激光熔凝原位Al-Fe-Si 復(fù)合涂層殘余應(yīng)力有限元模擬

李德英，趙龍志，張 堅(jiān)，劉德佳

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具先進(jìn)材料與激光增材制造南昌市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013）

6061 鋁合金由于其具有比強(qiáng)度高、密度小，且具備良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和焊接性能等，在電子通訊、交通運(yùn)輸以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。通常制備鋁基原位合成復(fù)合材料的方法主要包括反應(yīng)鑄造法[2-3]、反應(yīng)機(jī)械合金法[4]、反應(yīng)噴射沉積法[5]和激光熔覆技術(shù)[6]等。反應(yīng)鑄造法雖然技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低廉，但鑄態(tài)組織易產(chǎn)生氣孔等缺陷，且易引起增強(qiáng)相分布不均勻[7-8]；反應(yīng)機(jī)械合金化法和反應(yīng)噴射沉積法普遍存在空隙率過(guò)大，且易產(chǎn)生不必要的有害雜質(zhì)而影響材料性能[9]。相比之下，激光熔覆技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作為一種新型材料表面技術(shù)，激光熔覆技術(shù)可在不改變工件性能的前提下，按照工件的實(shí)際工況需求，通過(guò)合理配比熔覆層的成分達(dá)到提高工件表面性能的目的，從而延長(zhǎng)工件的使用壽命。

激光熔覆是一個(gè)快速熔凝過(guò)程，熔覆層中的殘余應(yīng)力分布直接影響著工件的性能及質(zhì)量。 對(duì)激光熔凝過(guò)程的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行研究，可有效減少熔覆層中的裂紋和變形等缺陷，大大提高涂層的性能，因而采用數(shù)值模擬技術(shù)研究分析激光熔凝過(guò)程中殘余應(yīng)力分布規(guī)律受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞[10-12]。 課題組前期對(duì)Al-Fe-Si/Al 基復(fù)合材料已進(jìn)行了大量研究[2,13-14]，在前期研究的基礎(chǔ)上將激光熔覆技術(shù)引入到Al-Fe-Si/Al 基復(fù)合材料的制備上，通過(guò)精確控制合金成分和優(yōu)化加工工藝，從而獲得性能優(yōu)異的鋁基復(fù)合材料。 采用有限元法系統(tǒng)研究原位合成Al-Fe-Si 含量對(duì)激光熔覆鋁基復(fù)合涂層溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的影響， 對(duì)激光熔覆鋁基復(fù)合材料的實(shí)際工藝研究具有重要指導(dǎo)意義。

1 建立模型

在激光熔覆快速熔凝過(guò)程中，周圍空氣和熔覆層與熔池之間均有熱量交換，可用下列方程[15]來(lái)表示該熱傳導(dǎo)過(guò)程

式中：km為粉末有效的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ 為粉末密度；C 為材料比熱容；q1為激光功率密度；q2為粉末向空氣中散失的熱量。

為使熔覆模型簡(jiǎn)化， 利用有限元軟件Ansys建立如圖1 所示的有限元模型。 涂層尺寸為40 mm×20 mm×1 mm，其單元類型選用八節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid70， 而基材則選用單元類型Solid90， 同時(shí)在網(wǎng)格劃分時(shí)基材選用較粗的網(wǎng)格來(lái)劃分。 為了能夠在涂層表面同時(shí)施加熱流密度以及對(duì)流和輻射， 在其表面建立熱表面效應(yīng)單元Surf152 來(lái)施加熱對(duì)流載荷， 而對(duì)流和輻射則直接施加在涂層表面上。 模擬單層單道激光熔覆同步送粉過(guò)程，該過(guò)程可采用“單元生死技術(shù)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，假定材料服從Mises 屈服準(zhǔn)則，將基板底面及其相鄰的2 個(gè)側(cè)面進(jìn)行約束處理，采用經(jīng)典的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化來(lái)模擬材料非線性的特性。

圖1 激光熔覆有限元模型Fig.1 Finite element model in laser cladding

2 模擬結(jié)果與分析

模擬時(shí)的基體材料為6061 鋁合金，熔覆材料為鋁粉、鐵粉和硅粉按一定比例混合而成，其中Fe∶Si=1∶1(原子比)， 且鋁粉、 鐵粉和硅粉的混合比例是根據(jù)涂層中生成的Al-Fe-Si 化合物的含量k 值 （k 分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5）來(lái)逆向確定的。 模擬計(jì)算時(shí)采用的激光工藝參數(shù)分別為：激光功率為1 000 W，掃描速度為250 mm/min，送粉率為15 g/min 以及離焦量為5 mm 等。

2.1 溫度場(chǎng)分析

在激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)相同的條件下， 熔覆層中Al，F(xiàn)e 和Si 體積分?jǐn)?shù)不一樣，使得熔覆層中的熱傳導(dǎo)率等物性參數(shù)不同，因而復(fù)合涂層的溫度分布也不相同。 以激光功率為1 000 W，掃描速度為250 mm/min 為例，考察不同k 值對(duì)激光熔覆原位合成Al-Fe-Si 復(fù)合涂層溫度的影響， 其中k 表示激光熔覆原位合成Al-Fe-Si 化合物的含量（vol.%）。 圖2 所示為不同k值下沿Z 軸方向溫度分布情況，由圖可知，隨著k值增大，Z 軸方向溫度逐漸升高，且越靠近基板溫度升高的幅度越小。 這是因?yàn)椴牧蠝囟葓?chǎng)的分布受熱傳導(dǎo)率的影響， 隨著k 值增大，Al 的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，而Fe 和Si 的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，此時(shí)涂層的熱傳導(dǎo)率逐漸減小，因而Z 軸方向溫度逐漸升高；而越靠近基板，受涂層熱傳導(dǎo)率的影響越小，因而溫度升高的幅度越小。

圖2 Al-Fe-Si 化合物含量(vol.%)對(duì)溫度的影響Fig.2 Influence of the Al-Fe-Si compound content on temperature

2.2 殘余應(yīng)力分析

不同的Al-Fe-Si 化合物含量會(huì)導(dǎo)致復(fù)合涂層的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等物性參數(shù)有著不同的變化，從而引起涂層的殘余應(yīng)力有所改變。 為分析不同Al-Fe-Si 化合物含量對(duì)殘余應(yīng)力的影響，從而獲得較為理想的k 值范圍， 假定激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)一定， 從而得到殘余應(yīng)力與Al-Fe-Si 化合物含量的關(guān)系，如圖3 所示。

考慮到不同Al-Fe-Si 化合物含量作用下涂層兩端的邊緣效應(yīng)引起的應(yīng)力值起伏較為明顯， 因而分析殘余應(yīng)力時(shí)忽略涂層兩端的邊界。 圖3 所示為Al-Fe-Si 化合物含量(vol.%)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，其中沿激光掃描方向的涂層表面X 方向和Y 方向應(yīng)力分別如圖3（a）和圖3（b）所示，且均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而沿激光掃描方向的界面處剪切應(yīng)力如圖3（c）所示，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。 從圖中可以看出，隨著k 值增大，涂層表面X 方向應(yīng)力先減小后增大，當(dāng)k=0.4 時(shí)，涂層應(yīng)力值最小，如圖3（a）所示，這是因?yàn)殡S著k 值增大，Al 的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，而Fe 和Si 的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，使得復(fù)合涂層的熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)漸減小，彈性模量增大，而熱傳導(dǎo)率減小會(huì)使溫差升高，殘余應(yīng)力因此增大，同時(shí)熱膨脹系數(shù)減小和彈性模量增大又會(huì)促使殘余應(yīng)力降低，在這兩者的綜合作用下，殘余應(yīng)力最終呈現(xiàn)起伏變化。 圖3（b）中，隨著k 值增大，涂層表面Y 方向應(yīng)力逐漸減小，這主要是因?yàn)閗 值增大使復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)漸減小和彈性模量增大，從而降低涂層的殘余應(yīng)力。 圖3（c）中，當(dāng)k=0.1，0.2 和0.3 時(shí)，界面處剪切應(yīng)力值變化不明顯，且k =0.4 和0.5 時(shí)應(yīng)力值差別也不大，且后者應(yīng)力值較前者大。 當(dāng)k=0.1，0.2，0.3 時(shí)，沿激光掃描方向應(yīng)力值波動(dòng)較大，而k=0.4，0.5 時(shí)沿激光掃描方向應(yīng)力值波動(dòng)較小。

米塞斯（Von Mises） 等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，它可清晰描繪出材料處于各聯(lián)合作用下的復(fù)雜應(yīng)力水平，該應(yīng)力值越小表示該區(qū)域危險(xiǎn)系數(shù)越小[16]。圖3（d）所示為沿激光掃描方向Von Mises 殘余應(yīng)力分布情況?？梢钥闯?，隨k 值不斷增大，沿激光掃描方向的Von Mises 應(yīng)力先減小后增大，當(dāng)k=0.4，即原位合成的Al-Fe-Si 化合物含量(vol.%)為0.4 時(shí)，此時(shí)復(fù)合涂層的Von Mises 殘余應(yīng)力值最小。

為了定量分析不同原位合成Al-Fe-Si 化合物的含量（vol.%）對(duì)復(fù)合涂層殘余應(yīng)力的影響，將其它方向的應(yīng)力以最大值或最小值的形式進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。 經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k=0.4，即原位合成的Al-Fe-Si 化合物含量(vol.%)為0.4 時(shí)，沿Z 方向的最大應(yīng)力、沿YZ 平面方向和XZ 平面方向的最大剪切應(yīng)力以及Von Mises 最小應(yīng)力均有最小值，同時(shí)沿Z 方向的最小應(yīng)力絕對(duì)值、沿YZ 平面方向和XZ 平面方向的最小剪切應(yīng)力絕對(duì)值也均呈現(xiàn)最小值。因此，對(duì)激光熔覆的粉末成分進(jìn)行合理配比，可以有效減小復(fù)合涂層各方向的殘余應(yīng)力值。

綜上所述，當(dāng)激光熔覆原位合成Al-Fe-Si 化合物含量為0.4 左右時(shí)，此時(shí)復(fù)合涂層殘余應(yīng)力值最小。

圖3 Al-Fe-Si 化合物含量對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig.3 Influence of the Al-Fe-Si compound content on residual stress

表1 不同k 值下的殘余應(yīng)力Tab.1 Residual stress with different k value MPa

為了進(jìn)一步完善優(yōu)化結(jié)果的正確性， 對(duì)各工藝參數(shù)下熔覆層整個(gè)區(qū)域的Von Mises 等效殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。 圖4 為在激光功率1 000 W，掃描速度250 mm/min 時(shí)，不同Al-Fe-Si 化合物含量下的等效殘余應(yīng)力分布云圖。 從圖中可以看出，當(dāng)k=0.4 時(shí)，在熔覆層的整個(gè)區(qū)域內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力值為277 MPa，而在k=0.2，0.3 和0.5 時(shí)，熔覆層的整個(gè)區(qū)域內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力值分別為282，279 MPa 和287 MPa。由此可見，當(dāng)k=0.4 時(shí)，在熔覆層的整個(gè)區(qū)域內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力值也是最小。

圖4 等效殘余應(yīng)力分布云圖Fig.4 Equivalent residual stress distribution

3 結(jié)論

1） 隨著Al-Fe-Si 化合物含量增大，沿Z 軸方向溫度逐漸增大，且越靠近基板，溫度升高的幅度逐漸減小。2） 隨著Al-Fe-Si 化合物含量增大，涂層表面X 軸方向應(yīng)力和Von Mises 應(yīng)力先減小后增大，涂層表面Y 方向應(yīng)力逐漸減小，而界面處剪切應(yīng)力值變化不明顯，因而當(dāng)激光熔覆原位合成Al-Fe-Si 化合物含量為0.4 左右時(shí)，此時(shí)激光熔覆原位復(fù)合涂層的殘余應(yīng)力具有最小值。

3） 為完善優(yōu)化結(jié)果的正確性，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光熔覆原位合成Al-Fe-Si 化合物含量為0.4 時(shí)，在熔覆層的整個(gè)區(qū)域內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力值也是最小。