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。     

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。     

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。     

钛合金表面NiCrBSi激光熔覆层的组织与耐磨性研究

在 TC4合金表面进行了激光熔覆 Ni Cr BSi涂层的试验 ,结果表明 ,激光熔覆层在微观结构上存在熔覆区、结合区和基体热影响区三个区域。熔覆区的组织是在初晶 γ Ni和 γ Ni、Ni3B、硅化物组成的多元共晶基底上分布着 Ti B2 、Ti C、M2 3( CB) 6等颗粒增强相。结合区是熔覆材料 Ni基合金和基体钛合金的混熔区 ,呈定向凝固特征。基体热影响区为针状马氏体组织。激光熔覆层的耐磨性能比时效硬化的钛合金显著提高 ,磨损机制是剥层磨损和磨粒磨损。     

板坯结晶器表面激光熔覆强化研究

使用自行配制的Ni基合金粉末和混合加入适量其他功能性粉末,采用基体预热和激光同轴送粉熔覆技术,进行在板坯结晶器母体表面熔覆强化的试验研究.结果表明,通过基体预热和激光同轴送粉熔覆强化,可以有效减小预铺再熔覆产生的较多的孔缝现象;可以通过粉末配制控制熔覆层的成分构成,且熔覆层组织致密、均匀,呈典型的快速凝固现象;熔覆层与基体元素相互渗透和稀释,得到了具有良好冶金结合与高致密度的结合过渡区,而且基体稀释率很小;通过此种强化处理可明显提高结晶器的耐磨性和耐蚀性.     

激光-感应复合熔覆Ni基WC复合层的工艺研究

为了提高熔覆效率与消除熔覆层的裂纹,采用激光-感应复合熔覆的方法在A3表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC复合层。研究了不同的加工参量对复合层质量的影响,结果表明,随着激光比能的增加,粉末面密度增加;在相同的激光比能条件下,随着粉末面密度增加,熔覆层的高度增加,稀释率减小;在相同的粉末面密度条件下,随着激光比能的增加,熔覆层的宽度略有增加。此外,相对于单纯的激光熔覆技术,激光-感应复合熔覆的效率约可以提高5倍。在激光-感应复合熔覆过程中,熔覆层与基材间的温度梯度大大降低,这是Ni基WC复合层无裂纹的关键原因。     

铁基合金激光熔覆层组织分布及开裂敏感性研究

在45#钢基底上进行了铁基合金粉末激光熔覆实验。利用扫描电镜观察了熔覆层横断面的金相显微组织形态,对组织的不同特征部位进行了EDS能谱分析,使用X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析。结合熔覆层的组织成分分布和激光熔覆过程中组织凝固的特点,分析得到熔覆层中存在少量的Si和B与Fe、Cr、Ni、O结合形成的低熔点共晶,低熔点共晶分布在晶界,尤其是夹杂在熔覆层表层部分,成为裂纹源。调节熔覆材料的成分,减少低熔点共晶产生,可以有效抑制熔覆层的裂纹敏感性。     

激光熔覆层凝固特征与凝固组织控制研究

用5kW横流CWCO2激光器在1Cr18Ni9Ti与Cr18Ni12Mo3Ti阀门零件上熔覆NiCrFeBSi合金，得到了厚2～3.5mm，表面平整光滑，组织细密的合金熔覆层，并结合熔覆试验，分析探讨了激光熔覆层快速凝固过程中的凝固特征，凝固组织及组织控制方法。     

激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金组织性能的研究

在H13钢表面进行了激光熔覆Ni基合金+WC粉末实验,测试了熔覆层的组织和性能。实验表明激光熔覆可以得到组织致密,晶粒细化,稀释率低,与基体结合牢固的表面强化层。熔覆层的平均硬度为630 HV0.2,耐磨损性能比基体提高145%。H13钢是常用热作模具钢之一,由于工作条件恶劣,经常发生磨损失效,经激光熔覆强化后,其使用寿命将大大提高。     

红外热像下激光熔丝成形过程冷却速率实时监测

激光熔丝增材制造技术是一种具备成形精度高和加工余量小的一体化制造技术,但由于其非平衡态凝固和复杂的传热传质等物理现象,使得很难通过常规手段监测得到其冷却速率。针对这一问题,提出了一种利用红外热像技术的熔池温度和冷却速率实时监测算法。该算法利用FLIR X6520sc型红外热像仪实时捕获增材制造过程中的温度场信号,通过定位温度场中心位置得到熔覆道各点的实时冷却速率,实现了熔覆道冷却速率的全过程实时监测。在此基础上,研究了不同工艺参数对熔池温度和冷却速率的影响规律。最后,探讨不同冷却速率对凝固组织的影响。研究结果发现:在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度从60 mm/min上升到300 mm/min,熔池温度减少了339 ℃,冷却速率却增加了1741 ℃/s;激光功率从200 W降低到100 W,冷却速率和熔池温度分别降低了264 ℃/s和420 ℃;随着送丝速度从120 mm/min升高到600 mm/min,熔池温度和冷却速率分别降低195 ℃和224 ℃/s;扫描速度是对冷却速率影响最大的因素,为后期研究闭环控制系统提供了基础。此外,随着冷却速率的增加,熔覆道经过快速凝固,其凝固组织得到显著细化。     

K418合金叶片激光再制造Inconel718覆层匹配与强化

为了解决K418合金叶片再制造熔覆层易开裂、结合界面处力学性能较差等难题，采用具有输入可调控、热输入可控制以及降低熔池及热影响区温度等优势的脉冲激光，得出在工艺参量为激光功率2.5kW、送粉速率37.5g/min、扫描速率8mm/s，载气气流3L/min下，K418基体与Inconel718熔覆层之间能够形成良好的冶金结合。结果表明，熔覆层显微组织依次由界面处平面晶、底部胞状晶、中部树枝晶及顶部等轴晶组成；经过对比优化下的工艺参量，获得了成形质量良好且无明显裂纹、气孔等缺陷的Inconel718熔覆层；通过基体与覆层的硬度测试，覆层整体硬度值在300HV左右且分布较为均匀，基体平均硬度在400HV以上、结合界面处硬度值为460.46HV，相对于基体提升了12%；物相形分析表明，Inconel718熔覆层与基体K418性能匹配较好，激光再制造凝固成形时经历了L→γ→(γ+MC)→(γ+laves)的凝固过程，脉冲激光的热输入对基体K418合金热影响区完成了γ′相的固溶再析出过程，界面处沿晶界析出少量的二次析出相laves相和MC相对熔覆层及界面处晶界起到钉扎晶界、阻碍滑移的强化作用。试验相关工艺及参量为K418叶片激光再制造提供了借鉴和分析。     

单道激光熔覆温度场仿真及实验研究

为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布,采用仿真与实验对照的方法,利用ANSYS软件,通过高斯热源模型模拟激光光束能量,再采用非线性边界设定,对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真;使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上,并用热成像仪测量多样点温度.结果表明,激光熔覆薄板温度场的仿真符合实...     

Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层残余应力模拟与测量

为制备低残余应力涂层,在304不锈钢表面激光熔覆Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层。采用ANSYSTM有限元分析软件分析其应力场,利用机械钻孔法测量相同工艺条件下的激光熔覆试样的残余应力分布特性对模拟结果进行验证,并采用XRD分析Fe-Mn-Si记忆合金涂层低残余应力机理。结果表明,激光熔覆产生的应力诱发Fe-Mn-Si记忆合金各涂层马氏体转变,将残余应力释放,得到低残余应力涂层。在受到各道激光照射（光斑接近至远离）过程中产生的热应力交替呈现为拉-压-拉应力状态,越远离激光热源中心,热应力越小;冷却完成后,激光涂层上残余应力表现为拉应力,最大应力位于基体与涂层交界处;在垂直与平行于激光熔覆两个方向上,涂层中的残余应力均呈现两侧大中间小的分布规律,在厚度方向上,熔覆涂层表面至涂层中心残余拉应力逐渐增加到最大值后,过涂层中心至熔化边界残余拉应力的数值开始逐渐降低,过涂层边界后,基体承受压应力并逐渐趋于零应力应力状态。     

316L激光熔覆质量预测及路径选择研究

为了避免激光熔覆时熔覆层边界处产生过烧和塌陷等缺陷,基于热传导理论分析了基体不同位置的散热差异,采用数值计算方法分析扫描路径对温度场的影响,在激光功率1000W、扫描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时,同向熔覆和异侧熔覆比反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度分别降低约300℃和500℃,预测了反向熔覆和同侧熔覆的过烧和塌陷区域并进行了实验验证。结果表明,扫描路径对边界过烧和塌陷的影响很大,同向熔覆和异侧熔覆可以在保证高加工效率、材料利用率以及合理工艺参量的同时提高边界熔覆质量;异侧熔覆可以更好地平衡热量累积与散热间的关系,使熔覆层边界晶粒细密、内部组织分布均匀、性能更加优良。此项研究对提高激光熔覆层质量是有帮助的。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

高分子材料与金属激光微焊接实验与仿真分析

为了更好地理解高分子材料与金属材料的激光微焊接机理,利用软件ANSYS建立高斯热源模型,对生物高分子材料聚对苯二甲酸乙二酯(PET)与医用金属材料纯钛的激光微焊接温度场进行了动态模拟;利用红外热像仪测定焊接过程瞬态最高温度变化,用超景深数字显微镜测量实际焊接中焊缝宽度,其测量结果与仿真结果基本吻合;最后对温度场仿真结果进行了分析。结果表明,移动热源前方的等温线分布密集且温度梯度大,后方的等温线稀疏且温度梯度小;在垂直于焊缝中心不同位置的节点都存在着快速升温及相对缓慢的降温过程,同时,节点越靠近焊缝中心,温度变化越剧烈,所能达到的最高温度就越大。该结果证明了所建立的移动高斯面热源模型在激光微焊接PET/Ti温度场模拟中的适用性。