超声辅助激光熔丝增材制造A517Q合金钢组织与性能研究
摘要
近年来，激光熔丝增材制造因其材料利用率高、生产成本低、沉积效率高等优点，
在航空航天、能源动力、汽车工业等领域有着十分广泛的应用前景。然而在激光增材制
造过程中，由于激光的高能量，使得材料的熔化、凝固和冷却均在较短时间内完成，从
而使沉积层内组织不均匀，易生成粗大的柱状枝晶，导致增材制造件的力学性能降低。
因此，如何改善沉积层显微组织，促进柱状晶向等轴晶转变（CET），是目前金属增材制
造领域的研究重点之一。现有研究表明，超声能场可以通过塑性变形、声流和空化效应
分别对固态沉积层和液态熔池产生作用，进而改善显微组织，优化力学性能。但这方面
的研究大都集中在超声能场对固态沉积层或者液态熔池的作用上。这种作用方式仅能发
挥超声能场的部分作用，即要么是对固态沉积层的塑性变形作用为主导，要么是对熔池
的声流和空化效应为主导，二者都可以在一定程度上改善增材制造结构件的组织和性能，
但均存在一定局限性。因此，在现有研究的基础上，本文提出了双超声耦合处理方法，
即在激光熔丝增材制造过程中使得超声能场同时对固态沉积层和液态熔池产生作用，进
而改善沉积层显微组织，提高增材制造件力学性能。
研究了激光熔丝增材制造A517Q合金钢成形工艺以及超声能场施加方式对沉积层
宏观形貌和显微硬度的影响。结果表明，随着超声输出振幅和功率的不断增大，沉积层
接触角降低，熔高显著降低，宽高比和稀释率大幅度提高，沉积层内等轴枝晶所占的面
积不断增大，显微硬度从365.4HV分别提高到394HV（超声输出振幅20μm）和396.8
HV（超声功率1000W）。双超声处理后，相比于单超声处理，熔高基本不变，但沉积层
熔宽更大，熔深更小，沉积层晶粒得到细化，显微硬度从365.4HV提高到416.3HV。
根据沉积层形貌和力学性能，优化后的激光成形工艺参数为激光功率3300W，送丝速
度1.2m/min，扫描速度288mm/min；超声能场最佳作用参数为超声输出振幅20μm，
超声功率1000W。
基于工艺参数的优化，研究了超声不同施加方式对单道多层沉积层显微组织和力学
性能的影响规律。通过对织构密度、晶粒尺寸、等轴晶比例、显微硬度以及拉伸性能等
结果的对比，发现双超声处理对沉积层组织和性能的改善效果最好。上超声作用区中，
超声既作用于液态熔池又作用于固态沉积层的区域，初生奥氏体晶粒细化现象最明显，
小角度晶界比例提高了31.2%，平均晶粒尺寸为2.17μm，降低了23.9%，等轴晶比例高
达56.1%。相比于未经超声处理的样品，双超声处理后样品的平均晶粒纵横比从3.85降
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
低到了2.11，其等轴晶比例提高到了76.8%，沉积层平均显微硬度、抗拉强度和屈服强
度分别提高了8.3%、29.8%和41.2%。
为了进一步揭示超声的声流和空化效应对熔池的影响机制，采用数值模拟的方法研
究了超声不同施加方式对熔池凝固过程的影响。研究了超声不同输出振幅和不同功率对
熔池声压场和温度场的影响。随着超声输出振幅和超声功率的增大，熔池内部超声空化
范围增大，熔池内最高温度降低。通过理论计算和数值计算结果对比发现，超声处理后，
熔池内负压远大于超声空化阈值，说明超声能场处理后，熔池内可以发生超声空化效应。
超声处理后熔池完全凝固时间显著降低，从未经超声处理的0.27s分别降低到0.06s（上
超声）、0.05s（下超声）和0.03s（双超声）。三种超声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。双超声处理下，同时存在温度梯度降低和凝固速度提高的现象，熔池凝固组织几乎
全部为等轴晶，晶粒得到明显的细化。
关键词：激光熔丝增材制造；超声能场；晶粒细化；A517Q合金钢
超声辅助激光熔丝增材制造A517Q合金钢组织与性能研究
Abstract
Inrecentyears,laserandwireadditivemanufacturing(LWAM)hasbeenwidelyuse