超声能场对激光增材制造熔池凝固过程的影响机制研究
这类软件好像有COMSOL，还有SYSWELD。貌似abaqus、ansys也有，不过我知识面比较窄还没关注。选择用COMSOL Multiphysics软件对超声能场处理下激光熔丝增材制造熔池凝固过程进行仿真模拟。模拟主要包括两部分内容： 激光熔丝增材制造 A517Q 合金钢温度场仿真，探索成形过程中温度场的变化情况；对 不同超声能场施加方式下熔池凝固过程中熔池声压场和温度场进行模拟，分析超声能场对激光熔丝增材制造熔池凝固过程的影响机制。超声能场辅助激光熔丝增材制造有限元模型的建立为了进行有限元数值模拟，首先建立超声能场辅助激光熔丝增材制造相关模型，其中网格划分非常关键，决定了仿真模拟的计算精度和时间。与此同时，材料参数的正确选择对仿真结果的准确性也有较大影响，边界条件、热源模型和超声能场接触方式选择越贴近实际实验情况，模拟结果越准确。所以首先对几何模型建立、网格划分、材料 参数选择、热源模型选取和边界条件设置等过程进行说明。几何模型及网格划分首先建立增材制造成形过程几何模型，由于对增材制造过程模拟只是为了给后续熔池凝固过程研究提供熔池初始温度，所以沉积层截面形状对模拟结果几乎不存在影响，考虑到建模和有限元计算的便利性，将沉积层截面形状设置为矩形，如图（a）所示。 在对求解精度和求解时间进行综合考虑后，对网格划分选择了正常划分后局部加密，网格的疏密情况根据实际情况而定。整个沉积层以及与沉积层接触的基板部分对网格进行加密，其余部分网格尺寸较大，节省求解时间。完整网格包含49447个域单元、6766个边界单元和614个边单元，网格最小尺寸为0.04mm，如图（b）所示。（a）模型；（b）网格划分为了研究超声能场对熔池凝固过程的影响，重新进行了建模和网格划分。为了节省计算时间，对模型进行了简化，使用二维模型来模拟超声能场对熔池凝固过程的影响。 根据上超声设备和下超声设备实际作用位置，在模型中加入小长方体作为超声能场作用点，如图（a）所示。在保证计算精度的情况下，为节约模型计算时间，对整个模型进行分区域网格划分。首先对熔池部分进行网格划分，选择流体动力学作为网格划分标准，网格类型为自由三角形，最小网格尺寸为0.35μm，由于该部分为重点模拟区域， 所以对该区域网格进行细化处理，限制最大网格尺寸为0.1mm。对液态熔池与已凝固沉积层以及基板的边界层进行了重新定义，定义层数为2层，层厚根据调节因子进行调节， 调节因子限制为5，同样限制边界层最大网格尺寸为0.1mm。模型其他部分按照极细化 进行划分，网格类型选用自由三角形，最小网格尺寸为3μm，最终完整网格包含10673个域单元和577个边界单元。（a）模型；（b）模型局部放大；（c）网格局部放大材料参数激光熔丝增材制造过程中，由于熔池温度在很短时间内存在剧烈变化，而材料的一些参数随着温度变化而变化，所以选择合理的材料参数非常重要。在 COMSOL Multiphysics 材料库中并没有本文所用的A517Q 合金钢，JMatPro软件可以通过输入材料成分才对材料的各种参数进行计算，所以使用JMatPro软件对A517Q合金钢密度、 杨氏模量、热导率和动力粘度等参数进行了计算，如图所示。其余参数保持恒定不 变，不随温度变化而变化，具体数值如表所示。表A517Q 合金钢模拟所需材料参数A517Q 合金钢材料参数随温度变化曲线：（a）密度；（b）杨氏模量；（c）热导率；（d）动力 粘度热源模型在增材制造过程中，激光热源分布为中间多边缘少，所以选择平面高斯热源， 该热源分布函数与实际激光热源分布近乎相同，使用这种热源模型可以获得较为准确的 熔池温度场。其热流密度随着坐标与热源中心的距离呈现指数型分布，其方程式如式：边界条件使用 COMSOL Multiphysics 软件的全耦合方式进行超声能场对熔池凝固过程的模拟，其中包括固体和流体传热模块、层流模块以及固体力学模块。在进行温度场模拟时，主要对包括沉积层初始温度、热传导、热对流、热辐射等的边界条件进行设置。 通过激光熔丝增材制造单道单层温度场的模拟结果，确定熔池初始温度设置为2500K， 模型其他部分初始温度皆为293.15K，以此来模拟熔池凝固过程。热传导的由以下方程表示：由于模拟过程中存在固-液相变，相变过程中材料会吸收或者释放热量，产生相变潜热，对凝固过程温度也有较大影响，在边界条件中用相变材料进行定义，给出了具体固相温度、液相温度和相变潜热具体数值，如上表所示。在进行超声能场对熔池声压场模拟过程中，主要包括以下界面：上超声施加点，其加载载荷为正弦位移载荷A=A0sin2πft。其中超声频率f为20kHz，超声输出振幅A0可调整，最大为20μm。下超声施加点，其加载载荷也为正弦位移载荷A=A1sin2πft。其中 超声频率f为20kHz，超声输出振幅A1可调整，最大为16μm。基板底面与成形平台接 触面设置为低反射界面，模拟超声波传播到该位置时不再进行反射。固-液耦合界面，用来模拟超声波在固液界面的传播情况，进行耦合计算。设置声软化边界，因为超声从金 属熔体传播到空气中，金属熔体的声特性阻抗率大于空气，所以设置声软化边界来模拟熔池和空气的接触面。超声能场不同参数对熔池凝固过程的影响在研究超声能场不同参数对熔池凝固过程的影响机制之前，首先对激光熔丝增材制造单道单层温度场进行了模拟，以此来确定后续模拟时熔池的初始温度，模拟结果如图所示。从图（a）可以看出，激光光斑中心及其附近温度很高，但由于热源向前移 动速度很快，热源移动后，材料的温度降低很快，在很短的时间内，材料发生凝固，由液态变为固态。结合图（b）的温度曲线以及A517Q合金钢的固相温度和液相温度， 最终选择2500K作为熔池初始温度。激光熔丝增材制造单道单层温度场模拟：（a）三维温度场；（b）熔池内一点的温度-时间曲 线因为实际成形过程中涉及到大量的物理化学变化，且超声能场对熔池凝固过程的影响是动态过程，本实验超声能场的周期为50 μs，熔池凝固过程虽然时间较短，但也以秒为单位，所以超声能场与熔池凝固过程的耦合较为复杂，计算步长小，计算量大。因此，为了降低数值计算的复杂程度，提高模拟的可行性并减少求解时间，在模拟过程中做出如下简化和假设：（1）使用二维模型代替三维模型，在保证模拟结果准确度的基础上，大大缩短了数值计算时间，提高了计算效率。（2）忽略增材制造过程中熔池运动行为，不考虑超声能场的引入对宏观温度上产生的影响。（3）假设熔池形状保持不变，环境温度为293.15K，大气压力为1.01×105 Pa，忽略成形过程中保护气的影响。上超声不同振幅对沉积层熔池声压场和温度场的影响在激光熔丝增材制造单道单层温度场模拟的基础上，开展了超声能场对熔池凝固过程影响规律的研究，首先模拟了超声不同振幅对熔池凝固过程声压场的影响。模拟时间步长为1.0μs，从熔池温度2500K开始计算，直至整个熔池完全凝固为止。超声能场在熔池中传播时，熔池内部会出现拉应力和压应力交替出现的现象，熔池受到拉应力时会形成负压，当负压大于熔池内分子之间的结合力时，熔池内会生成大量气泡，即空化气泡。此时最大负压的峰值称为空化阈值，也就是说想要形成空化泡，熔池内的负压必须大于等于空化阈值。随后熔池受到压应力时会形成正压，空化泡在正压的作用下会闭合破碎，在空化泡的破碎时会产生强烈的对流和冲击波，导致局部范围内产生较大的温度梯度和压力梯度。这会引起枝晶破碎，增加过冷度，从而提高熔池中的形核率，进而细化晶粒。所以通过声压场的模拟来研究本实验条件下超声能场的空化效应作用情况。因为超声波会在传播的过程中逐渐衰减，即超声实际振幅会随着距离的增加不断减小，所以为了研究不同超声输出振幅下熔池处超声能量的大小，对不同输出振幅下熔池处实际振幅进行了计算，如图所示。从图中可以看出，随着超声输出振幅的增加， 熔池处实际振幅大幅度提高，从2.11μm分别提高到3.56μm和5.26μm。说明超声的输出振幅影响较大，直接决定了熔池处实际振幅的大小。不同超声输出振幅下熔池处实际振幅随时间变化曲线：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅 14 μm；（c）输出振幅20 μm超声波产生的能量可以分为两部分，分别是声传播能和空化能。声传播能主要在介质中传播消耗，最后转化为成内能，空化能主要被空化气泡吸收并转化为其他形式的能量。空化气泡单位时间和空间内释放的能量称为空化强度，可以通过声强来反应空化强度的大小。熔池处声强的大小可以使用熔池处的实际振幅来计算获得，声强I计算为公式所示：根据图的超声不同输出振幅下熔池处实际振幅大小，计算了熔池处声强，如图所示。对于轻金属熔体来说，发生超声空化对应的声强临界值约为100W/cm^2，在图中用黑色虚线进行标记。从图（a）可以看出，当超声输出振幅为8μm时，声强仅 为 95.08 W/cm^2，小于发生超声空化所需要的声强临界值，判断在熔池内超声空化现象 很弱，或者没有发生超声空化。当超声输出振幅增加到14μm时，声强提高到了288.52W/cm^2（b）， 超过了超声空化所需要的声强阈值，判断熔池内发生了超声空化效 应。当超声输出振幅为20μm时，声强进一步提高，达到了580.33W/cm^2（ c）， 远大于超声空化的声强阈值，判断熔池内部超声空化效应较强且更为充分。不同超声输出振幅下熔池处声强随时间变化曲线：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅 14 μm；（c）输出振幅 20 μm除了声强可以反应超声的空化强度外，超声的声压也可以对空化效应的强弱进行定 量的分析，所以对超声空化的声压阈值进行了计算，其公式由表示，经过计算，A517Q合金钢的空化阈值PB为0.22MPa。为了对超声能场施加后熔池内部声压的变化有更直观的了解，对超声不同输出振幅下熔池内部声压稳定时的声压云图进行了绘制，如图所示。图中空白区域代表该部分的声压大于超声空化的声压阈值，也就是说该部分可以发生超声空化效应。从图中可以看出，熔池内部声压呈现出从底部到顶部逐渐降低的趋势，且随着超声输出振幅的不断增大，可以发生超声空化的范围也不断增大。熔池内部最大声压值也不断增大，当超声输出振幅为8μm时，最大声压为0.22MPa，当超声输出振幅增加到14 μm时，最大 声压提高到0.41MPa，当超声输出振幅增加到20μm时，最大声压为0.52MPa，提高了约2.4倍。不同超声输出振幅下熔池内部声压云图：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅14 μm；（c）输 出振幅20 μm为了对不同超声输出振幅下熔池内部声压进行定量统计，取熔池内部十个超声周期内平均声压的变化来判断超声空化效应的发生情况。想要形成空化泡，熔池内的负压必须大于等于空化阈值（0.22 MPa）。从图可以看出，当超声输出振幅为8μm时，其内部声压变化趋于稳定后，负压为-0.1475MPa（a），没有达到超声空化的声压阈值，结合其声强值及声压云图，判断该参数下熔池内部超声空化效应较弱，对熔池影响 不大。当超声输出振幅为14μm时，声压变化趋于稳定后，负压为-0.3082MPa（b），超过了超声空化的声压阈值，熔池内部有空化泡生成，其正压为0.4983 MPa，可以 使产生的空化泡破裂，结合其声强值及声压云图，判断该参数下熔池内接近三分之一的区域都发生了超声空化效应。当超声输出振幅继续增大到20μm时，负压为-0.4591MPa （c），相比于超声输出振幅8μm时，其负压值提高了约2倍，且正压为0.6721MPa，更容易使空化泡发生破裂。综合以上分析，当超声输出振幅为20μm时，熔池内部超声空化效应更易发生且超声空化范围更大。不同超声输出振幅下熔池内平均声压随时间变化曲线：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅 14 μm；（c）输出振幅20 μm超声的声流效应对熔池的作用主要体现在对熔池温度场的影响上。超声波在熔体中传播时，超声能量会在熔体介质的粘度和声吸收作用下发生衰减，这促使声压随着超声波的传播，形成了一定的声压梯度，声压梯度的形成会使熔体内部发生快速流动，这种现象称为声流效应。声流效应使熔池内部热对流的速度可以提高5倍以上。熔池内部流体流动速度的提高可以对熔池存在一定的搅拌作用，起到破坏液/固界面，促进散热和加速颗粒分散等作用。对超声不同输出振幅下熔池温度场进行了研究，熔池不同凝固时刻的温度场云图如图所示。从图中可以看出，在相同凝固时刻，超声不同输出振幅处理下，熔池内温度场有较大变化。当超声作用时间为0.01 s时，由于超声作用时间较短，声流效应对熔池温度场产生的变化较小，但熔池内最低温度明显随着超声输出振幅的增加而不断降低。 当超声作用时间提高到0.03s时，不同超声输出振幅的温度场出现明显变化。超声输出 振幅为8μm时，熔池内最高温度为2460K（a），超声输出振幅增加到14μm时， 熔池内最高温度降低到2420K（b），超声输出振幅为20μm时，熔池内最高温度降低到2350K（c）。当超声作用时间提高到0.05s时，随着超声输出振幅的提高， 熔池内温度降低幅度更大，当超声输出振幅为20μm时，熔池内最高温度仅为1780K， 接近完全凝固温度。不同超声输出振幅下熔池凝固过程温度场：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅14 μm； （c）输出振幅20 μm为了更直观的观察熔池凝固过程中固-液相变，绘制了超声不同输出振幅下固-液相变云图，如图所示。其中红色代表液相，蓝色代表固相，从图中可以看出，随着超声输出振幅的增大，熔池凝固速度加快，固相范围大幅度增加。在超声输出振幅20μm 作用0.05 s后，熔池超过一半已经转变为固相。不同超声输出振幅下熔池凝固过程固-液相变：（a）输出振幅8 μm；（b）输出振幅14 μm； （c）输出振幅20 μm为了便于进行对比，分析不同超声输出振幅下熔池完全凝固所需时间，对熔池凝固过程中不同时刻的最高温度进行了统计，如图所示。从图中可以看出，当超声输出振幅增加时，同一时间，熔池内最高温度不断减小。当超声输出振幅为8μm时，熔池 完全凝固需要0.13s，超声输出振幅增大到14μm时，熔池完全凝固时间降低为0.08s， 超声输出振幅为20μm时，完全凝固时间仅为0.06s，熔池完全凝固时间大幅度降低。 这也从侧面证明，经过上超声处理后，熔池的冷却速度增大，冷却速度增大会导致过冷度增大，过冷度的增大会提高熔池的形核率，进而达成细化晶粒的目的。不同超声输出振幅下熔池内最高温度随时间变化曲线：（a）超声输出振幅8 μm；（b）超声 输出振幅14 μm；（c）超声输出振幅20 μm下超声不同功率对沉积层熔池声压场和温度场的影响为了研究下超声不同功率对熔池声压场和温度场的影响，首先模拟了不同功率下熔 池处的实际振幅，如图所示。从图中可以看出，随着超声功率的提高，熔池处实际振幅大幅度提高。当超声功率为200W时，熔池处实际振幅为4.25μm（a）；当 超声功率增大到600W时，振幅提高为6.33μm（b）；超声功率为1000W时， 熔池处实际振幅高达10.46μm（c），为总振幅（16μm）的66.2%，超声衰减较小。熔池处实际振幅更大，熔池受到超声能量的干扰更大。不同超声功率下熔池处实际振幅随时间变化曲线：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c）超声功率1000 W根据上图的超声不同功率下熔池处实际振幅大小，计算了熔池处声强，如图所示。从下图中可以明显看出，下超声不同功率作用时，声强都远远超过了发生超声空化 所需要的声强阈值（100W/cm^2），即下超声作用时，熔池内部都存在超声空化效应。随 着超声功率的增加，声强不断增大，从419.67W/cm^2（200W），分别提高到933.77W/cm^2 （600 W）和2622.95W/cm^2（1000W）。下超声作用时，熔池声强值较大，说明其超声空化效应较易发生。不同超声功率下熔池处声强随时间变化曲线：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c）超声功率1000 W对超声不同功率下熔池内部声压稳定时的声压云图进行了绘制，如图所示。图中空白区域可以发生超声空化效应。从图中可以看出，在下超声作用下，熔池内部声压分布并不均匀，在熔池的底部呈现出极大的负压值，熔池顶部呈现出较大的正压值，且随着超声功率的增大，熔池内正压值和负压值的绝对值都逐渐增大。当超声功率为200W时，最大负压值为-0.69MPa（a）；超声功率增大到600W时，最大负压值为-0.92MPa（b）；超声功率为1000W时，最大负压值进一步增大为-1.09MPa（c），且近乎整个熔池都可以发生超声空化效应。这是由于超声功率为1000 W时，初始声压较高，所以经过衰减后熔池处接收到的超声能量仍然较大。不同超声功率下熔池内部声压云图：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c）超 声功率1000 W对熔池内部十个超声周期内平均声压的进行计算和分析，其曲线如图所示。从图中可以看出，当超声功率为 200W时，其内部声压变化趋于稳定后，负压为-0.3639MPa，正压为0.5541MPa（a），产生的空化泡可以在正压的作用下发生破裂，即 可以发生空化效应。结合其声压云图，判断该参数下熔池内接近二分之一的区域都发生 了超声空化效应。当超声功率为600W时，负压为-0.5705MPa，正压为0.7836MPa（b），符合超声空化效应发生条件，结合其声压云图，判断该参数下熔池内接近四分 之三的区域都可以发生超声空化效应。当超声功率继续增大到1000W时，负压为-1.0295MPa，正压为1.1737MPa（c），相比于超声功率200W时，其负压值提高了约 2.8 倍。综合以上分析，当超声功率为1000W时，熔池内部超声空化效应更易发生且近乎整个熔池范围内都存在超声空化效应。不同超声功率下熔池内平均声压随时间变化曲线：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c）超声功率1000 W模拟了超声不同功率下熔池凝固过程的温度场的变化情况。熔池不同凝固时刻的温度场云图如图所示。当超声作用时间为0.01s时，此时超声作用时间较短，只有超声功率为1000 W时，温度存在明显变化。当超声作用时间提高到0.03s时，不同超声功率下温度场都出现明显变化。超声功率为200W时，熔池内低温区明显扩大，熔池内最低温度为1050K，超声功率增加到600W时，熔池内低温区进一步扩大，最低温度 降低为980K，超声功率增加到1000W时，熔池内低温区占比接近整个熔池的一半， 最低温度降低到849K。当超声作用时间提高到0.05s时，低温区进一步扩大且随着超 声功率的增加低温区面积不断增大，当超声功率为1000W时，熔池内最高温度为1560K，接近固-液转变温度，整个熔池温度大幅度降低。为了方便区分超声不同功率对固-液相变的影响，对熔池凝固过程固-液相变进行了模拟，如图所示。从图中可以看出， 当超声作用时间相同时，随着超声功率逐渐增大，固相所占面积越来越大。在超声作用 时间0.05s，超声功率为1000W时，几乎整个熔池内部全部由液相转变为固相。不同超声功率下熔池凝固过程温度场：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c） 超声功率1000 W不同超声功率下熔池凝固过程固-液相变：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W； （c）超声功率1000 W对不同超声功率下熔池凝固过程中不同时刻的最高温度进行了统计，如图 所 示。从图中可以看出，随着超声功率的增加，熔池内同一时刻最高温度不断降低。当超 声功率为200W时，熔池完全凝固需要0.11s，超声功率增大到600W时，完全凝固时 间降低为0.07s，超声功率为1000W时，完全凝固时间仅为0.05s，熔池完全凝固时间 大幅度降低。说明随着超声功率的增加，熔池冷却时间不断减小。综上所述，当超声功 率为1000W时，熔池的冷却速度最快，超声的声流效应最明显，对沉积层显微组织改 善效果最好。不同超声功率下熔池内最高温度随时间变化曲线：（a）超声功率200 W；（b）超声功率600 W；（c）超声功率1000 W超声能场不同施加方式对熔池凝固过程的影响超声不同施加方式对熔池内部声压场的影响综合以上分析，结合上超声输出振幅20μm以及下超声功率1000W，对双超声耦合处理方式进行模拟，并比较了未经超声处理、上超声单独处理、下超声单独处理、双超声耦合处理四种超声施加方式对熔池凝固过程的影响。首先对超声不同施加方式下熔池处实际振幅和声强进行了计算，如图所示。从图中可以看出，上超声处理时熔池处实际振幅和声强值相对较小。这是由于上超声处理 与熔池间隔为20mm，且是通过微锻造头与沉积层表面的接触来传播超声，接触面积较小，所以熔池接收到的超声总能量较小，因此上超声处理方式下熔池处实际振幅和声强值相对较小。下超声处理时熔池处实际振幅和声强值最大。这是由于本次模拟熔池凝固 过程选择是沉积层中间部位（L+S 区），下超声与熔池之间距离较小，且下超声是通过变幅杆与基板直接接触来传播超声，接触面积大，所以从熔池处接收到的超声总能量大，因此熔池处实际振幅和声强值比较大。双超声耦合处理时，熔池处实际振幅和声强值处在上超声和下超声处理之间。这是由于上超声和下超声共同作用时，超声波以正弦函数进行传播，可能上下超声存在部分抵消，导致双超声耦合处理下熔池处实际振幅和声强要比下超声单独处理时小。超声不同施加方式下熔池处实际振幅和声强随时间变化曲线：（a）实际振幅；（b）声强对超声不同施加方式下熔池内部声压云图进行了绘制，如图所示。从图中可看出，当上超声单独作用时，最高声压值仅为0.52MPa，超声空化范围较小，只有熔池面积的五分之二可以发生超声空化效应。当下超声单独作用时，最高声压值为-1.09MPa， 是上超声单独作用时的2倍，且熔池内大部分区域可以发生超声空化效应。当双超声耦合作用时，最高声压值提高到了-1.73MPa，是上超声单独作用时的3.3倍，整个熔池范围内几乎都可以发生超声空化效应。说明双超声耦合作用下，超声空化范围进一步增大， 整个熔池都可以发生超声空化效应，进而使枝晶破碎更加彻底。超声不同施加方式下熔池内部声压云图：（a）上超声；（b）下超声；（c）双超声对比了超声不同施加方式下熔池内平均声压随时间的变化，如图所示。从图中可以看出，在声压变化趋于稳定后，三种超声施加方式的负压值都大于超声空化的声压阈值，并且在正负压之间交替变化，从而不断重复空化气泡的产生和破裂，反映了超声对熔池的空化效应。超声不同施加方式下熔池内平均声压随时间变化曲线超声不同施加方式对熔池内部温度场的影响超声不同施加方式下熔池凝固过程温度场云图如图所示。从图中可以看出，未经超声能场处理时，熔池内部的温度场分布与熔池的形状相类似，温度降低较慢，在冷却0.03s 后，熔池内最高温度为2460K，温度变化不大。在上超声处理后，温度降低速度增加，在冷却0.03s后，熔池内最高温度降低为2350K，相较未经超声处理熔池温度有了较大的降低，且低温区面积增大。在下超声处理0.03s后，熔池内最高温度降低为2390K，熔池内低温区面积明显扩大，最低温度降低到849K。在双超声耦合处理下，当冷却时间为0.02s 时，熔池温度就出现了极大地降低，此时熔池内最高温度为 1900K，且熔池内只有很小的区域温度高于1510K，当冷却时间增加到0.03s时，熔池内最 高温度为1300K，整个熔池温度迅速降低。超声不同施加方式下熔池凝固过程温度场：（a）无超声；（b）上超声；（c）下超声；（d） 双超声对超声不同施加方式下熔池凝固过程中的固-液相变进行了分析，如图所示。 从图中可以看出，在冷却0.03s时，未经超声处理熔池和上超声处理下熔池基本还是以液相为主，下超声处理后熔池冷却速度加快，固相占到了熔池总面积的一半，双超声处理后，熔池完全凝固，全部转化为固相。超声不同施加方式下熔池凝固过程固-液相变：（a）无超声；（b）上超声；（c）下超声； （d）双超声超声不同施加方式下熔池内最高温度随时间变化曲线如图所示。从图中可以看出，经过超声能场处理后，熔池完全凝固时间大大降低。未经超声处理熔池完全凝固时间为0.27s，上超声处理熔池完全凝固时间降低为0.06s，下超声处理熔池完全凝固时 间降低为0.05s，双超声耦合处理下熔池完全凝固时间降低为0.03s，说明双超声处理 后，熔池凝固速度有大幅度提高。超声不同施加方式下熔池内最高温度随时间变化曲线：（a）无超声；（b）上超声；（c）下 超声；（d）双超声图为冷却时间0.03s时，熔池在超声不同施加方式下，从底部到顶部温度梯度和凝固速度变化曲线。从图中可以看出，经过超声能场处理后，熔池温度梯度明显降低。 上超声处理时，由于熔池接收到的能量较小，熔池内声流效应不明显，所以其温度梯度降低幅度较小。下超声处理和双超声耦合处理下，温度梯度大幅度降低。证明超声对熔 池的声流效应可以使熔池内温度场更加均匀，降低温度梯度。三种超声施加方式下，熔池凝固速度都有明显的提升，其中双超声耦合方式提升最大。低的温度梯度和高的凝固 速度有利于柱状晶向等轴晶转变，从而细化晶粒，提高沉积层力学性能。超声不同施加方式下熔池从底部到顶部温度梯度和凝固速度变化曲线：（a）温度梯度； （b）凝固速度超声不同施加方式对凝固组织的影响为了更直观的说明超声不同施加方式对凝固组织的影响，将熔池凝固过程中固液界 面处的温度梯度G和凝固速度R画在A517Q合金钢的凝固图中进行对比，如图所示。其中A517Q合金钢的凝固图是通过Hunt-Gäumann模型由公式绘制得到的。 从图中可以看出，未经超声处理样品，沉积层内以柱状枝晶为主，凝固组织一开始为柱 状枝晶，当凝固过程快结束时，存在部分柱状晶和等轴晶的混合组织。上超声处理时，熔池也是开始先生成柱状枝晶，但柱状枝晶只占沉积层的很小部分，后续生成大量等轴枝晶。下超声处理时，由于凝固速度的大幅度提高，沉积层凝固组织几乎全为柱状晶和等轴晶的混合组织。双超声耦合处理时，温度梯度降低，凝固速度大幅度提高，所以其最终凝固组织几乎全为等轴枝晶。这说明超声能场对熔池的声流效应可以明显降低熔池温度梯度，提高凝固速度，从而促进柱状晶向等轴晶转变。超声不同施加方式下熔池凝固过程柱状晶向等轴晶转变对比模拟与实验结果对比模型有效性验证：（a）无超声晶粒分布；（b）双超声晶粒分布；（c）凝固组织预测超声能场对熔池凝固过程的影响机制通过超声能场辅助下熔池凝固过程的模拟仿真，总结了超声能场对熔池凝固过程的影响机制，主要分为两个方面：空化效应和声流效应。超声的空化效应对熔池的影响又分为引起形核率增加和引起枝晶破碎两种。首先当超声能量作用于液态熔池时，在极短的时间内（500μs），熔池内部声压会发生剧烈变化，正负压不断交替。当熔池内负压大于该材料的超声空化声压阈值时，就会生成空化泡，空化泡会随着负压的增加而膨胀，且会随着正压的增加而收缩。经过一个或多个压缩和膨胀循环后，空化泡最终会闭合破裂。空化泡的破裂会产生冲击波和强烈对流，使得熔池内局部区域产生高温高压，从而提高了过冷度，在高过冷度下熔池形核率增加，使得形核速率大于生长速率，所以生成了大量细小晶粒。其次由于空化泡膨胀、收缩、破裂的时间远小于熔池凝固时间，所以熔池内的枝晶会受到多次冲击波的影响，使得粗大的枝晶不断破碎，枝晶碎片又会作为新的形核点生成细小晶粒，抑制柱状枝晶的生长。且在这个过程中熔池中气泡更容易逸出，从而减少微孔等缺陷，提高沉积层的致密度。超声的声流效应主要对熔池温度场产生影响，通过对熔池温度梯度和凝固速度的控 制，进而影响最终熔池凝固组织。超声能场作用于熔池时，由于超声波随着传播距离会逐渐衰减，进而形成声压梯度，这会加速熔池内的马兰戈尼流，使得熔池对流散热加快，熔池内温度场更加均匀，在降低熔池内的温度梯度的同时提高了凝固速度，根据Hunt Gäumann 模型，高凝固速度和低温度梯度有利于柱状晶向等轴晶转变，从而细化晶粒。 除此之外，熔池流动性的提高还可以使得沉积层显微组织更加均匀，降低了材料的各向异性，同时减少了未熔合缺陷，提高了沉积层的致密度。结论（1）在沉积层施加上超声处理后，超声能量可以通过沉积层传递到液态熔池中，并且随着超声输出振幅的增大，熔池处的实际振幅和声强不断增大，结合声压云图，超声空化范围也不断增大。当超声输出振幅为20μm时，熔池处实际振幅为5.26μm，声强 为580.33W/cm^2，远大于超声空化所需要的声强阈值（100 W/cm^2），超声空化范围接近熔池的三分之一。随着超声输出振幅的增大，熔池内最高温度也不断降低，冷却时间为 0.05s 时，在超声输出振幅20 μm的作用下，熔池内最高温度仅为1780K，熔池超过一半已经转化为固相，完全凝固时间为0.06s。（2）在基板下方施加超声能场处理时，随着超声功率的提高，熔池处实际振幅和声强也不断增大，且比上超声处理时提高幅度更大，结合声压图，其超声空化范围也不断 增大。当超声功率为1000 W时，熔池处实际振幅高达10.46μm，声强为2622.95W/cm^2 远高于上超声处理时数值，且熔池内大部分范围都发生了超声空化效应。冷却时间为0.05s时，在超声功率1000W的作用下，熔池内最高温度为1560K，熔池基本已经完全凝固。（3）经过双超声耦合处理后，熔池处实际振幅为8.95μm，声强为1825.57W/cm^2， 虽然其声强比下超声处理时小，但结合声压图，其超声空化范围比下超声处理时要大， 几乎整个熔池都可以发生超声空化效应。冷却时间为0.03s时，在双超声耦合作用下，熔池内最高温度为1300K，熔池已经完全凝固，熔池完全凝固时间大大降低。超声不同施加方式都促进了柱状晶向等轴晶转变，上超声处理对温度梯度的降低贡献更大，下超声处理对凝固速度的提高贡献更大，双超声耦合处理下，结合了上下超声的优点，所以其熔池凝固组织几乎全为等轴晶，晶粒得到明显的细化。网络整理，仅限内部分享，禁止商用。公众 号：机电君来源：机电君
