蒙宣伊

(湘電集團 風能有限公司,湘潭 411102)

激光熔覆是一種新型的材料加工與表面改性技術,它可以在低成本材料上制成高性能表面,提高材料的綜合性能,降低能源消耗,該技術引起了西方各國的高度關注[1-5].

Yunchang Fu,A.Loredo等建立了熔覆過程的解析模型[6],示意圖如圖1所示.

圖1 激光熔覆模型示意圖

目前已有模擬溫度場和應力場的文獻,但均沒有考慮激光束與粉末的交互作用,因此,研究激光熔覆過程的應力產(chǎn)生機理,從而提出減少和消除殘余應力的方法,對于激光熔覆技術的完善和推廣具有重要實際意義.

1 熔覆及凝固的有限元模型

基體Q235力學性能參數(shù)見表1,熔覆層材料力學性能參數(shù)如表2所示.

表1 基體Q235力學性能參數(shù)

表2 熔覆層材料力學性能參數(shù)

本文中環(huán)境溫度為293 K,工件無初始應力,采用對稱模型,位移和對稱約束見圖2,這樣讓約束點盡量分散,且遠離光斑加熱區(qū),避免計算產(chǎn)生偏差.

本文在模擬激光熔覆的熱應力場時,采用生死單元法實現(xiàn)熔覆層的生長過程,在熔覆開始前把熔覆單元“殺死”,并在每一步熱應力計算時,將對應溫度場的計算結果加載到應力場模型中.

同時采用改變單元屬性法,在開始計算前,先定義熔融金屬的材料屬性(熔融金屬包括處于熔化狀態(tài)的熔覆粉末和基體熔池金屬)材料編號為3,使它們的屈服極限和彈性模量都很低,且不隨溫度變化,熔覆材料屬性編號為2,基體材料編號為1.熔覆材料和基體的力學性能參數(shù)都隨溫度變化.

圖2 位移與對稱約束

在程序計算過程中,首先改變結構單元為熱單元,在溫度場后處理器中讀取節(jié)點溫度值,將超過熔點的熔覆層單元和基體單元分別存入溫度表中.再轉換熱單元為結構單元,并改變這些單元材料屬性.

2 應力場模擬結果與討論

2.1 熔覆層中心應力應變分布

圖3 應力隨時間變化曲線圖

圖3 為熔覆層中心某點應力隨熔覆時間變化曲線圖,圖中SZ表示縱向應力,SX表示橫向應力,SY表示厚向應力.

當時間t=6.667 s時,光斑照射到該點時,該點所在的單元被激活,并迅速達到熔點溫度,應力場計算近似等于零;t=7.333 s,光斑移出該點,該點很快降至熔點溫度,并開始凝固.

材料冷卻收縮,受到基材或自身溫度不均勻的限制,處于拉應力狀態(tài).在塑性范圍內(nèi),拉應力縱向最大,橫向次之,厚度方向最小.拉應力的數(shù)值取決于材料的流動應力,隨溫度的下降,流動應力上升,拉應力表現(xiàn)為上升趨勢,當材料進入彈性狀態(tài)后,橫向和厚度方向上的拉應力下降明顯,縱向應力基本保持不變.

圖4 殘余應力分布云圖

圖3 (a)為冷卻600 s后的縱向殘余應力分布云圖,由圖看出,最大縱向殘余應力σzmax=978 MPa,且靠近基體的熔覆層上,這是由于熔覆層材料的屈服強度、切變模量均高于基體,且熔覆層的溫度梯度大,所以導致殘余應力較大.圖3(b)為冷卻600 s后橫向殘余應力分布云圖,橫向殘余應力最大值出現(xiàn)在熔覆層邊界與基體的交界處,σxmax=387 MPa.

圖5 至圖7分別為熔覆層中心點橫向、厚向和縱向的應變變化情況,包括熱應變(Thermal)、彈性應變(Elastic)、塑性應變(Plastic)和總應變(Total)總應變等于熱應變、彈性應變、塑性應變?nèi)咧?

在時間t=6.667 s到t=7.333 s之間,該點在激光光斑內(nèi),處于熔化狀態(tài),因此出現(xiàn)應變突然增大的情況.當激光光斑移除該點后,該點溫度迅速降低,應變都迅速減小;進入彈性狀態(tài)后,各向總應變均趨于平緩.

由圖5至圖6可以看出,各向應變中,熱應變最大,且總大于零;x、y向塑性應變小于零,z向塑性應變大于零.無論彈性應變和塑性應變符號怎么變化,總應變(total)總大于零.說明,熱應變是決定材料處于拉伸或壓塑塑性變形的決定因素;最終的橫向X方向總應變小于零;厚度Y方向的應變趨于零;縱向Z方向的應變最大.

圖7 縱向應變隨時間變化曲線

由于熔覆層心部組織冷卻速率要低于周圍組織,心部凝固收縮受到周圍組織的拘束作用.在三向應力中,縱向應力要遠大于其它兩向應力,最終表現(xiàn)為縱向產(chǎn)生拉應變,其它兩向產(chǎn)生壓應變,熔覆層中心的主應變圖為第三類主應變圖[7],如圖8所示.周圍組織對其有類似于擠壓和拉拔的作用.這進一步說明了實際生產(chǎn)中熔覆層總是產(chǎn)生橫向裂紋這一事實,熔覆層橫向裂紋如圖9所示.

圖8 第三類主應變圖

圖9 熔覆層橫向裂紋

2.2 熔覆層應力隨厚度梯度分布

圖1 0和圖11為冷卻600 s后沿工件中心厚度方向從上至下縱向應力和橫向應力變化曲線圖.

由圖10看出,熔覆層(高1 mm)縱向應力從上至下逐漸增大,到熔池附近達到最大值,這說明熔池附近是裂紋高發(fā)區(qū),容易產(chǎn)生橫向裂紋.過熔池后縱向應力逐漸減小,且始終為拉應力,對稱線上的拉應力由兩側壓應力補償.圖11表明,熔覆層上橫向應力沿厚度方向從上至下是由壓變拉,到熔池附近拉應力達到最大.基體則是上下兩側受拉,中間受壓.

2.3 激光熔覆應力機理分析

激光熔覆過程產(chǎn)生的內(nèi)應力是典型的由于材料溫度變化而形成的熱應力.送粉式激光熔覆過程中,可以近似認為所有形成熔覆層的粉末在達到基體之前全部熔化,到達基體后將熱量傳遞給基體,同時基體也直接受到激光束的照射,并在光斑內(nèi)形成熔池.處于液態(tài)的金屬流動應力較小,其受熱膨脹由于受到周圍材料限制所產(chǎn)生的不均勻的壓縮塑性變形和壓應力可以忽略不計.

而與熔池相鄰的高溫區(qū)(未熔化)產(chǎn)生熱膨脹,膨脹受到周圍材料的限制,產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形和壓應力;在冷卻過程中,高溫區(qū)一定程度上又被拉伸而卸載;同時,熔池的冷卻凝固過程中,也受到周圍材料的限制,難以自由收縮,產(chǎn)生拉應力與拉伸塑性變形;此外,由于金屬相變后體積發(fā)生變化,也會產(chǎn)生相應的相變應力;熔覆粉末與基體材料熱膨脹系數(shù)、彈性模量的差異,也會導致內(nèi)應力的產(chǎn)生.

3 結 論

(1)熔覆層中心區(qū)域一直受到拉伸應力,產(chǎn)生拉伸塑性變形;熔池附近的基體先受到壓應力,產(chǎn)生壓縮塑性變形,然后隨著熔覆的進行和冷卻再受到拉應力,產(chǎn)生拉伸塑性變形.

(2)熔覆層縱向應力最大,橫向應力次之,厚度方向應力最小.三向拉應力當材料在塑性狀態(tài)均表現(xiàn)為上升趨勢,當材料進入彈性狀態(tài)后,橫向和厚度方向上的拉應力下降明顯,縱向應力基本保持不變.

(3)熔覆層中心靠近基體一側是裂紋敏感區(qū),該區(qū)域處于縱向拉伸、橫向和厚向壓縮的第三類主應變狀態(tài),周圍組織對其有類似于拉拔和擠壓的作用.

總之,送粉式激光熔覆智能控制與數(shù)值模擬技術方興未艾,還有很多不確定因素需要探索,希望本文的研究工作能為該領域的發(fā)展起到拋磚引玉的作用.

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