駱 芳, 劉景松，趙 兵，姚建華

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 杭州 310024；2.浙江工業(yè)大學(xué) 激光先進(jìn)制造研究院，浙江 杭州 310014;3.浙江省高端激光制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 杭州 310014)

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激光沉積Stellite 6顆粒入射角度對涂層形成的影響

駱 芳1,2,3, 劉景松2,3，趙 兵2,3，姚建華2,3

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 杭州 310024；2.浙江工業(yè)大學(xué) 激光先進(jìn)制造研究院，浙江 杭州 310014;3.浙江省高端激光制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 杭州 310014)

采用準(zhǔn)靜態(tài)下MTS拉伸實(shí)驗，對Stellite6顆粒在Johnson-cook材料模型中的物性參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；利用有限元分析軟件ABAQUS模擬單個Stellite 6顆粒以相同速度不同入射角度撞擊基體的變形行為，探討粒子入射角度對粒子沉積形貌及基體凹坑深度的影響.模擬結(jié)果表明：Johnson-cook材料模型可以很好的描述碰撞過程中粒子的變形行為，粒子入射角度的增大，不利于粒子與基體的有效結(jié)合；在粒子有角度撞擊基體過程中，切向速度會使得粒子與基體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致粒子與基體接觸表面有摩擦力的產(chǎn)生，當(dāng)顆粒與基體間摩擦力做功產(chǎn)生的積極作用大于顆粒切向滑移產(chǎn)生的消極作用，顆粒與基體可以形成有效結(jié)合.

超音速激光沉積；Stellite6顆粒；Johnson-cook模型；非垂直碰撞；數(shù)值模擬

超音速激光沉積是在冷噴涂工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的涂層技術(shù)[1]，利用激光束對基體進(jìn)行同步加熱，即激光光斑與基體上粉末沉積點(diǎn)重合并保持同步運(yùn)動;通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制激光加熱基體功率，溫度檢測儀控制沉積處溫度，來實(shí)現(xiàn)對沉積處溫度的控制.超音速激光沉積技術(shù)既保持了冷噴涂固態(tài)沉積、無稀釋、保證了粉末原有成分和相等優(yōu)點(diǎn),而且克服了冷噴涂對脆性材料和硬度高的材料較難沉積的缺點(diǎn)[2-3]，這種新型復(fù)合工藝得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注.Matthew等[4-5]成功運(yùn)用激光輔助冷噴涂工藝制備出高致密度鈦合金層；駱芳等[6]通過激光輔助冷噴涂工藝，以N2氣作為高壓載氣，在中碳鋼基體材料上采用超音速激光沉積Stellite 6粉末顆粒，采用金相、SEM以及EDX對沉積層進(jìn)行表征，分析了激光加熱的沉積點(diǎn)溫度對沉積層的表面形貌、沉積厚度和沉積密度的影響，雖然通過實(shí)驗的方法可以對涂層的性能進(jìn)行測定，但是由于顆粒與基體的碰撞過程的瞬時性，顆粒和基體的變形過程及結(jié)合機(jī)理不易通過實(shí)驗方法觀察研究，采用有限元數(shù)值模擬的方法為研究粒子的變形過程及探究粒子沉積機(jī)理提供了一種有效的途徑[7-13].王曉放等[14]模擬了銅粒子有角度撞擊銅基板的碰撞過程，通過撞擊后粒子與基體接觸邊緣處射流狀金屬濺射的強(qiáng)弱及基體表面凹坑深度的大小判斷粒子與基體的結(jié)合度，但對于硬質(zhì)合金顆粒有角度的碰撞基體尚未進(jìn)行系統(tǒng)、全面的數(shù)值模擬分析.由于冷噴涂過程中，首層粒子與基體結(jié)合程度的優(yōu)劣對后續(xù)粒子的沉積起到至關(guān)重要的作用，為此，針對Stellite 6顆粒在相同速度不同入射角度的初始條件下，在中碳鋼表面沉積粒子展開研究，觀察粒子的沉積形貌，研究粒子入射角度對粒子變形行為以及基體表面凹坑深度的影響.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 計算模型

采用有限元分析軟件ABAQUS對碰撞過程進(jìn)行模擬計算，實(shí)驗中Stellite6粒子以直徑20 μm的球體為主，因此，數(shù)值模擬采用半徑為20 μm的球形粒子，基板的長度為200 μm，寬度和高度取100 μm，粒子和基體都采用均勻細(xì)密的六面體網(wǎng)格，建立三維Lagrange模型.單元類型為熱-結(jié)構(gòu)耦合的縮減積分六面體單元(C3D8RT)，粒子與基體的接觸方式為Surface-to-Surface類型，基體底部采用固壁約束，對稱面施加對稱約束，其余邊作自由邊界處理.由于粒子有角度撞擊基體時，粒子與基體變形后的形狀都不具有對稱性，因此通常的平面幾何模型不符合軸對稱簡化條件.為便于模擬粒子以不同的入射角度撞擊基體，定義V為粒子速度，Vt為切向分量，Vn為法向分量，粒子的入射角度α為粒子入射速度V與基板法線方向的夾角，有限元幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示.

圖1 網(wǎng)格劃分局部圖Fig.1 Mesh arrangement

1.2 材料模型

針對超音速激光沉積過程中顆粒碰撞時間短、應(yīng)變率大、塑性變形升溫等特點(diǎn)，文章選用經(jīng)典Mat-Johnson-Cook材料模型，它是一個能反應(yīng)材料應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和絕熱升溫導(dǎo)致材料軟化效應(yīng)的理想的剛塑性強(qiáng)化模型[15].目前，Stellite6鈷基合金在Johnson-cook模型中的參數(shù)尚未有學(xué)者進(jìn)行標(biāo)定，給實(shí)際應(yīng)用Johnson-cook模型模擬帶來了極大的難度.不同應(yīng)力狀態(tài)下，Johnson-cook材料模型本構(gòu)關(guān)系統(tǒng)一可用等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率的關(guān)系來描述，即對于拉、壓和扭三種不同應(yīng)力狀態(tài)下，方程的形式是一樣的，可以采用準(zhǔn)靜態(tài)下MTS拉伸實(shí)驗，根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)，用材料模型參數(shù)標(biāo)定的方法對Johnson-cook材料模型等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定.

Stellite6鑄件拉伸實(shí)驗在Instron5960雙立柱臺式萬能實(shí)驗機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗裝置簡圖如圖2所示，試驗機(jī)下端夾頭固定，通過液壓裝置對上端夾頭施加向上的拉力進(jìn)行試樣拉伸，夾頭通過位移傳感器測量試樣的相對位移，壓力傳感器測量夾頭與試樣間的作用力.加熱爐的升溫速度是5 ℃/min, 當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，保溫10 min,然后進(jìn)行加載拉伸直至試樣斷裂.拉伸試樣具體尺寸如圖3所示.應(yīng)變率為0.001 s-1且恒定不變，進(jìn)行溫度為293，493，693 K下的三組拉伸實(shí)驗，得到不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線, 圖4為拉伸過程中的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，通過數(shù)值擬合的方法標(biāo)定Stellite6鈷基合金在Johnson-cook本構(gòu)方程中的參數(shù).噴涂實(shí)驗中選用的Stellite6顆粒成分與拉伸試驗中Stellite6鑄件成分一致，以保證標(biāo)定的參數(shù)同樣適用于Stellite6顆粒.

1—上端夾頭；2—恒溫箱；3—拉伸試樣；4—下端夾頭圖2 實(shí)驗裝置簡圖Fig.2 The sketch of experimental device

圖3 拉伸試樣尺寸圖Fig.3 The geometry of tensile specimen

圖4 工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Curve of engineering stress-strain

Johnson-cook材料模型的流變應(yīng)力是等效塑性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變率和溫度的函數(shù)，其公式分別為

(1)

(2)

式中：A為材料初始的屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變硬化參量；n為應(yīng)變速率敏感指數(shù)； C為應(yīng)變速率敏感系數(shù)；m為溫度軟化指數(shù)； T*為無量綱溫度；Tm為室溫；Tr為材料融化溫度.

Johnson-cook材料模型中要確定的參數(shù)有A，B，n，C，m，一般采用分離變量的方法來標(biāo)定這些參數(shù)[16](表1).

(3)

(4)

表1 計算所用材料的性能參數(shù)

2 計算結(jié)果

2.1 粒子入射角度對顆粒沉積形貌的影響分析

目前關(guān)于冷噴涂數(shù)值模擬的研究主要集中在粒子垂直撞擊基體的碰撞行為研究，但實(shí)際沉積過程中，由于基體表面有一定的粗糙度或為曲面，且粒子從噴嘴噴出過程中存在不同的切向速度，所以實(shí)際上沉積到基體表面的顆粒并非都是垂直沉積到基體表面，而是以一定的角度沉積到基體表面.為了研究粒子入射角度對噴涂效果的影響，在沉積點(diǎn)溫度為1 000 ℃，粒子撞擊速度為450 m/s[17]時，研究5種不同的入射角度(0°，10°，20°，30°，40°)條件下，Stellite6顆粒撞擊45鋼基體后的變形特征.

如圖5所示，Stellite6顆粒以不同的入射角度在450 m/s下撞擊45鋼基體的有效應(yīng)變云圖.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)粒子入射角度發(fā)生變化時，隨著沉積時間的推移，粒子兩側(cè)與基體接觸區(qū)域的變形程度也出現(xiàn)了不同程度的差異，且隨著粒子入射角度的增大，粒子與基體的接觸面積逐漸減小，沉積效果變差.當(dāng)粒子入射角度為0°(即垂直碰撞基體)時，Stellite6顆粒撞擊基體后，基體發(fā)生較大的塑性變形，顆粒嵌入基體中，Stellite6顆粒由球狀變?yōu)轭惽驙?，但沒有出現(xiàn)明顯的金屬射流現(xiàn)象，粒子與基體兩側(cè)的變形特征基本保持一致，顆粒的塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)在碰撞中心的兩側(cè).當(dāng)粒子的入射角度為10°時，即粒子具有水平向右方向的初速度Vt，如圖2所示，于垂直入射相比，粒子與基體的兩側(cè)形變特征略微不同，顆粒整體向右滑移，顆粒的最大塑性應(yīng)變集中在顆粒的右側(cè)，顆粒的右側(cè)與基體結(jié)合更加緊密，主要是因為此時，粒子的法向速度Vn=443.1 m/s，切向速度Vt=78.1 m/s，切向速度的存在使粒子與基體之間產(chǎn)生了相對運(yùn)動，即粒子相對基體產(chǎn)生切向滑移.由于碰撞時間極短，粒子在切向方向生成的速度相對較小，而且粒子與基體之間發(fā)生的相對運(yùn)動導(dǎo)致粒子與基體接觸區(qū)域切向方向生成摩擦力，使得粒子在其速度切向方向滑移較小.當(dāng)粒子入射角度增加到20°和30°時，粒子切向速度分量增大，粒子在其速度切向方向滑移增大，粒子與基體右側(cè)的變形程度增大，左側(cè)的變形程度減小，粒子右側(cè)與基體接觸更加緊密，粒子左側(cè)與基體接觸處出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致粒子與基體接觸面積減少，粒子與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低.當(dāng)粒子入射角度增大到40°時，粒子切向速度分量繼續(xù)增大，粒子與基體接觸面積減少更多，粒子左側(cè)與基體結(jié)合處出現(xiàn)較大間隙.

圖5 粒子有效應(yīng)變云圖Fig.5 The effective plastic strain of particles

“絕熱剪切失穩(wěn)”是冷噴涂數(shù)值模擬計算中一個重要的概念[11]，指顆粒撞擊基體的過程中，有效塑性應(yīng)變發(fā)生突變，突然增大，金屬表現(xiàn)出類似屈服的現(xiàn)象，粒子與基體間產(chǎn)生有效結(jié)合.圖6為顆粒與基體特征有限元的有效塑性應(yīng)變隨時間變化曲線.從圖6(a)中可以看出：Stellite6顆粒以不同角度撞擊基體過程中，顆粒的有效塑性應(yīng)變在碰撞初期已達(dá)最大值，在此之后有效塑性應(yīng)變變化曲線幾乎保持水平，并沒有出現(xiàn)“絕熱剪切失穩(wěn)”現(xiàn)象.從圖6(b)中可以看出:基體的有效塑性應(yīng)變在碰撞過程中持續(xù)增大，基體塑性應(yīng)變明顯大于顆粒的塑性應(yīng)變，基體塑性應(yīng)變增大過程中同樣未曾發(fā)生明顯的突變.模擬結(jié)果顯示的Stellite6顆粒以不同入射角度撞擊基體時，塑性變形主要集中在基體，顆粒與基體均沒有發(fā)生金屬射流的現(xiàn)象說明：在基體溫度為1 000 ℃，粒子撞擊速度為450 m/s的條件下，沉積熔點(diǎn)高、彈性模量大的材料時，碰撞過程中很難發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，顆粒與基體產(chǎn)生冶金結(jié)合方式的可能性不大，因此有效結(jié)合主要以機(jī)械結(jié)合的方式完成.

圖6 有效塑性應(yīng)變變化曲線Fig.6 The curve of effective plastic strain

2.2 碰撞角度與基體凹坑深度變化分析

當(dāng)入射顆粒有角度碰撞基體時，切向速度會使得粒子相對基體沿切向方向發(fā)生滑移，與基體表面產(chǎn)生相對運(yùn)動，粒子與基體間會產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力的生成將消耗粒子的動能，對粒子撞擊后基體凹坑深度產(chǎn)生重要影響.

提取基體上與顆粒碰撞中心監(jiān)控單元在Z方向的位移數(shù)據(jù)，分析入射角度與凹坑深度的關(guān)系.圖7為顆粒不同入射角度下基體凹坑深度隨碰撞時間變化曲線，粒子的入射角度為0°時，基體表面的凹坑深度最深，隨著入射角度增加到10°時，基體表面凹坑深度有所下降，但降低程度非常小；當(dāng)入射角度為20°，30°和40°時，凹坑深度相對于入射角度為0°時逐漸減小.由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著粒子入射角度的增加，基體表面的凹坑深度降低，當(dāng)粒子入射角度在0°～10°范圍內(nèi)時，對基體表面凹坑深度的影響非常小.這是由于粒子侵入基體的過程中，摩擦力在界面做功產(chǎn)生熱量，增大粒子與基體接觸區(qū)域的溫度，促進(jìn)接觸區(qū)域熱軟化效應(yīng)的發(fā)生，減小了粒子滑移作用對凹坑深度的影響，此時由碰撞角度而生成的摩擦力是有利于粒子與基體的結(jié)合的.當(dāng)粒子入射角度超過這個范圍，粒子滑移所引起的消極作用大于摩擦力做功生熱所產(chǎn)生的積極作用，凹坑的沉積深度降低，粒子與基體的接觸面積減小，粒子與基體的結(jié)合強(qiáng)度大大減弱.

圖7 基體凹坑深度變化曲線Fig.7 The indentation depth curve of substrate

3 試驗驗證

基體材料為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的中碳鋼，尺寸為160 mm×55 mm×2 mm，Stellite6顆粒的平均直徑為20 μm.選用氮?dú)庾鳛檩d粉氣體，氣體壓力為3 MPa,粒子的初速度控制在450 m/s,顆粒沉積過程中，采用大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光器對基體上顆粒沉積點(diǎn)進(jìn)行加熱，使基體沉積點(diǎn)溫度保持在1 000 ℃.

圖8(a)所示為入射角度為0°時，激光離子束切割Stellite6顆粒半剖截面圖，從圖8(a)中可以看出：碰撞過程中粒子大部分嵌入基體，接觸區(qū)域的基體經(jīng)歷了劇烈的塑性變形，粒子與基體緊密結(jié)合，保證了結(jié)合強(qiáng)度.顆粒由球狀變?yōu)闉轭惽驙?，粒子與基體兩側(cè)的變形特征基本保持一致，盡管基體存在剪切唇，且有較大幅度的變形，但是沒有出現(xiàn)明顯的金屬射流現(xiàn)象.圖8(b)所示為入射角度為10°時，激光離子束切割Stellite6顆粒半剖截面圖，從圖8(b)中可以看出：顆粒與基體的變形特征較0°入射時變化不大，基體右側(cè)形變相比于左側(cè)略有增大，而粒子嵌入基體的深度則要小于0°入射時的深度，粒子與基體的接觸面積降低，雖然粒子與基體形成結(jié)合，但沉積效果較0°碰撞時有所減弱，實(shí)驗結(jié)果驗證了上述結(jié)論且與仿真結(jié)果一致.

圖8 Stellite6顆粒半剖截面圖Fig.8 Cross-section image of single particle

從表2中可以發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬的凹坑深度及寬度與實(shí)驗結(jié)果比較吻合，模擬結(jié)果略大于實(shí)驗結(jié)果，這是由于實(shí)驗中顆粒與基體接觸區(qū)域緊密結(jié)合，沒有明顯縫隙，而彈塑性材料模型很難達(dá)到凹坑開口處與基體緊密結(jié)合的效果.通過上述分析，數(shù)值模擬基本可以較好的描述Stellite 6顆粒撞擊基體的變形行為，同時也驗證了隨著粒子入射角度的增加，基體表面的凹坑深度降低.

表2 撞擊試驗凹坑深度有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

基于Johnson-cook材料模型對Stellite 6顆粒撞擊中碳鋼的過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果吻合很好，驗證了Johnson-cook模型本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的正確性；在基體溫度為1 000 ℃，粒子撞擊速度為450 m/s的初始條件下：對于硬質(zhì)顆粒碰撞基體的過程，顆粒與基體的結(jié)合方式主要以機(jī)械結(jié)合的方式完成，且隨著入射角度的增大，粒子嵌入基體的深度下降，粒子與基體間結(jié)合強(qiáng)度減弱；當(dāng)顆粒的入射角度在0°～10°范圍內(nèi)，顆粒與基體間摩擦力做功產(chǎn)生的熱量促進(jìn)接觸區(qū)域熱軟化效應(yīng)的發(fā)生，減小粒子滑移作用對凹坑深度的影響，顆粒與基體可以形成較好的結(jié)合.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Effect of incident angles of Stellite 6 particles on bonding performance in supersonic laser deposition process

LUO Fang1,2,3, LIU Jingsong2,3, ZHAO Bing2,3, YAO Jianhua2,3

(1.College of Zhijiang, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Institute for Laser Manufacturing,Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；3.Zhejiang Collaborative Innovation Center of Laser Manufacturing Equipment, Hangzhou 310014, China)

Using MTS tensile experiment under quasi static condition, the physical properties parameters of Stellite6 were demonstrated; Non-vertical impacting behavior of single Stellite 6 particle deposited on medium carbon steel at constant speed and different impacted angle was simulated using the software package ABAQUS, the influence of single particle of different angles on deposition morphology and penetration depth was discussed. It is revealed that the deformation of particle in the process of collision could be described by the Johnson-Cook model, and the bonding strength between the particle and the substrate were reduced with increased incident angle; during the particle with incident angle impacted substrate, the tangential velocity would make relative motion between particles and substrate, the friction between the particle and substrate would be generated. The positive role of friction between the particle and substrate was greater than the negative role of the particle tangential slip, and it is beneficial to the combination between the particle and the substrate.

supersonic laser deposition; Stellite6 particle; Johnson-cook model; non-vertical collision; numerical simulation

2016-03-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51271170)

駱 芳(1966—)，女，浙江杭州人，教授，研究方向為激光加工技術(shù)及材料表面改性，E-mail：luofang@zjut.edu.cn.

TG174.442；TQ630

A

1006-4303(2016)05-0569-06