CN107577879B - 一种激光近净成形过程中快速确定辅助超声功率值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种激光近净成形过程中快速确定辅助超声功率值的方法，利用结晶学理论公式并结合激光近净成形实际工艺特点计算得出不同材料最佳辅助超声功率，具体步骤是：将超声功率转化成超声声压，利用超声声压对结晶过程中自由能变化量、生长速率、晶粒尺寸的影响，最终计算出最佳辅助超声功率值。本发明的优势在于，依据不同材料确定最佳辅助超声功率，成形件晶粒尺寸得到最大程度的细化，裂纹、气孔、缩孔等缺陷得到较高程度的抑制，致密性得到较大的提高。

Description

一种激光近净成形过程中快速确定辅助超声功率值的方法

技术领域

本发明涉及一种激光近净成形过程中确定辅助超声功率值的方法，属于激光近净成形技术领域。

背景技术

功率超声因其在媒质中传播会产生空化效应、声流效应、热效应以及机械效应，在激光近净成形过程中可改善液态熔池的流动性，均匀熔池内部温度场，细化晶粒，减少孔隙，均匀组织和消除残余应力，抑制成形过程中裂纹产生。所以超声辅助激光近净成形成为研究热点。相关报道如下：

大连理工大学申请号为201410239060.9一种激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的方法，采用超声辅助激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件，提高了陶瓷成形件表面质量及尺寸精度，改善了微观组织，有效抑制了局部温度梯度过大导致的裂纹等缺陷；超声辅助方法消除气孔、缩孔等孔隙缺陷，提高了结构件致密均匀性，从而提高零件整体的宏观力学性能；通过精确调整超声波发生器输出功率、超声波振动频率、超声波入射角度、超声波作用时间等参数，实现了采用超声波辅助工艺提高激光近净成形陶瓷结构件成形质量的目的。但其在操作过程中，没有依据不同材料确定最佳辅助超声功率，成形件晶粒尺寸细化程度较低，裂纹、气孔、缩孔等缺陷抑制效果不显著，致密性提高程度不大。

发明内容

为解决在激光近净成形过程中，辅助超声功率不是最佳功率的问题，本发明提供一种在激光近净成形过程中依据不同加工材料快速确定最佳辅助超声功率的方法，该方法提高激光近净成形件的致密性，晶粒得到较高程度的细化，裂纹、气孔、缩孔等缺陷可得到较大程度的抑制。

本发明的技术方案：

一种激光近净成形过程中快速确定辅助超声功率值的方法，步骤如下：

A、超声功率与超声声压的转化：

其中，ΔP为超声声压，P为超声功率，S为激光近净成形过程中熔池面积；

B、成形材料自由能变化量与声压的关系：

ΔG＝ΔH_S+TΔS_S+ΔV_SΔP (2)

其中，ΔG为成形材料固液状态自由能的变化量，ΔH_S为焓变，ΔS_S为熵变，ΔV_S为体积变化；

C、成形材料生长速率与自由能变化量的关系：

其中，v为生长速率，a为成形材料二维晶核的台阶高度，I₀为指前系数，σ是成形材料界面能，k_B为Boltzmann常量，T为成形材料熔点；

D、将公式(2)代入公式(3)得成形材料生长速率与超声功率的关系：

E、成形材料生长速率与晶粒尺寸的关系：

λ²v＝a_J (5)

其中，λ为晶粒尺寸，a_J为Jackson因子；

F、联立公式(4)、(5)得最佳辅助超声功率值公式：

本发明的有益效果：本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，依据不同材料确定最佳辅助超声功率，成形件晶粒尺寸可得到较高程度的细化，裂纹、气孔、缩孔等缺陷可得到较大程度的抑制，致密性可得到较大程度的提高。

具体实施方式

以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

在标准大气压下激光近净成形Al₂O₃结构样件，Al₂O₃粉末质量为0.1kg，计算辅助超声功率值具体步骤如下：

A、将激光近净成形Al₂O₃结构样件中超声系统的功率与超声声压转换。超声声压ΔP与超声功率P关系如公式(1)，激光近净成形过程中熔池面积S＝3.14×10^-6m²(激光光斑直径约2mm)，可得：

ΔP＝11795.23P (7)

B、激光近净成形Al₂O₃结构样件前后Al₂O₃自由能变化量与声压的关系式

如公式(2)，其中Al₂O₃凝固前后焓变ΔH_S＝55.12KJ/mol，熵变ΔS_S＝-16.34J/mol·K，可计算0.1kgAl₂O₃焓变ΔH_S＝54.02KJ，TΔS_S＝-37.27KJ，ΔPΔV_S＝0.035P。

ΔG＝(16.75+0.035P)×10³ (8)

C、将公式(8)带入公式(3)中，可得成形材料生长速率与超声功率的关系。其中：a＝7×10^-8m，I₀＝1，σ＝7.6×10^-8，k_B＝1.38×10^-23J/K，T＝2327K。

D、由公式(5)求解Al₂O₃生长速率v，其中λ＝7×10^-8m，a_J＝5.7，v＝1.16×10¹⁵。将所求结果与公式(9)联立，即可求出最佳辅助超声功率P＝176.75W。

Claims (1)

1.一种激光近净成形过程中快速确定辅助超声功率值的方法，其特征在于，步骤如下：

A、超声功率与超声声压的转化：

其中，ΔP为超声声压，P为超声功率，S为激光近净成形过程中熔池面积；

B、成形材料自由能变化量与声压的关系：

ΔG＝ΔH_S+TΔS_S+ΔV_SΔP (2)

其中，ΔG为成形材料固液状态自由能的变化量，ΔH_S为焓变，ΔS_S为熵变，ΔV_S为体积变化；

C、成形材料生长速率与自由能变化量的关系：

其中，v为生长速率，a为成形材料二维晶核的台阶高度，I₀为指前系数，σ是成形材料界面能，k_B为Boltzmann常量，T为成形材料熔点；

D、将公式(2)代入公式(3)得成形材料生长速率与超声功率的关系：

E、成形材料生长速率与晶粒尺寸的关系：

λ²v＝a_J (5)

其中，λ为晶粒尺寸，a_J为Jackson因子；

F、联立公式(4)、(5)得最佳辅助超声功率值公式：