TiC顆粒增強(qiáng)鎳基合金激光熔覆工藝仿真

曾 超，徐國(guó)強(qiáng)，田青牛

(貴州理工學(xué)院航空航天工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術(shù)，是指激光表面熔敷技術(shù)在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開(kāi)后自激冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化方法。隨著激光熔覆基礎(chǔ)理論體系的不斷完善，人們更注重激光熔覆過(guò)程的理論模型及工業(yè)應(yīng)用，利用仿真模型對(duì)激光熔覆設(shè)備與材料的開(kāi)發(fā)，以及熔覆層缺陷的形成機(jī)理與控制方法等方面的研究。TiC顆粒以高硬度、高模量和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的復(fù)合材料制備中。石齊民等[1]通過(guò)ANSYS軟件建立了TiC/Inconel 718復(fù)合材料激光熔化的仿真模型，掌握了激光熔化溫度變化率與工藝參數(shù)的關(guān)系；宋衛(wèi)東等[2]通過(guò)迭代法提供真實(shí)的物理邊界條件，施加到細(xì)胞有限元模型中進(jìn)行分析，并獲得復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能；Emamian等[3]通過(guò)對(duì)激光熔覆下TiC顆粒形態(tài)研究，獲得TiC顆粒形態(tài)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系；張可敏等[4]通過(guò)對(duì)激光熔覆下在TC4鈦合金表面原位制備Y2O3顆粒增強(qiáng)Ni/TiC復(fù)合涂層進(jìn)行研究，得出復(fù)合涂層內(nèi)的分層現(xiàn)象主要是由激光熔覆過(guò)程的快速熔凝和冷卻過(guò)程所致；楊光等[5]采用激光覆熔技術(shù)在TC4鈦合金的表面上制備耐磨鈦基功能梯度(Ti-FGM)復(fù)合涂層,得出TiC顆粒能均勻分布在形成的微觀組織的熔覆方向；張現(xiàn)虎[6]利用激光熔覆技術(shù)，制備了原位合成TiC- ZrC復(fù)合顆粒增強(qiáng)鎳基熔覆層，得出復(fù)合顆粒與基體具有良好的相容性，熔覆層具有高硬度和良好的耐磨性能。其他國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)TiC顆粒增強(qiáng)體復(fù)合材料激光熔覆進(jìn)行了廣泛研究，并取得了豐富的成果[7-9]。

本研究利用ANSYS軟件對(duì)不同工藝參數(shù)下TiC/Inconel 718復(fù)合材料在激光熔覆過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析得出最佳的仿真工藝參數(shù)。

1 激光熔覆模型有限元仿真設(shè)計(jì)與建立

1.1 激光熔覆模型的假設(shè)

由于激光熔覆涉及到的影響因素太多，為了能夠有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)因素研究，本文對(duì)激光熔覆溫度場(chǎng)模型提出下列幾點(diǎn)假設(shè)：

a.材料各向同性。

b.系統(tǒng)能量無(wú)外損。

c.熔池內(nèi)熔液靜止。

1.2 激光熔覆模型材料屬性的確定

材料屬性中合金的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為

K=∑nxnKn

(1)

K為該合金的物理特性；xn為合金某組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Kn為相應(yīng)物理特性，下標(biāo)n表示合金各組元。本次選用TiC/Inconel 718混合粉末進(jìn)行研究，當(dāng)TiC顆粒與Inconel 718粉末的質(zhì)量比為1∶9時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算合金熱物性參數(shù)如表1所示。Inconel 718固體的熔點(diǎn)為1 300 ℃，TiC固體的熔點(diǎn)為3 067 ℃。

表1 TiC/Inconel 718(1∶9)的熱物性參數(shù)

利用Jmatpro軟件通過(guò)對(duì)金屬元素成分的定義，計(jì)算TiC/Inconel 718復(fù)合材料的相關(guān)熱物理參數(shù)。

1.3 模型的建立及網(wǎng)格劃分

所研究的模型是用2個(gè)長(zhǎng)方疊加得到的對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)，因此所受載荷也是對(duì)稱的，為了節(jié)省運(yùn)算的時(shí)間，僅使用ANSYS中對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行分析，為了使整體的精度不受到影響，可以將分析結(jié)果映射到整個(gè)模型上。如圖1所示，模型通過(guò)建立基體和熔覆層后，將兩者部分粘連，使兩者邊界相連又彼此獨(dú)立。

所建模型基體材料尺寸為50.0 mm×16.0 mm×6.0 mm，熔覆層材料尺寸為50.0 mm×3.0 mm×0.5 mm。

圖1 對(duì)稱結(jié)構(gòu)分析模型

由于幾何模型并不直接參與求解過(guò)程，所以需要對(duì)其進(jìn)行細(xì)小化處理，即劃分成為細(xì)小的單元，在此之前需要進(jìn)行劃分網(wǎng)格。

由于激光熔覆對(duì)基體材料的影響范圍不是太大，只有靠近熔覆層區(qū)域的基體材料的溫度變化較大，所以對(duì)于該區(qū)域的網(wǎng)格劃分更加精細(xì)一些，而非是均勻地劃分。實(shí)際的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.4 模型邊界條件的施加與熱源加載的確定

劃分好網(wǎng)格之后，接下來(lái)對(duì)模型施加邊界條件。由于本文采用的是對(duì)實(shí)際模型的一半進(jìn)行分析，因此在該分割面施加對(duì)稱約束；而接觸面施加熱源密度；其余各面分別施加空氣對(duì)流載荷。

激光熔覆模型熱源選用高斯熱源能量分布模型，而激光的有效利用率為0.7(高斯熱源能量分布中間能量大，周圍能量少，接近實(shí)際中的激光熔覆效果)，則激光能量密度表達(dá)式為

(2)

q(r)為距離熱源中心為r的熱源密度；qm為熱源中心的最大熱流密度；R為激光熱源的光斑半徑；r為取樣點(diǎn)與激光熱源的光斑中心距離。

通過(guò)不同時(shí)間在一個(gè)區(qū)域施加多個(gè)細(xì)小的載荷來(lái)模仿熱源的移動(dòng)，載荷每次移動(dòng)的距離決定了仿真的精度，以及影響了結(jié)果是否收斂。

在激光熔覆過(guò)程中，不僅是激光直接把熱量傳遞給粉末，粉末也攜帶能量，在實(shí)際中與熱源有相同的作用，但其能量主要是通過(guò)粉末之間的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熔覆熱源加載示意如圖3所示。

圖3 熔覆熱源加載示意

在粉末加載過(guò)程應(yīng)用ANSYS中的“生死單元法”：激光熔覆開(kāi)始之前，將熔覆層單元全部“殺死”；激光束行進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)計(jì)算的不同坐標(biāo)粉末的溫度值和激光前進(jìn)順序，依次激活不同部位的單元。激活效果如圖4所示。

圖4 熔覆單元層激活效果

由于對(duì)熔覆層截面變化的研究較為困難，故本文主要針對(duì)激光熔覆工藝中的激光功率、掃描速度及光斑半徑3個(gè)參數(shù)的單因素變化做分析，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到參數(shù)變量如表2所示。

表2 仿真工藝參數(shù)變量

在激光熔覆過(guò)程中，隨著熱源中心向前移動(dòng)，基體和熔覆層不斷吸收并傳導(dǎo)熱量，最高溫度也會(huì)逐漸地升高，直到熱源停止加熱。在熔覆開(kāi)始時(shí)，基體和熔覆層的溫度較低，當(dāng)激光移動(dòng)到末端，由于溫度升高加劇，溫度變化較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力。為了避免兩端應(yīng)力的影響，本研究主要對(duì)試件的中間部分進(jìn)行討論。

2 溫度場(chǎng)受工藝參數(shù)的影響

2.1 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)的影響

不同激光功率下中點(diǎn)光斑中心溫度與溫度變換率隨時(shí)間變化情況如圖5所示。由圖5可知，試件中段光斑中心溫度與溫度變化率隨著激光功率的增加而增大，且所有曲線趨勢(shì)都相同。當(dāng)激光功率從150 W增至250 W時(shí)，對(duì)應(yīng)的最高溫度、最大加熱速率和最大冷卻速率分別從1 897.61 ℃、1 155.00 ℃/s和1 097.00 ℃/s增至2 925.00 ℃、2 588.55 ℃/s和2 278.21 ℃/s。通過(guò)對(duì)P=150 W時(shí)溫度曲線分析，發(fā)現(xiàn)熔覆層最低溫度達(dá)不到材料熔點(diǎn)1 300 ℃，為了保證熔覆的正常進(jìn)行，不選用其作為激光加工功率。

圖5 不同激光功率下中點(diǎn)光斑中心溫度與溫度變換率變化情況

2.2 激光掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

不同掃描速度下中點(diǎn)光斑中心溫度和溫度變化率隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。

圖6 不同掃描速度下中點(diǎn)光斑中心溫度和溫度變化率變化情況

由圖6可知，試件中段光斑中心溫度隨著掃描速度增大而減小，溫度變化率隨著掃描速度增大而增大。當(dāng)掃描速度從0.5 mm/s增至2.0 mm/s時(shí)，最高溫度從2 926.53 ℃降至2 472.88 ℃，最大加熱速率和最大冷卻速率分別從891.28 ℃/s和551.74 ℃/s升至2 974.40 ℃/s和2 500.07 ℃/s。可以看出，當(dāng)掃描速度較大時(shí)試件溫度變化率較大，易形成局部應(yīng)力的積累，造成裂紋等加工缺陷，過(guò)大的應(yīng)力累積將會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂、翹曲變形。

2.3 光斑半徑尺寸對(duì)溫度場(chǎng)的影響

不同光斑半徑下中點(diǎn)光斑中心溫度及溫度變化率隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。由圖7可知，試件中段光斑中心溫度和溫度變化率隨著光斑半徑的增大而減小。當(dāng)光斑半徑從1.5 mm增至3.0 mm時(shí)，光斑中心的最高溫度、最大升溫速率和最大冷卻速率分別從2 667.49 ℃、2 322.44 ℃/s和2 039.06 ℃/s降至1 557.01 ℃、539.11 ℃/s和493.64 ℃/s；再結(jié)合高斯熱源的公式，熱源熱流密度沿半徑向中心是成倍增長(zhǎng)的，光斑半徑越小熱流密度就越高，試件的局部溫度差異就越大。

圖7 不同光斑半徑下中點(diǎn)光斑中心溫度及溫度變化率變化情況

3 殘余應(yīng)力受工藝參數(shù)的影響

3.1 激光功率對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響

不同功率下基體上表面垂直于掃描方向的應(yīng)力分布情況如圖8所示。由圖8可知：基體上表面垂直于掃描方向的縱向應(yīng)力隨著激光功率的增加拉應(yīng)力逐漸減小，壓應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)激光功率為200 W時(shí)，縱向起始拉應(yīng)力較大，達(dá)到114.02 MPa；當(dāng)激光功率達(dá)到250 W時(shí)，其縱向應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。而橫向應(yīng)力隨著激光功率的增加拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都相應(yīng)增大，且其數(shù)值都較為接近。

圖8 不同功率下基體上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況

不同功率下熔覆層上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況如圖9所示。由圖9可知，熔覆層上表面縱向拉應(yīng)力和橫向拉應(yīng)力都隨著激光功率的增加而增大，縱向壓應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力都隨著激光功率的增大而減小。當(dāng)激光功率為250 W時(shí)，縱向和橫向應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且在整個(gè)圖像上都為最大拉應(yīng)力，分別為3 003.70 MPa和680.97 MPa。綜合激光功率對(duì)溫度場(chǎng)的分析，激光功率為225 W時(shí)相較其他參數(shù)對(duì)激光熔覆效果較好，且就溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的曲線趨勢(shì)來(lái)看，激光功率加工參數(shù)在225 W至250 W之間對(duì)于激光熔覆的效果是最佳的。

圖9 不同功率下熔覆層上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況

3.2 掃描速度對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響

不同掃描速度下基體上表面垂直于掃描方向的應(yīng)力分布如圖10所示。由圖10可知：縱向拉應(yīng)力隨著掃描速度增加而增大，壓應(yīng)力隨著掃描速度增大而減小；掃描速度為0.5 mm/s時(shí)，其主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為503.63 MPa；掃描速度為1.5 mm/s和2.0 mm/s時(shí)，2條曲線比較接近，且拉應(yīng)力都比較大，最大拉應(yīng)力分別為355.66 MPa和274.41 MPa。而橫向應(yīng)力拉應(yīng)力隨著掃描速度的增加而增大，壓應(yīng)力隨著掃描速度的增大而減小，各曲線在拉應(yīng)力部分都比較接近；壓應(yīng)力上，當(dāng)掃描速度為0.5 mm/s時(shí)，最大壓應(yīng)力達(dá)到243.47 MPa。

圖10 不同掃描速度下基體上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況

考慮到不同掃描速度對(duì)熔覆層表面應(yīng)力干擾較大，故在此對(duì)熔覆層厚度方向應(yīng)力進(jìn)行仿真。如圖11所示，縱向應(yīng)力隨著掃描速度由0.5 mm/s增至2.0 mm/s，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力由2 692.50 MPa和240.87 MPa降至1 853.20 MPa和125.80 MPa。而對(duì)于橫向應(yīng)力，當(dāng)掃描速度過(guò)小時(shí)(v=0.5 mm/s)，受拉壓應(yīng)力較為嚴(yán)重，容易影響熔覆的效果，所以在這里將其排除。當(dāng)掃描速度從1.0 mm/s增至2.0 mm/s時(shí)，曲線上對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力減?。粧呙杷俣葹?.5 mm/s和2.0 mm/s的2條曲線比較接近；掃描速度為1.0 mm/s，其表現(xiàn)的拉應(yīng)力較大，最大值達(dá)到395.92 MPa；結(jié)合掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響，從整體上看掃描速度為1.0 mm/s對(duì)于激光熔覆加工影響較小，且根據(jù)應(yīng)力曲線趨勢(shì)可以看出掃描速度為1.0 mm/s至1.5 mm/s之間必存在最佳掃描速度。

圖11 不同掃描速度下熔覆層厚度方向應(yīng)力分布情況

3.3 光斑半徑對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響

不同光斑半徑下基體上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況如圖12所示。由圖12可知，對(duì)于縱向應(yīng)力，光斑半徑過(guò)大時(shí)(R=3.0 mm)，應(yīng)力影響區(qū)域相較其他大得多，在整個(gè)方向上都有應(yīng)力殘余，在此將其排除。隨著光斑半徑由1.5 mm增至2.5 mm，最大壓應(yīng)力由232.48 MPa降至73.60 MPa；且當(dāng)光斑半徑為1.5 mm時(shí)其主要表現(xiàn)為過(guò)大的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力達(dá)到241.25 MPa。而橫向應(yīng)力，當(dāng)光斑半徑過(guò)小時(shí)(R=1.5 mm)，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且相較其他拉應(yīng)力要大很多，可能會(huì)在熔覆層橫向上產(chǎn)生裂紋，也將其排除。隨著光斑半徑由2.0 mm增至3.0 mm，相對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力由478.28 MPa降至121.06 MPa；且當(dāng)光斑半徑為3.0 mm時(shí)，其表現(xiàn)的壓應(yīng)力較小。

不同光斑半徑下熔覆層上表面垂直于掃描方向的應(yīng)力分布情況如圖13所示。由圖13可知，對(duì)于縱向應(yīng)力，當(dāng)半徑過(guò)小(R=1.5 mm)或半徑過(guò)大(R=3.0 mm)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力都比較大，前者最大拉應(yīng)力達(dá)到2 462.60 MPa，且其在整個(gè)縱向上應(yīng)力變化過(guò)快；后者在整個(gè)方向上表現(xiàn)為拉應(yīng)力；兩者都不利于熔覆。從光斑半徑由2.0 mm增至2.5 mm來(lái)看，隨著光斑半徑增大對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)力減小，且從整個(gè)分布規(guī)律來(lái)看最佳光斑半徑應(yīng)在2.5～3.0 mm之間。而橫向應(yīng)力上半徑過(guò)大或過(guò)小都對(duì)熔覆效果影響較大，在此只討論光斑半徑為2.0～2.5 mm的情況，圖13中兩者曲線在整個(gè)方向上大致相同，但R=2.5 mm整體的壓應(yīng)力要略小于R=2.0 mm。故可以看出光斑半徑在1.5～3.0 mm某一區(qū)域內(nèi)，隨著光斑半徑增大，試件受應(yīng)力的影響越小。

圖12 不同光斑半徑基體上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況

圖13 不同光斑半徑熔覆層上表面垂直于掃描方向應(yīng)力分布情況

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS軟件對(duì)不同工藝下TiC/Inconel 718復(fù)合材料在激光熔覆過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)和溫度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。分析得出激光加工功率、掃描速度和光斑半徑的數(shù)值變化分別與溫度、溫度變化率及殘余應(yīng)力的變化之間存在的規(guī)律，以及當(dāng)3個(gè)參數(shù)較大或較小對(duì)熔覆產(chǎn)生的具體影響。并且找到了3個(gè)最佳工藝參數(shù)存在的具體范圍：最佳激光加工功率的范圍在225 W與250 W之間；最佳掃描速度的范圍為1.0 mm/s與1.5 mm/s之間；最佳光斑半徑為2.5 mm與3.0 mm之間。