}}}},&{{T_{\rm{s}}} \leqslant T \leqslant {T_{\rm{l}}}};\\ 0,&{T < {T_{\rm{s}}}}. \end{array}} \right.$

式中：Ts为固相线温度；Tl为液相线温度； $\varphi $=1.0为液相区， $\varphi $=0为固相区，0< $\varphi $<1.0为糊状区.

4) 超声振动的引入方式. 在平衡状态下，激光熔池内部存在稳定压强，即通常定义的静压力p0. 在引入超声能场后，声波在熔池内部传播时将引起压力场的变化，定义为pm. 引入超声振动前、后熔池内压力差表达式为

$p = {p_{\rm{m}}} - {p_{\rm{0}}} = \rho c{\rm{_u}}v.$

式中：cu为超声在熔池中的传播速度；v为超声振动作用下的基板瞬时速度， $v = 2{\text{π}} {f_{\rm{v}}}A\sin\; (2{\text{π}} {f_{\rm{v}}}t)$，A为超声振幅，fv为超声频率.

通过边界应力条件将超声以声压的形式引入模型，进而研究超声对熔池的影响机理[21]，控制方程为

$p = 2{\text{π}} {f_{\rm{v}}}{\rho _{\rm{b}}}c_{\rm{u}}A\cos \;(2{\text{π}} {f_{\rm{v}}}t).$

式中：ρb为基板材料密度.

2.2. V形槽修复过程熔池数值模拟研究

在数值模拟研究中，激光及超声参数依据实验工艺参数设定，物性参数的数值来源于参考文献，参数设置如表2所示. 如图2所示为在相同功率条件下的激光修复V形槽熔池形貌及其温度场数值模拟结果. 为了较直观地显示模拟结果，提取熔池轮廓线，如图3所示. 由图2、3可知，在未施加超声的情况下，V形槽尖端处未达到熔点温度，容易产生熔合不良；在引入超声振动后，整体熔化面积虽未明显增大，但整体熔化趋势朝着V形槽尖端处拓展，熔合线已覆盖住无超声时未达到熔点温度的V形槽尖端处，说明在相同热输入条件下超声能够促使热量更有效地导入尖角处.

表 2   超声辅助激光修复数值模拟的参数设置

Tab.2  Parameters used in numerical simulation of ultrasonic-assisted laser repairing

参数名称 参数符号 参数 文献来源
声速/（m∙s−1） C 5868 [22]
密度/（kg∙m−3） ρ 7993 [23]
液相线温度/K Tl 1533 [23]
导热系数/（W∙m−1·K−1） $\kappa $ 29.6 [24]
固相比热容/（J∙kg−1·K−1） cp 435 [24]
超声振幅/μm A 20 –
激光功率/W P 700 –
激光扫描速度/（mm∙s−1） vscan 5 –
光斑半径/mm r 1.1 –

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图 2

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图 2   激光修复V形槽熔池形貌及其温度场数值模拟

Fig.2   Numerical simulation of molten pool topography and temperature field distribution in laser repaired V-groove


图 3

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图 3   不同条件下的激光修复V形槽熔合线对比

Fig.3   Comparison of fusion line in laser repaired V-groove with various conditions


分析认为，在超声振动作用下，超声产生的声辐射压力及高频振动可以在熔池中加速流动和搅动（机械效应），同时超声会在熔池中形成一定的声压梯度，进而产生驱动力促进传播介质朝着一定的方向流动[25-27]（声流效应），并促进熔池对流传热. 超声振动促进了热量沿纵向的传输，改善了V形槽底部尖端激光修复效果.

3. 实验结果与讨论

3.1. V形槽修复区形貌及微观组织分析

为了验证数值模拟的准确性，开展不同激光功率下的V形槽激光修复实验，修复后的横截面金相图如图4所示. 在激光功率为500 W或700 W时，由于热输入量的不足，V形槽尖端处在修复时产生明显的孔洞（见图4(a)、(b)），而超声振动的引入则能显著改善上述缺陷，V型槽修复区的组织形态良好，未见明显气孔、裂纹、熔合不良等缺陷（见图4(e)、(f)）. 当提高激光功率后（800 W或1 000 W），由于V形槽尖端已经能获得足够的热输入量，在无超声作用下孔洞缺陷亦消失.

图 4

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图 4   V形槽激光修复横截面形貌

Fig.4   Cross-sectional morphology of laser remanufactured V-groove


为了定量描述修复效果，定义熔深比为

$\alpha {\rm{ = }}h/{h_0}.$

式中：h为熔合线底部距槽顶深度；h0为V形槽初始深度.

熔深比汇总如图5所示. 可以看出，随着激光功率的增大，熔深比增大；在相同的功率下，施加超声振动后的熔深比相较无超声时有较为明显的提高，显示出超声振动对于尖角修复的促进效果. 该实验结果与2.2节所述数值模拟预测吻合.

图 5

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图 5   不同激光功率下激光修复V形槽熔深比

Fig.5   Penetration ratio in laser repaired V-groove with various laser powers


同时，对不同激光功率下V形槽修复区的一次枝晶间距进行测量和统计，结果如图6、7所示. 可以看出，显微组织形貌中枝晶呈现较好的外延生长特性. 在未施加超声时，修复区内一次枝晶间距的平均值由800 W激光功率下的5.41 μm增加到1000 W激光功率下的6.26 μm，表明热输入的提高增大了一次枝晶间距. 在施加超声后，修复区内一次枝晶间距的平均值相比无超声时显著降低，在800、1000 W条件下，分别降低了6.84 %、40.0 %. 一次枝晶间距与冷却速率之间一般有如下关系[28-30]：

图 6

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图 6   V形槽激光修复区枝晶组织形貌

Fig.6   Dendritic morphology in laser repaired zone of V-groove


图 7

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图 7   V形槽激光修复区一次枝晶宽度

Fig.7   Primary dendritic spacing in laser repaired zone of V-groove


$\lambda \propto {\varepsilon ^n}.$

式中：λ为一次枝晶间距平均值，n为与材料成分相关的系数，ε为冷却速率.

对于镍基高温合金，n的取值约为−0.25[31-33]，由式（11）可知，提高冷却速率将有效减小一次枝晶间距. 施加超声后将提高对流速度，加快熔池散热，增大冷却速率. 同时，声空化效应所形成的射流也能破碎周围初生枝晶，细化微观组织结构.

在激光修复与再制造中，热输入量不足会出现熔合不良，但热输入量过大则会增大热影响区，甚至产生匙孔效应[34]，影响修复件综合力学性能与形貌. 本研究发现超声的引入可以在相同激光功率下，在不显著影响热影响区和修复区界面（如图8所示）的同时，实现对较大深宽比V形槽的修复，并细化修复区的组织晶粒，在尖角或直角的修复中具有实际价值.

图 8

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图 8   V形槽激光修复过渡区横截面形貌

Fig.8   Cross-sectional morphology of transition region in laser remanufactured V-groove


3.2. V形槽修复区析出相及其形貌研究

为了比较研究超声振动对V形槽修复区析出相及其形貌的影响，针对1 000 W激光功率（其他参数见表1）下的修复试样，采用扫描电子显微镜（ZEISS EVO18）及能谱仪（EDS，BRUKERXFlash 6130），对V形槽修复区和结合区的微观组织及析出相进行观测，并在析出相附近进行元素质量分数线扫描分析，记录不同位置（与起点距离为d）的脉冲数pul，结果如图9所示. 在未施加超声时，Laves相主要沿树枝晶间以不连续的链状方式析出，且析出量较多，尺寸相对较大，线扫描结果表明Laves相形成时伴随着Nb、Mo元素的大量富集，其中Nb元素质量分数为19.68%. 在超声作用下，Laves相的析出形貌由链状分布转变为尺寸较小的点状分布，其中Nb元素质量分数显著降低至7.62%，对比未施加超声的Nb元素质量分数降低了61.28%.

图 9

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图 9   V形槽激光修复区析出相形貌及元素线扫描结果

Fig.9   Precipitation phase morphology and element line-scanning results of laser repaired zone in V-groove


镍基高温合金析出的Laves相一般被认为是有害相，相关研究[35]表明，当Laves相尺寸较大且以不连续的链状分布于树枝晶间时，将阻碍基体的塑性变形，影响修复区的拉伸性能，而当Laves相尺寸较小且呈点状分布时，其断裂机制为韧性断裂，拉伸强度与延展性得到提高. 因此，采用超声振动将修复区析出相转变为弥散状分布，将有助于提高其综合力学性能.

3.3. V形槽修复区晶体取向及晶粒尺寸研究

对于1 000 W激光功率（其他参数见表1）下的修复试样，开展V形槽激光修复区横截面电子背散射衍射（electron backscatter diffraction，EBSD）分析，结果如图10所示. 对比图10(a)~(d)，可见在无超声作用时，修复区组织主要为取向性较强的柱状晶，柱状晶取向分布情况显示凝固过程基本从基体向中心凝固；在施加超声振动后，柱状晶取向相对杂乱，且晶粒尺寸减小. 分析认为，在施加超声振动后，靠近熔池底部枝晶生长处的空化泡溃灭将产生指向熔池底部的高压微射流，破碎初生枝晶，细化晶粒并影响柱状晶的生长方向，最终导致修复区柱状晶取向较为杂乱.

图 10

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图 10   V形槽激光修复区EBSD分析结果

Fig.10   EBSD analysis results of laser repaired zone in V-groove


3.4. V形槽修复区显微硬度分析

对于1 000 W激光功率（其他参数见表1）下的修复试样，开展常温及600 °C高温条件下的硬度测试，在0.2 kgf试验力下获得维氏硬度（HV0.2）. 在常温条件下，修复区显微硬度分布曲线如图11所示. 可以看出，在未施加超声时，修复区内的平均显微硬度Hm≈270 HV0.2，在引入超声振动后修复区平均显微硬度提升至约300 HV0.2，提高了11.1 %. 高温显微硬度测试结果如图12所示，基体部分的显微硬度约为210 HV0.2，相较于常温硬度降低约20 HV0.2. 在未施加超声时，修复区高温显微硬度约为240 HV0.2，施加超声后的高温硬度升至约265 HV0.2，提高了10.4 %.

图 11

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图 11   V形槽激光修复区室温硬度

Fig.11   Room-temperature hardness of laser repaired zone in V-groove


图 12

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图 12   V形槽激光修复区600 ℃高温硬度

Fig.12   Elevated-temperature hardness of laser repaired zone in V-groove at 600 °C


基体及修复区的高温硬度相较于常温硬度略有下降. 分析认为，在600 °C下，低熔点共晶产物未达到其1170~1180 °C的熔点[36]，因此共晶产物中的强化元素Nb、Mo、Ti等元素未固溶于基体γ相中，并且该温度未达到γ′强化相的析出温度，显微组织发生一定的粗化，进而在高温显微硬度下表现为硬度的略微降低.

在超声作用下，基于3.1节和3.3节研究，晶粒和枝晶结构的细化将提升其硬度，此外，超声振动抑制了强化元素Nb和Mo的偏析，Laves相及MC相的体积分数降低，更多的强化元素被固溶于γ奥氏体基体相中，进而提升其显微硬度.

镍基高温合金的拉伸强度受组织形态、析出相、显微缺陷等因素影响[37-39]，本研究发现超声振动作用下枝晶间距降低、晶粒细化、Laves相弥散化，可以预测超声振动作用下修复区拉伸强度与塑性指标提升. 由于金属材料拉伸强度与硬度一般呈正相关[40-41]，显微硬度测试结果进一步印证了超声振动对于拉伸强度的改善效果.

4. 结　论

（1）数值模拟和实验研究均表明，超声振动将促进能量向V形槽底部传输，增大熔深，抑制V形槽底部熔合不良的产生.

（2）在超声振动作用下，V形槽修复区一次枝晶间距减小；Laves相尺寸减小，并由链状分布转为呈点状分布，且析出相中Nb元素质量分数显著降低.

（3）在未施加超声振动时，V形槽修复区主要以取向性较强的柱状晶生长，在施加超声振动后，柱状晶生长取向相对杂乱，且晶粒尺寸减小.

（4）在超声作用下，V形槽修复区常温与高温显微硬度分别提升了11.1 %、10.4 %.

（5）研究表明，超声振动有效改善了镍基高温合金V形槽激光修复区的微观形貌，提高了力学性能.

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