（机械设计及理论专业论文）激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟 摘要 激光熔覆技术能把高性能的合金材料熔覆到价格低廉的金属件上，可以改善制品的性 能，且热影响区极小，零部件基本不变形，特别适合于零部件的磨损及模具失效表面的修 复。 本文研究的主要内容有： l 通过对激光熔覆过程中，金属带横截面形成机理的研究，提出了准稳态系统，并对 激光工艺参数的相互联系进行讨论。在熔覆层全熔情况下，利用质量与能量的守恒定理， 计算出激光功率的最小及最大的临界值。 2 采用预置法，在热作塑料模具钢p 2 0 表面激光熔覆h 1 3 粉，利用有限元a n s y s 分析软件，选用高斯热源分布的近似热源模型，通过二次开发语言a p d l 实现移动热源 的加载和卸载；建立了激光熔池瞬态温度分布模型；并利用温度场和应力场的间接耦合， 最终得到残余应力场。通过实验验证了本文建立的三维激光熔覆温度场的动态模型，及冷 却后的残余应力场的模型是有效的。 3 利用a n s y s 模拟不同激光功率时的温度场，得出熔池的最高温度、温度上升的速 度及最大冷却速度均与激光功率成正比，但温度梯度大致相同。单纯的靠提高激光功率对 于降低冷却速度，减小残余应力，作用不大。 4 利用a n s y s 模拟不同模型，不同激光束起始作用位置，得出，当激光束的扫描起 始位置距离工件熔覆边缘大概2 m m 开始作用，可以有效的解决边角能量集中导致塌陷的 问题，同时也能减小由表面张力差造成的高度差。并用实验验证了该方法能在不改变激光 参数的情况下，有效的解决边缘塌陷问题。 关键词t 激光熔覆，数值模拟，温度场，残余应力 浙江工业大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd u r i n gl a s e r c l a d d i n gp r o c e s s a bs t r a c t l a s e r c l a d d i n gi sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yo fs u r f a c et r e a t m e n tb y w h i c ht h ea l l o yp o w d e r w i t hh i g hp e r f o r m a n c ec a nd e p o s i to ns u r f a c eo fa c c e s s o r i e sm a d eb yc h e a pm e t a l ，t h e p r o p e r t i e so ft h es u r f a c e a r ei m p r o v e d ，a l s ot h e r ei ss m a l lh e a ta f f e c t e dz o n ea n ds m a l l d i s t o r t i o no ft h ea c c e s s o r i e s e s p e c i a l l y , l c ( l a s e rc l a d d i n g ) r e p r e s e n t sp o w e r f u lt or e p a i rt h e w e a ro ri n v a l i ds u r f a c eo f p r e c i o u sp a r t s ，m o u l d se t c t h e r ea r ef o u ra s p e c t sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： 1a q u a s i s t e a ds y s t e mi sd e f i n e db a s e do nt h ef o r m a t i o np r o c e d u r eo fc l a dp r o f i l e c r o s s s e c t i o n ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h el a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si si n v e s t i g a t e d u s i n g t h el a wo fh e a ta n dm a s sc o n s e r v a t i o n ，t h em a x i m u ma n dm i n i m u mt h r e s h o l do fl a s e rp o w e r c a nb eg i v e n 2h13p o w e ri s p r e p l a c e do nt h es u r f a c eo fs t e e lm o u l da n di s s i n t e r e db yl a s e r t h e t e m p e r a t u r ea n dr e s i d u a ls t r e s sf i e l d so ft h ep r o c e s sa r es i m u l a t e db ya n s y s ，n e a rg a u s sh e a t s o u r c em o d e li n t oa c c o u n t ，u s i n ga p d l ( a n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g e ) t oc o n t r o lt h e d e n s i t yo ft h e r m a lf l o w , v e l o c i t ya n dp a t ho fs c a n n i n g t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m o d e li s c o n s t r u c t e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n sa n dh i s t o r i e so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d sa r eo b t a i n e d c o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o ni sf e a s i b l e 3a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tl a s e rp o w e rm o d e l su s i n ga n s y ss o f t w a r e ，i ti ss h o w nt h a tt h e m a x i m u mt e m p e r a t u r e 、t h em a x i m u mh e a t i n ga n dc o o l i n gr a t eo fc l a d d i n gl a y e ra r ed i r e c t l y p r o p o r t i o n a lt ot h el a s e rp o w e r , b u tt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sa l m o s tt h es a m e i n c r e a s i n gt h el a s e rp o w e ro n l yh a sl i t t l ee f f e c to nt h ed e c r e a s eo ft h ec o o l i n gr a t ea n dt h e r e s i d u a ls t r e s s 浙江工业大学硕士学位论文 4u s i n ga n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h ed i f f e r e n tm o d e l s ，t ot h ed i f f e r e n ts t a r t so ft h e l a s e rb e a m ，i ti sf o u n dt h a td e n tc a nb ea v o i d e do nb o r d e ri ft h el a s e rb e a ms t a r t sw o r k i n g2 m m a f t e rt h ec o a t i n g b e s i d e s ，t h eh e i g h td e c r e a s e sd u et ot h es u r f a c et e n s i o n t h r o u g ht e s ta n d a n a l y s i s ，i tc a nb ek n o w nt h a tt h em e t h o dc a na v o i d d e n te f f e c t i v e l yw i t h o u tt h ec h a n g eo fo t h e r p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，r e s i d u a ls t r e s sf i e l d i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：世，丑 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 日 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 日 呼蓼 3 吧百灵 儿w 侈吲 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在生产领域中，各种机械零件设计的选材原则是要保证其强度、刚度、抗疲劳、耐摩 擦磨损、耐腐蚀等性能，以满足各种环境条件下的应用。然而，机械零件在工作中与外界 环境接触的只是其表面，目前很多零件的失效也都是从其表面开始的，如各种类型的磨损、 腐蚀、压溃、扭转或弯曲疲劳断裂的裂纹源也产生于表面并逐渐向内扩展，最后导致断裂。 材料本体与表面工作环境的差异导致了传统材料设计中的整体均匀性原则不再适应新材 料发展的要求，这就需要对材料表面的某些部位进行特殊处理，在保持材料整体性能不变 的同时改善其表面的性能，既降低材料整体均匀性设计中的成本，又提高材料的利用率【l 】。 众所周知，磨损和腐蚀是模具的主要破坏形式，目前在我国的许多企业中，模具的使 用寿命低而造成的钢材、工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数 十亿人民币。而模具的失效往往首先是从其表面开始的，采用表面防护措施来延缓和控制 表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法1 2 。 激光熔覆是2 0 世纪7 0 年代材料科学中逐渐兴起一项技术，在8 0 年代得到了很大的 发展，是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。它是采用 激光加热，使基体材料仅表面极薄层熔化，同时加入另外的合金成分并一起熔化后迅速凝 固形成新的合金层。热输入和畸变较小，涂层稀释率低，基体保持其原有成分及性质不变， 从而提供良好的耐磨损、抗腐蚀能力；同时，也是激光表面改性技术中发展最为迅速，最 具有广泛应用前景的技术。利用该技术可以在低成本基体上面覆盖上耐磨、耐蚀、耐高温、 抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层，在信 息、能源、航空航天、汽车、新材料制备和生物医学领域展示了广阔的应用前景【3 】。 1 2 国内外研究现状 国外对激光熔覆加工的研究起始于上世纪8 0 年代，比我国早十年左右的时间，研究 主要集中在下面三个地区：欧洲( 德国、英国、芬兰、法国、荷兰、瑞典、葡萄牙) 、北美( 美 国) 和亚洲( 日本、澳大利亚、新加坡) 。 浙江工业大学硕士学位论文 我国对激光熔覆r o t 的研究始于上世纪9 0 年代初期，从九十年代中后期至今一直保 持高涨的研究热情，研究范围广泛，研究前景良好。 目前，国内绝大多数高等院校及研究所都在开展有关激光熔覆技术等方面的研究工 作，主要有：清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京工业 大学、中国科学院、中国有色金属总院、香港理工大学、天津工业大学、西北工业大学、 大连理工大学、长春光机学院、东北大学等，我校也设有激光加工技术工程研究中心，主 要任务是激光工程技术应用研究开发，各种激光加工工艺技术开发及相应配套设备的研 制。 早期激光熔覆( 1 9 8 5 年1 9 9 2 年) 主要集中在熔覆特性，不同材料与基体组合的激光熔 覆工艺及参数，激光熔覆层的微观组织结构和金相分析、性能、缺陷以及激光熔覆应用等 方面研究。 现代激光熔覆( 1 9 9 3 年至今) 主要集中在激光熔覆基础理论和模型、熔覆设备( 包括激 光器、送粉装置、监控系统等) 与专用材料研制与开发、激光工艺参数对熔覆区分布、熔 池形状、熔覆层质量的影响；激光熔覆温度场和流场的模拟等温线和梯度分布情况；表面 张力梯度和流体之间、液气界面表面张力梯度和温度、成分之间函数关系及模型的建立； 熔覆层相结构、相成分的鉴定；熔覆层与基体之间的结合力、耐磨耐蚀机制、裂纹形成与 控制方法的研究；熔覆层最高温度与激光功率、基体预热温度关系的研究；熔覆应力场和 残余应力、变形的研究；熔覆层裂纹形成与消除机制；激光熔覆过程关键因素的检测与控 制；高性能送粉器和喷嘴；用激光熔覆制备新材料；单层及多层激光熔覆对性能的影响等 等方面；基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究。过程模拟的技术越来越复杂， 功能也越来越强大，模型的建立也从一维逐步发展到三维，更能准确的对激光熔覆的过程 进行模拟仿真。其中研究最多的是： 在高性能送粉器和喷嘴的研究上，张正伟等人【4 】分析了已有用于激光熔覆和激光熔覆 快速成形技术送粉喷嘴存在的问题，研制了一种在以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称 分布四个具有同轴汇聚气的双层送粉管的送粉喷嘴。李朋【5 】提到为了获得较薄的熔覆层， 根据螺旋传动的原理，设计和制作了激光熔覆同步送粉器，并利用n i 基合金粉和刖粉 进行了相关测试，试验结果表明改变螺纹轴直径或转速可以连续调节送粉速度。 在激光熔覆制备耐磨、耐蚀金属复合涂层性能的研究上，董世运等人【6 】将l f c u l 6 熔覆 于z l l 0 4 上，涂层组织由界面结合区的粗大枝晶过渡到细小枝晶，再由涂层下部的胞晶逐 渐过渡到涂层中部及顶部的细小枝晶和等轴晶。激光熔覆铜合金的显微硬度为3 5 0 - 4 0 0 h v ， 2 浙江工业大学硕士学位论文 为z l l 0 4 基体材料显微硬度( 9 0 11 0 h v ) 的4 - 5 倍。骆芳等人m 指出在不锈钢基体上，对n i 、 c r 、c u ，n i 、c r 、c o ，n i 、c r 、c o 、w 等合金粉末进行激光熔覆，用x 射线衍射分析和能 谱分析测定了熔覆层物相组成，利用极化曲线评价了熔覆层的耐蚀性。结果表明，n i 、c r 、 c o 合金粉获得的覆层具有高的表面硬度和耐蚀性，具有应用开发前途。s o r i ni g n a t 8 】等， 用激光对w e 4 3 和z e 4 1 镁合金材料采用侧送粉方式激光熔覆舢合金粉，成功地获得了 规则、坚固的单层和多层熔覆层，无多孔和裂纹，显著地提高了镁合金材料的硬度，其耐 蚀性也获得一定的改善。胡乾午等人【9 】采用喷涂厚度为0 1 0r n l t l ，左右的铜合金，经过激 光熔覆，可以获得厚度为o 0 5 0 1 0 m m 的熔覆层。激光试样的相对腐蚀电动势比未处理试 样高3 7 倍以上，相对腐蚀电流密度比未处理试样低约2 2 倍，研究表明激光熔覆c u 6 0 z n 4 0 层可以显著提高m g s i c 复合材料的耐蚀性。北京航空航天大学王华明等【l o 】激光熔覆t i 2 n i 3 s i n i 3 t i 可使涂层显微组织的硬度、耐磨性和耐蚀性提高。香港理工大学t m y u e ，k j h u a n g 1 h 等，在铝合金表面激光熔覆a 2 0 3 ，得到良好的微观组织和晶界；瑞士s n i e d e r h a u s e r ，b k a r l s s o n 【1 2 】等，通过在钢的表面熔覆c o c r ，得到熔覆层可提高其表面硬度、 抗拉强度以及疲劳寿命等机械性能。葡萄牙先进技术研究所、荷兰格罗宁根大学、德国克 劳斯特尔大学和夫朗和佛光束技术研究所，荷兰格罗宁根大学v o c e 1 i k ，d m a t t h e w sa n d j t h m ，通过激光熔覆在t i b 2 t i 6 a 1 4 v ，s i c a 1 8 s i ，w c t i 6 a 1 4 v 材料涂层对 其滑动摩擦性能进行了研究，通过与基体材料的比较得知涂层性能得到提蒯1 3 】。 在激光熔覆工艺参数的研究上，清华大学的张庆茂等教授【1 4 1 利用单位质量熔覆材料的 比能和单位时间实际输入的比能随工艺参数的变化规律，成功的解释了在激光参数一定的 条件下稀释率随扫描速度的增加而减小，随送粉速率的增加而减小，为进一步研究熔覆层 的凝固行为、显微组织与工艺参数的关系奠定了理论基础。大连理工大学f 1 5 】选用优化的激 光工艺参数，利用激光熔覆工艺在4 5 钢表面原位合成硬质t i b 2 陶瓷颗粒，增强n i 基复合材 料涂层。对涂层的显微分析表明t - 涂层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和 位错堆积强化等强化机制，涂层熔覆质量良好。s k u m a r 和s r o y c l 6 】用一个二维传热模型 预测送粉式激光熔覆工艺中的温度场和熔池形状，研究了工艺参数对加工质量的影响。为 了降低平均稀释率，功率( p ) 和扫描速度( 功的比值( 引功总应保持较小，为了获得期望的熔 覆层厚度，功率尸也要加以控制。 在激光熔覆过程显微裂纹和残余应力的研究上，r j a g d h e e s h 等人 1 7 】在对3 16 l 不 锈钢表面激光熔覆s i 的过程中，分析了在光斑直径不变的前提下不同扫描速度和不同激 光功率条件下，熔覆层微观组织基本相同，在功率密度小于2 5 w m m 2 的情况下，熔覆层 浙江工业大学硕士学位论文 会产生显微裂纹。波兰格但斯克理工大学【ls 】等，通过在x 1 0 c r l 3 表面熔覆钨铬钴合金s f 6 双熔覆层，研究了预热温度对显微裂纹和应力的影响。荷兰格罗宁根大学等【1 9 】，通过x 射线同步衍射技术对c o 基熔覆层残余应力进行了检测和分析。张光钧等【2 0 】采用激光熔 覆工艺在不锈钢基体上形成镍基纳米碳化钨复合镀层，在铸铝表面形成纳米a 1 2 0 3 t i 0 2 镀层，消除了复合镀层显微组织的孔隙及裂纹，大大提高了涂层的结合强度和耐磨性。 r k a u l 等【2 1 1 通过用低热量输入的激光熔覆工艺来控制硬质表面的熔覆层稀释率的大小， 得到了奥氏体不锈钢基体上低稀释率的熔覆层，通过控制加热和冷却速度减少了熔覆层裂 纹数。日本名古屋大学等【2 2 1 ，通过化学成分不变( c c c m l c ) 和化学成分成梯度分布 ( f g m m l c ) 多层熔覆层不同的方法，在碳钢j i s s m 4 0 0 b 表面熔覆钨铬钴合金和w c 合 金熔覆层，指出显微裂纹产生的敏感性f g m m l c 低于c c c m l c 。澳大利亚斯温伯恩理 工大学【2 3 】，研究了激光熔覆过程中，激光功率和熔覆搭接率对稀释率和裂纹的影响，指出 脉冲能量在18 j p u l s e 和2 5 j p u l s e ，以及搭接率为8 9 以及脉冲频率为4 0 h z 时稀释率 最小4 ，搭接率愈低裂纹产生几率愈高。 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯n i 基、c o 基和f e 基合金粉末已经 满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学 者研究的热点。目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂 层的研究。如在钢表面激光熔覆n i c r b s i w c t 矧涂层、m o s i 2 t i c n i 涂层 2 5 】、c a h p 0 4 2 h 2 0 c a c 0 3 涂层、n i c r 3 c 2 【2 6 1 和n i w c 涂层及a 1 2 0 3 t i 0 2 涂层f 2 7 】等等；在钛合金表面激 光熔覆n i t i s i ，n i c r b s i t i c 、a 1 2 0 3 s i c 、t i n 、t i c r 3 c 2 涂层、b 4 c n i c r b s i 涂层 2 8 】：在 铝合金表面激光熔覆m o w c 涂层、m o t i c 涂层【2 9 l 、m o s i 2 s i c 涂层即】、s i t i c 涂层等等。 另外，激光熔覆应用于增强零件机械性能方面也有很大的进展，如：近年来日本的汽 车制造业开始采用激光表面合金化技术对汽车排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层，与传统 的乙炔涂覆法相比，激光表面合金化处理成本低，涂层寿命高；日本雅马哈摩托车公司为 了提高新鲜混合气体的填充效率，在四冲程发动机上采用二进二排的四气门机构后，又采 用了三进三排的五气门机构，省去气门座，直接在缸盖上进行激光熔覆，使功率提高了 1 0 ，燃油消耗降低了5 0 t 3 1 1 。 1 3 激光熔覆存在的问题和发展方向 尽管激光熔覆技术近年来得到了迅猛发展，并取得了良好的效果，具有广阔的应用前 景，成为提高材料表面耐磨性的有效途径之一。但是，我们也应该注意到，激光熔覆技术 4 浙江工业大学硕士学位论文 中还有许多关键问题还没有得到解决： 1 激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性存在不足。可采用大功率、波长短的激光 宽带熔覆技术可以较好的解决上述问题。采用波长较短的激光光源，提高激光与材料表面 的耦合，已经开发的准分子的波长为1 9 3 3 5 1 r i m ，比红外激光波长短得多，既可以被更细 地聚焦，也可被许多材料( 金属、玻璃、陶瓷、塑料等) 有效吸收，可实现较大面积的表面 处理。准分子激光目前尚未应用于激光熔覆领域，其应用前景有待于进一步研究开发。 2 配套装置尚未达到工业生产应用的水平。目前常规应用的激光熔覆的成套设备和辅 助设备相对比较落后，送粉装置多为氢气单管吹送，其送粉的连续性和均匀性较差。我国 新研制的自动送粉机构需要解决与之配套的系列装置( 如反射镜、透镜及其它辅助设施等) 及熔覆材料的添加方式( 预覆或送粉) 和工艺的稳定性。 3 激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性，即 表面不平整，后续机加工量较大，且合金层与基体的交界处易出现裂纹、夹杂和孔洞等缺 陷，给实际应用带来很大的困难。其中，特别突出的就是激光熔覆层的裂纹问题。怎样消 除裂纹是困扰国内外研究者的一大难题，也是工业推广应用的一大障碍，因此，许多学者 开展了相关深入的研究。而裂纹的形成是一个十分复杂的过程，与基体、熔覆材料的匹配 有关，与熔覆过程的加热、冷却、温度变化、熔池凝固、残余应力等都有关 3 2 】。 因此，合理设计覆层材料，优化激光熔覆工艺，解决激光熔覆技术中常见的覆层裂纹 是必须的，也是必要的。激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材 之间的热膨胀系数的差异，它对基材与覆层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能 有着重要的影响。在优化激光熔覆工艺方面，采用梯度熔覆工艺制备成分与性能沿厚度方 向呈现出连续梯度变化的复合覆层。在这种覆层中，金属基体与覆层间无明显界面，因而 大大降低了涂层中的应力，提高了覆层与基体的结合强度。梯度熔覆最简便的方法是采用 叠层熔覆方法，即逐层改变混合物中覆层颗粒的含量和粒度，经多层熔覆后，覆层颗粒在 覆层中的分布呈现台阶变化的规律，过渡层数越多，则越接近于理想的连续分布【3 3 1 。 值得注意的是，近年来，国内外学者研究了熔覆层裂纹与涂层材料的关系后指出，借 助于热喷涂粉末来进行激光熔覆是不科学的。为了防止喷涂时由于温度的微小变化而发生 流淌，热喷涂合金的成分往往被设计成具有较宽的凝固温度区间，将这类合金直接应用于 激光熔覆中会因为流动性不好而带来气：y l f 口7 题【3 4 3 。另外在热喷涂粉末中加入了较高含量的 b 、s i ，b 和s i 的加入一方面降低了合金的熔点，另一方面作为脱氧剂可还原金属氧化物， 生成低熔点的硼硅酸盐，起着脱氧造渣的作用。然而与热喷涂相比，激光熔池寿命较短， 浙江工业大学硕士学位论文 这种低熔点的硼硅酸盐往往来不及浮到熔池表面而残留在涂层内，在冷却过程中形成液态 薄膜，加剧覆层开裂。 4 激光熔覆过程的检测与实时自动控制。激光熔覆是一个多变量相互作用的过程，熔 覆过程控制中，多个参量常常是在一定范围内波动而相互影响，没有绝对的定量界限，处 于模糊的状态。采用c c d 摄像系统观察熔池大小；采用模糊控制的方法，调节激光熔覆规 范如激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率等以求达到控制熔池深度的目的，进而控 制熔覆过程的稀释率；采用神经网络技术，可对激光熔覆过程中熔池形状、热分布、熔覆 层外观尺寸及缺陷等进行光学检测和自动跟综【3 5 1 。 5 随着现代科学技术的发展，对零件表面性能的要求越来越高，零件服役的条件也越 来越苛刻。在这种情况下，以往一些单一的表面处理技术已逐渐不能满足要求，而需要将 2 种或2 种以上的表面处理技术综合起来对零件进行表面复合强化处理。由于纳米材料的小 尺寸效应和表面效应，且熔点和晶化温度比常规粉体低很多，纳米粒子高的界面能有利于 原子扩散，提高涂层致密化，降低涂层开裂倾向，故许多学者开始采用直接或间接的利用 纳米材料的优异特性，提高激光熔覆层的耐磨耐蚀性能。 6 激光熔覆以极快的速度熔化和凝固，是个非平衡的物理和冶金过程，其加热和冷却 过程中的相变动力学、热力学、界面行为、扩散行为等都与传统的固态相变理论、界面理 论等有所不同，找出它们与激光工艺参数和熔覆层性能之间的关系以及对熔覆材料力学行 为的影响，丰富和完善快速凝固理论、相变理论和界面理论等基础理论，是激光熔覆实现 工业化的基础，但是到目前为止还没有准确理论来描述激光熔覆的全过程。许多研究人员 虽建立了简洁、适合于现场控制的数学分析模型，但由于熔覆材料种类的多样性、熔覆过 程的复杂性和对激光与固体物质相互作用规律认识的不足，到目前为止，还不能准确建立 反映激光束和材料相互作用、基体热传导等规律的数学分析模型，缩短确定最佳工艺参数 的时间，实现熔覆工艺系统的设计【3 6 】。 1 4 研究内容和技术安排 激光熔覆也称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密 度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添加熔覆层 的方法，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电气特性等功能。利用 这一新技术可在廉价材料表面制备具有特种性能的合金层或对零部件表面进行局部修复， 而且近年来以激光熔覆为基础又发展出激光立体成形技术，该技术可以实现高性能多材料 6 浙江工业大学硕士学位论文 任意复合梯度材料零件的近终成形，因而激光技术具有广阔的应用前景。 对温度场的模拟是研究激光熔覆过程中熔池传质，传热的基础，属于典型的非线性瞬 态热传导问题。对它的数值模拟主要需考虑两个方面的问题：一是激光加热热源的特殊性： 二是被加热工件材料的特殊性。现今在激光熔覆温度场数值模拟研究方面已取得了一定的 进展。 由温度场所得到的节点温度作为体载荷施加作用在结构分析中，即热和应力两个物理 场之间的相互作用，可以得到应力场的分布，属于耦合场分析问题。 本课题研究的主要内容有 1 利用7 0k wc 0 2 激光器，输出功率为2 0 - 3 0k w ，扫描速度为1 5 - 一2 0m m i n ， 在p 2 0 表面制备了纳米复合化学镀a 1 2 0 3 熔覆层，利用现代物理测试手段，研究了不同的 激光工艺参数对纳米复合化学镀层的组织和性能的影响。结果表明：在本次实验中，适当 的增加激光功率和扫描速度，有利于组织强化，提高覆层性能。 2 对激光熔覆过程中的温度场进行基于a n s y s 软件的有限元模拟，并用红外线测温 仪器测得某一点在实验过程中温度的变化，验证a n s y s 模拟所得到的温度场数据的可靠 性及准确性； 3 基于a n s y s 对冷却后的温度场进行残余应力场模拟，并用x 射线应力测定仪对激 光熔覆后的试样进行垂直激光扫描方向和沿激光扫描方向两个方向的残余应力的测试，并 与模拟得到的结果进行比较，得出有限元模型建立的可靠性； 4 对金属带截面轮廓的形成进行了讨论，提出了准稳态系统，并用不同的计算方法得 到激光功率的最大及最小的临界值；利用a n s y s 模拟并讨论了激光功率对温度场的影响； 并用实验验证了，合理选择激光束的作用位置可以有效的解决边缘塌陷的问题，且对熔池 大小、形状、最高温度的影响不容忽视。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章激光熔覆技术 许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲蚀性、抗氧化、耐热性等都取 决于金属材料表面的物理、化学性质。为了防止在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等 环境下工作的零件因表面局部损坏而报废，提高零件的可靠性，延长使用寿命，世界各国 都在研究和应用各种提高零件表面性能的表面工程技术。传统表面改性技术，如各种喷涂 层、镀层等，由于较差的层间结合力以及受平衡溶解度小，及固态扩散性差的限制，应用 效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有 效手段。在各类激光束处理中，激光熔覆是经济效益较高的一种新的涂层表面改性技术， 它可以在低性能廉价基材上制备出高性能贵重的熔覆层表面，以降低材料成本，节约贵重 稀有的金属材料，降低能量消耗，提高金属零件的使用寿命。 2 1 激光熔覆的特点 激光熔覆原名l a s e rc l a d d i n g ，又称l a s e rh a r df a c i n g 或激光涂覆，从1 9 8 4 年开始统 称为激光熔覆。该技术既改变了材料表层组织的物理状态，同时也改变了表面的化学成分。 熔覆层的性能除与涂层材料原始成分、基体材料种类有关，还受到激光加工工艺参数的影 响 3 7 】。 与热喷涂、等离子喷涂、气相沉积、电镀、化学镀、堆焊等传统的表面改性技术相比， 激光熔覆技术具有如下的特点： l 适用的材料体系广泛，可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金，也可以对许多陶瓷 材料进行激光熔覆，得到完全致密的冶金结合涂层； 2 可以依据使用性能要求，通过混合不同合金粉末进行涂层材料成分设计，选配不同 熔覆材料体系，获得理想涂层； 3 涂层稀释度低，受污染小，且可精确控制，从而保证了涂层可以得到预期的表面性 能； 4 由于激光是受激辐射引起的并通过谐振“放大 了的光，具有高单色性、高方向性、 高相干性和高亮度的电磁波，故能量密度高，且激光熔覆的快速加热及高达1 0 5 1 0 6 k m s 的冷却速度，使得熔池熔体凝固速度快，涂层组织得到改善，甚至产生新性能的组织结构， 8 浙江工业大学硕士学位论文 如亚稳相、超弥散相、非晶相等 3 研； 5 对基体材料热影响小，基体热变形小，因此可以对成形工件进行表面局部选区激光 熔覆处理； 6 涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化； 7 可以对失效工件进行修复处理。 与激光相变硬化和激光表面重熔技术相比，激光熔覆技术可以得到性能要求更灵活、 更优越的覆层，因此其应用也更广泛。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加 热过程，所以激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也小。控制激光的输入能量，还 可将基材的稀释作用限制在极低的程度，从而保持原始材料的优异性能。激光熔覆可将高 熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常的热力学条件的限制，因 此所采用的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴和铁基合金，碳化物复合合金材 料以及陶瓷材料等。另外，实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、 致密的微观结构、与基材良好的结合性、均匀的化学组成。这些特点都可以极大地提高激 光熔覆处理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能。 2 2 激光熔覆工艺 激光熔覆工艺包括三部分内容：熔覆材料的选取、材料的添加方法和激光工艺参数的 设计。 2 2 1 熔覆材料的选取 目前用于激光熔覆的常用的涂层材料主要有自熔性合金粉和复合粉末两类： 表2 - 1 熔覆材料的分类 n i 基自熔合金粉 c o 基合金粉 自熔性合金粉 f e 基自熔合金粉 w c 型自熔合金粉 自黏性复合粉末 复合粉末 碳化物复合粉末 自熔性合金粉：是指在熔点低、自身能起熔剂作用的合金中加入了具有强烈的脱氧作 9 浙江工业大学硕士学位论文 用和自熔剂作用的s i 、b 等元素的熔覆用合金材料，应用广泛。目前国内外生产的自熔合 金粉可分为镍( n i ) 基，钴( c o ) 基和铁( f e ) 基三大类，还有w c 型自熔合金粉，是在 上述三大类合金中加入一定量的w c 制成的。 复合粉末：在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的n i 基、c o 基、f e 基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的 碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成厂金属复合涂层，具有很高的硬度和良 好的耐磨性。 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的情况来选配。对于一定的工作环境，对于某一 基体而言，存在着最佳涂层合金。目前，对于涂层材料及基体材料的物理性质无法知道， 因此如何去度量涂层材料与基体是否具有良好的匹配关系，成为激光熔覆技术研究的一个 重点。另外在设计时，不能一味的追求涂层材料的使用性能，还有考虑涂层材料是否具有 良好的涂覆工艺性，尤其是与基体在线膨胀系数、熔点等物理性质上是否具有良好的匹配 关系。 ( 1 ) 激光熔覆材料与基体线膨胀系数的匹配 激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基体之间的线膨胀系数的 差异。传统的观点认为，为防止覆层开裂和剥落，覆层和基体的线膨胀系数应满足同一性， 两者尽可能的接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基体和覆层的加热和冷却过程不同步， 熔覆层的线膨胀系数在一定范围内越小，对开裂越不敏感。 ( 2 ) 激光熔覆材料与基体熔点的匹配 熔覆合金与基体材料的熔点差异大，形成不了良好的冶金结合。若是熔覆材料熔点过 高，加热时熔化的少，会使覆层表面粗糙且基体表面过烧，严重污染覆层：反之，熔覆材 料熔点过低，则使熔覆层过烧，且与基体之间产生孔洞和夹杂。因而，力求采用相对与基 体材料具有适宜熔点的覆层材料。 ( 3 ) 激光熔覆材料对基体的润湿性 除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学稳 定性，硬化相质点与粘结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等。特别是要获得满 意的金属陶瓷覆层，必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性。 2 2 2 材料的添加方式 激光熔覆工艺方法有两种类型：一步法和二步法。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 ( a ) 同步法激光熔覆示意图( b ) 预置法激光熔覆示意图 图2 1 工艺方法 表2 - 2 工艺方法的分类3 9 1 类型方法优点缺点 工艺参数可控、激光粉末比重或粒度大小 一步法同步送粉法能量吸收率高、稀释 影响熔覆层质量。 ( 即同步法：激光束辐率可控；过程易控制。 照工件的同时向激光 便利且材料利用率丝材表面光滑，反射 作用区送熔覆材料的 同步送丝法高：通过对丝材进行 较强，利用率较低且 工艺。)预热可提高熔覆速丝材制造过程复杂品 率。种规格少， 通常应用手工涂敷， 生产率低，熔覆厚度 二步法预置涂覆层最为经济、方便。不一致，不宜用于批 ( 即预置法：先将熔覆量生产。 材料置于工作表面， 粉末利用率高，且质 适宜于一些深孔零 然后采用激光将其熔 预置片量稳定，能获得高质件，如小口径阀体。 化冷凝。1 量涂层， 2 2 3 影响激光熔覆层质量的因素 现有的研究成果表明，决定激光熔覆层宏观与微观质量的因素很多，概括起来主要有 浙江工业大学硕士学位论文 四个方面( 见图2 - 2 ) 即：材料特性、激光参数、加工工艺及环境条件。 针对影响激光熔覆层质量的各种因素，一方面，可以通过合理的选择粉末材料和基体 材料，使二者匹配良好，从而获得良好的熔覆层：另一方面，在粉末和基体材料一定的情 况下，还可以通过优化工艺参数，获得熔覆层与基体之间界面稀释率较小、无气孔和裂纹 的熔覆层。 r 激光功率 l 光束模式 ，激光参数 光斑直径 fl 光波波长 l 扫描速度 ll 基材导热性、熔点 lj 熔覆材料对基体的浸润性 i材料特性1熔覆材料基体固溶度 ji 熔覆材料对光束吸收率 影响熔覆层质量的激光参数 ( 厚度、稀释率、成分、 i 同步送粉( 送粉速率、扫描速度) 结合状况、组织特征) i加工工艺 预置涂层( 涂层厚度、扫描速度) ll 多道搭接时的搭接率 l ， ii 保护气体 l环境条件 l 预热、缓冷气体 图2 2 影响熔覆层质量的因素 目前主要采用稀释率及比能等综合表述激光工艺参数( 主要是激光功率和扫描速度) 对熔覆层质量的影响规律。 l 稀释犁删：指激光熔覆过程中，由于熔化的基体混入而引起熔覆合金成分变化的程 度，用基材合金在熔覆层中所占的百分比率表示。由于激光能量分布的不均匀性，激光熔 覆熔池中必然存在着对流，在对流的作用下，熔化的基体必然会造成熔覆合金的稀释。在 激光熔覆过程中，控制熔覆层稀释率的大小是获得优质熔覆层的先决条件。主要取决于熔 覆材料和基体材料的物理特性( 熔融合金的润湿性、自熔性、颗粒的几何形状和大小等) 及 它们之间的化学匹配特性，还有激光输出功率、光斑形状和尺寸、送粉速率和扫描速度等。 目前计算稀释的方法有：按熔覆层的成分实测值计算；熔覆道横截面的面积测量 值计算( 几何稀释率) ：熔覆层厚度和基体熔化深度测量值计算( 厚度法) 。前一种方法测量 结果比较准确，但比较复杂，需要专门的设备，不利于实施现场控制。后两种方法比较直 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 观，测量结果是一致的，但没有将熔覆材料和基体材料本身物理参数的差异以及与工艺参 数之间的关系直接的反映出来。 此外，对于每一道熔覆层而言，由于激光的热影响作用，存在着沿扫描方向熔覆层宽 度增加、基体熔化深度变大等现象，仅靠熔覆层某一截面的信息，已不能满足实施工艺过 程的现场控制，需要探讨如何在动态下描述稀释率随工艺参数的变化规律。因此，在分析 激光熔覆冶金过程的基础上提出稀释率为基体熔化量与熔覆层、基体熔化量之和的比： 膨 厶2 万i ( 2 - 1 ) 其中，m ，为基体熔化的质量，m 为熔覆层的质量，厶为稀释率。 注：不同的计算方法对应着不同概念的稀释率。 2 比能量】：它的引入将激光功率、扫描速度和光斑尺寸对熔覆层稀释率的影响综合 起来考虑。比能量可用下式表示： 啪昏丽矗警 p 2 ， 研究表明，比能量减小有利于降低稀释率。因此在激光功率和扫描速度一定的条件下， 熔覆层稀释率随光斑宽度增大而减小；当扫描速度和光斑宽度一定时，熔覆层稀释率随激 光束功率增大而增大。只有把熔覆比能量控制在一定范围内，才能获得质量优良的涂层。 激光热有效利用率和粉末有效利用系数金相检测技术的问世，为采用单位质量熔覆材 料的比能和单位时间实际输入比能来综合考察工艺参数对熔覆层质量的影响奠定了基础。 单位质量熔覆材料的比能是指激光功率与有效送粉速率之比，即： e ，= 二一( 2 - 3 ) a f 式中，e ，一单位质量熔覆材料的比能；p 一激光输出功率； 1 ，一绝对送粉率；f 一粉末有效利用系数。 单位时间实际输入比能是指有用激光能量与扫描速度和光斑长度积之比，即： 耻篆( 2 - 4 ) 式中，邑一单位时间实际输入比能；r 一激光热有效利用率； d 一光斑长度；1 ，一扫描速度。 浙江工业大学硬士学位论文 由式2 - 2 ，可知稀释率、激光作用比能、激光功率和扫描速度相互联系、相互影响 且前两者对覆层质量的影响可以通过后两者的变化来体现。 2 3 实验准备 2 3 】激光和数控机床系统 激光系统采用的是7 0 k w 横流c 0 2 激光嚣，位置伺服控制系统采用西门子6 轴4 联 动多功能数控机床及工作台( 圈2 - 3 ) 。激光嚣和数控机床的性能指标分别如表2 - 3 和2 - 4 所示。 嬲察 螽 图2 * 3 西门于6 轴4 联动多功能数控机床 表2 4 激光系统性能指标 波长 1 0 6 u m 功率范围 模式 多模 功率稳定性 光束直径 工作方式连续 袁2 4 数控机床系统性毙指标 输出功率为2 o 3 0k w ，扫描速度为1 5 2 0m m i t t ，在p 2 0 表面制备了纳米复合