激光熔覆Inconel718镍基合金温度场与应力场模拟

以Abaqus软件为平台,开发了用于模拟激光熔覆过程温度场和应力场的非线性有限元计算方法。根据激光熔覆过程的特点,通过开发Abaqus用户子程序建立了相应的移动热源模型。利用开发的计算方法,对激光单道单层熔覆、单道双层熔覆和单道十层熔覆过程的温度场和应力场进行了数值模拟。基于数值模拟结果,对激光熔覆的温度场特征和焊接应力的演化过程进行了探究。数值模拟得到的温度-应力演化过程结果将有助于理解激光熔覆过程中冶金缺陷(如热裂纹)的形成机理和提出相应的防止对策。     

激光熔覆温度场和CeO_2、TiO_2对材料相变的影响

针对单道激光熔覆,利用数值模拟技术得到了激光熔覆过程的温度场;在Q235钢表面制备了Ni基激光熔覆层,基于材料相变理论分析了熔覆层不同深度位置微观组织的形成机理,并研究了添加CeO_2、TiO_2纳米颗粒对熔覆层组织的影响。结果表明:在激光熔覆过程中,在激光辐照和热传导的共同作用下,熔覆层和基体不同深度区域因温度变化的差异而发生不同类型的相变,从而得到不同的微观组织;在熔覆粉末中添加CeO_2、TiO_2纳米颗粒,可以通过影响材料的相变过程而改变熔覆层的化学组成和微观结构,提高形核率,得到组织均匀细小的熔覆层。     

纳秒激光熔覆硅纳米薄膜的仿真分析及实验研究

以重掺杂硼的纳米硅浆料为硼源,采用纳秒激光熔覆工艺,在钝化发射极及背接触(PERC)电池背面形成了重掺杂硼的硅熔覆层。通过建立三维瞬态温度场的有限元仿真模型,并利用单因素仿真实验,得到了激光工艺参数对温度场的影响规律,初步确定了各激光工艺参数的合理范围。利用极差分析获得了激光工艺参数与激光熔覆温度场分布的相互作用规律。将激光熔覆工艺兼容到PERC电池的制备实验中,结果表明:仿真模型与实验结果较为吻合,电池的平均光电转化效率提升了0.27%。     

激光熔覆热影响区及残余应力分布特性研究

采用三维有限元分析方法对16MnR钢激光熔覆Ni-Cr-B-Si合金粉末过程进行了仿真分析,得到了不同激光熔覆参数(激光功率、扫描速度、光斑直径)下的温度场及残余应力分布。采用两种方法来判断最优的激光熔覆工艺参数:1)利用正交试验的直观分析法对基体材料热影响区深度进行进一步分析以获得最优参数;2)利用最大残余拉应力和材料断裂强度的比值来选择最优参数。两种方法得到的最优激光熔覆参数相同。     

铝合金的激光熔覆修复

通过对航空航天用超高强7050铝合金进行激光熔覆修复的实验研究,探讨了激光熔覆修复铝合金的可行性。实验采用5kWCO2连续激光器作为加热源,在惰性气体保护隔离箱中,对7050铝合金的板状试样进行了激光单道熔覆、多道搭接熔覆、多层堆积熔覆的实验研究。得到优化的激光熔覆工艺参数,制备了激光熔覆修复试样,并观察了不同激光熔覆区的微观组织以及拉伸断口形貌。实验结果表明,优化激光熔覆工艺参数是:激光功率密度为1.84×104～2.12×104W/cm2,扫描速度为5mm/s,送粉量为1.8～2.4g/min,搭接宽度为1.5mm。采用优化工艺参数熔覆,基底和熔覆区形成良好的冶金结合,熔覆后工件表面平整且基底没有变形。同时,采用干燥的氩气加强对激光熔池的保护可以有效消除铝合金激光熔覆中的缺陷。     

基于PCA和TOPSIS的激光熔覆最佳工艺参数评价方法

为了提升激光熔覆质量，获取最佳的激光熔覆工艺参数，提出基于PCA和TOPSIS的激光熔覆最佳工艺参数评价方法。在边界条件和假设条件下构建激光熔覆温度场分布模型，利用主成分分析法获取分布模型中主要的工艺参数，并结合TOPSIS方法对激光熔覆最佳工艺参数进行评价，获取最佳的激光功率、扫描速度。仿真实验结果表明，分析熔覆过程中温度场的变化情况，判断激光功率和扫描速度两种工艺参数对激光熔覆的影响；并利用文献方法和所提方法进行对比可知，所提方法进行激光熔覆最佳工艺参数评价的精度最高可达99.12%,评价精度较高，提升了激光熔覆质量。     

激光熔覆铁基合金粉末单道形貌及性能研究

为探究在45钢表面熔覆铁基合金粉末过程中,激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层性能的影响规律,采用正交试验方案进行激光熔覆的单道成形试验。以熔覆层的宽高比、稀释率和硬度作为判断熔覆层性能质量的评价指标,通过极差分析判断各熔覆工艺参数的影响大小,再基于多目标优化算法得出最佳的单道熔覆工艺参数组合。试验结果表明：在一定工艺参数范围内,送粉速率是影响熔覆层硬度的主要因素,激光功率次之;扫描速度是影响熔覆层高度、宽度的主要因素;送粉速率是影响稀释率的主要因素。获得了最佳工艺参数组合,即激光功率2 056 W,扫描速度8.75 mm/s,送粉速率2.198 g/min,为45钢激光熔覆铁基粉末的工艺参数选择提供依据。     

激光熔覆Co基合金温度场的数值模拟

为了分析Co合金熔覆的温度场,采用有限元法建立了低碳钢表面上激光熔覆预置钴基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场进行了分析,并进行了验证。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,光斑附近等温面较为密集,远离光斑处等温面较稀疏;在其它工艺参量不变的情况下,扫描速率为5mm/s时熔覆过程的稀释率为8.26%,可以获得良好的冶金结合;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速率为3mm/s和4mm/s时熔覆过程中较为合适的功率分别为1.6kW和1.87kW。研究结果对工艺参量的优化和控制熔覆层稀释率提供了借鉴和指导作用。     

机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟研究

温度场是决定机电设备零件缺陷激光熔覆修复质量的重要因素，为了提升激光熔覆修复质量，提出机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟方法。建立机电设备零件物理模型，根据该模型分析不同路径下的激光熔覆扫描过程，确立物理模型的信息参数。对物理模型实行网格划分，获取机电设备零件缺陷在修复过程中的温度场分布特征及变化规律。根据分析结果和物理模型对不同搭接率条件下机电设备零件缺陷激光熔覆修复温度场数值进行模拟，依据模拟结果实现激光熔覆修复，以此进一步提升机电设备零件缺陷激光熔覆修复质量。     

激光熔覆石化阀门密封面熔覆层裂纹控制的研究

采用5kW横流CWCO2激光器,对不同基体材料的石化高参数阀门密封面进行激光熔覆,所用合金粉末为CoCrWB与NiCrFeBSi合金粉末。在研究解决了厚层单道熔覆裂纹问题基础上,得到了厚2mm～3.5mm,表面平整、无质量缺陷的激光熔覆层。结合激光熔覆阀门零件的试验研究,分析探讨了影响熔覆层,特别是厚层熔覆层裂纹形成的各种因素及其综合影响,提出了关于建立判断熔覆层裂纹形成的应力判据模型的思路。     

温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响

为了减少激光熔覆技术中因温度梯度大而产生的熔覆层裂纹，在激光熔覆过程中采用预热基体的方法来减小温度梯度。采用ANSYS软件建立45#钢基材上激光熔覆镍基金属粉末的多道搭接温度场有限元模型，通过热电偶测温验证模型的可靠性，利用建立的有限元模型分析熔覆层在熔覆过程中熔覆层边缘的温度梯度变化规律以及基材预热温度对熔覆层温度梯度的影响。结果表明，最大温度梯度位于熔覆层与基体结合界面的边缘，使得此处成为金属熔池凝固的极端条件，导致此处极易产生裂纹；在基材预热为200℃时，可以显著降低熔覆层凝固过程中的温度梯度，温度梯度的降低越明显，越能有效地抑制裂纹产生。通过模拟与实验的结合为实际激光熔覆制造提供了切实可行的参考依据。     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

图像处理技术在激光熔池温度检测的应用

为了提高材料的熔覆层性能,采用图像处理技术对激光熔池温度场进行了检测。利用彩色CCD工业相机采集图像数据,运用中值滤波方法去除图像噪声;处理后的图像数据经过高精度HG-2标准高温黑体炉标定后得到温度拟合公式。通过图像处理将原始图像转化为伪彩色图像,能够较好地反映熔池各个区域的温度分布及变化规律。结果表明,通过拟合公式计算得到的温度与实际温度最大误差为1.23%。检测精度满足现场需求,实现了对熔池的温度检测。     

基于温度场评估的激光熔覆顺序决策方法研究

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法,采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析,并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法,即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场,根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明,取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV,620.58HV,623.34HV,680.09HV,673.58HV和683.01HV,变形均值为0.9722mm和0.6458mm;评估选择法有最均匀的温度场,熔池周围有最大的温度梯度,其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度,同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。     

激光熔覆Ni基合金温度场的数值分析

为了分析预置粉末Ni基合金熔覆过程的温度场和熔池的结晶变化规律,采用有限元方法建立了激光熔覆Ni基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和凝固结晶过程进行了分析及验证。结果表明,最高温度位于光斑中心处,等温线近似椭圆形,并且向外逐渐减小;熔覆层上某点热循环峰值温度随着热源的远离而明显降低,且热循环起始由第1道次的室温增大到最后道次的730℃;形状因子有结合界面处的1.9109℃smm-2降到熔覆层表面处的0.7109℃smm-2,同时,二次枝晶的间距在结合面处最大,表面处达到最小值,与相同工艺参量下的金相组织和凝固结晶理论完全吻合。该研究结果为激光熔覆过程的优化提供了指导意义。     

硼掺杂纳米硅薄膜的多脉冲激光熔覆数值模拟及实验研究

为研究多脉冲激光的热累积效应对硼掺杂纳米硅薄膜熔覆过程的影响,采用单温模型,利用三维有限元方法对激光与硅薄膜的相互作用过程中温度场的分布进行了数值模拟,得到了多脉冲激光耦合情况下的温度场变化规律。仿真结果表明:与单脉冲相比,在多脉冲激光作用下,峰值温度增加了3.2%,熔池尺寸扩大了18.75%,同时热影响区范围也明显增加;激光辐照后,熔覆层表面温度下降,但基体温度仍会继续上升,多脉冲热累积效应为纳米硅薄膜中硼元素扩散提供了有利条件。最后,通过单脉冲及多脉冲激光熔覆实验,分析了熔覆硅薄膜后的熔覆层表面状况的差异,并获得了激光熔覆辅助硼元素扩散的一般规律,为硼掺杂纳米硅薄膜的激光辅助扩散技术在半导体器件中的应用提供了条件。     

纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难,得到冶金结合良好的Ni60熔覆层,采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法,在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验,并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型,对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时,Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV_0.2;常温下,Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45,摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明,随着预热温度的升高,Ni60熔覆层中裂纹减少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度,减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术,在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层,可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。     

激光熔覆熔池表面温度场分布的检测

采用电荷耦合器件(CCD)高温检测技术,检测了送粉同步式和预置式两种不同工艺下Ni基合金激光熔覆熔池,得到了其在不同功率下的熔池形貌、尺寸和温度场分布.结果表明,当激光功率低于1100 W时,合金粉末熔化不均匀,熔池形貌不规则;当激光功率达到1300 W时,熔池形貌近似椭圆形分布,比较规则平滑,x,y方向尺寸分别为2.8 mm,2.7 mm,平均温度为1800 K,其形貌和尺寸趋于稳定;当激光功率继续增加时,熔池形貌基本不变,但平均温度增加,由于高温热传导熔化,熔池尺寸会有少量增加.     

激光熔丝增材制造温度场的红外热像监测

为实现对增材制造成形件的精确控形控性，必须要对其热过程有一定科学认识。以真空环境下激光熔丝增材制造单道成形为例，利用红外热像技术对其热过程进行监测。比较分析送丝速度对温度场、热循环、冷却速率的影响规律，利用红外热分析对其成形熔敷道宽度及缺陷开展研究。结果表明:借助红外热像可实现对熔敷道温度场变化的监测，沿熔敷道长度成形方向，监测点对应最高温度和冷却速率分别呈现升高和降低趋势。随着送丝速度的增加，熔敷道长度1/4、2/4、3/4处监测点对应的冷却速率随之减小。此外，基于红外热分析可实现对熔敷道宽度预测以及对缺陷位置的定位。