表面織構(gòu)對(duì)模具鋼激光熔覆層性能的影響分析

趙昌龍，劉俊，姚世航，王闊，王旭旭

（長(zhǎng)春大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

模具是材料成形領(lǐng)域中的重要工具，在制造業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。由于模具本身的制造工藝復(fù)雜，加工過(guò)程工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且模具材料往往價(jià)格比較昂貴，導(dǎo)致模具造價(jià)非常高[1]。此外，模具所處的工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，且由于各種不同的工況，導(dǎo)致模具失效、報(bào)廢形式種類繁雜。工業(yè)生產(chǎn)會(huì)消耗大量的金屬資源，導(dǎo)致金屬礦產(chǎn)資源逐漸衰竭，因此節(jié)約金屬資源顯得尤為迫切而重要。在此背景下，眾多學(xué)者對(duì)模具的修復(fù)技術(shù)，即再制造技術(shù)展開(kāi)了研究，常用的再制造方法有電火花、電弧堆焊、熱噴涂及激光熔覆等[2-6]。其中，激光熔覆技術(shù)由于具有熔覆層組織致密、稀釋率低、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

唐琪等人[7]通過(guò)對(duì)H13 模具鋼進(jìn)行激光熔覆過(guò)程的模擬，研究不同掃描長(zhǎng)度的熱積累及其對(duì)熔池形貌（熔池長(zhǎng)度、寬度及深度）的影響。操森順等人[8]在優(yōu)化激光熔覆鐵基合金工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元對(duì)不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)熔覆層形狀和性能進(jìn)行了檢測(cè)。李強(qiáng)等人[9]采用有限元分析方法對(duì)變壁厚零件進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬，分析了不同壁厚區(qū)域在激光熔覆時(shí)的溫度分布及應(yīng)力分布。劉軍等人[10]采用圓形和矩形光斑，研究不同激光功率、掃描速度及送粉速率的工藝參數(shù)對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響。王麗等人[11]利用有限元模擬激光熔覆預(yù)置粉末制備YSZ 熱障涂層的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，分析了工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，并揭示了溫度場(chǎng)對(duì)熔凝行為的影響機(jī)理。Vikas 等人[12]通過(guò)光纖激光熔覆將h-BNJ 及SS316 復(fù)合涂層添加在SS316 基板表面，檢查復(fù)合涂層的表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，熔覆層與基體之間具有良好的冶金結(jié)合。Alireza 等人[13]對(duì)在321 不銹鋼基體上熔覆的WC-FeAI 粉末進(jìn)行了研究，主要分析熔覆參數(shù)（包括激光功率、探針?biāo)俣取⒎勰﹪娡克俾剩?duì)涂層性能的影響。Grzegorz 等人[14]通過(guò)研究962 粉末熔覆在625 鎳基合金上，發(fā)現(xiàn)熔覆層中含有裂紋和氣孔。然而，關(guān)于通過(guò)改變基體與熔覆層連接結(jié)構(gòu)，來(lái)降低激光熔覆產(chǎn)生的應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生，卻鮮有報(bào)道。

本文利用ANSYS 有限元仿真軟件，對(duì)H13 模具鋼進(jìn)行單層三道激光熔覆模擬。模擬過(guò)程中，采用體生熱率進(jìn)行熱源的加載，分析激光熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布，并將溫度場(chǎng)模擬結(jié)果作為載荷進(jìn)行間接耦合，計(jì)算出熔覆層的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。通過(guò)在基體模型上預(yù)置凹坑織構(gòu)，對(duì)有、無(wú)織構(gòu)的基體進(jìn)行同等條件的激光熔覆模擬，求解出溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布結(jié)果，并將兩者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，尋求一種有效減低應(yīng)力、減少裂紋產(chǎn)生的新型激光熔覆方法。

1 正交模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次模擬試驗(yàn)中，選用正交試驗(yàn)方法[15-17]對(duì)激光熔覆過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化分析，尋求最優(yōu)解。選取激光功率、掃描速度、光斑半徑三個(gè)因子為試驗(yàn)因素，熔池寬度及深度、殘余應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，其中殘余應(yīng)力為主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平正交模擬試驗(yàn)[18-20]。激光功率三個(gè)水平為800、1000、1200 W，掃描速度三個(gè)水平為5、10、20 mm/s，光斑半徑三個(gè)水平為0.5、0.75、1 mm，正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 正交模擬試驗(yàn)表Tab.1 Orthogonal simulation table

2 模型構(gòu)建

2.1 材料性能參數(shù)

激光熔覆模擬過(guò)程屬于瞬態(tài)熱分析，材料的熱物理性能參數(shù)（如比熱容、熱導(dǎo)率等）都隨著溫度的變化而變化。本次選用的基體材料為H13 鋼，熔覆層材料為Ni60A 合金粉末。由文獻(xiàn)[21-22]可知，H13 鋼和Ni60A合金隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)如表2—表5所示。H13 鋼材料密度為7760 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，熔點(diǎn)為1300 ℃；Ni60A 合金材料密度為8900 kg/m3，彈性模量為180 GPa，泊松比為0.24，粉末熔化溫度范圍為960～1040 ℃。

表2 H13 鋼熱物理性能參數(shù)Tab.2 Thermophysical properties of H13 steel

表3 H13 鋼線膨脹系數(shù)Tab.3 Linear expansion coefficient of H13 steel

表4 Ni60A 合金熱物理性能參數(shù)Tab.4 Thermal physical properties of Ni60A alloy

表5 Ni60A 合金線膨脹系數(shù)Tab.5 Linear expansion coefficient of Ni60A alloy

2.2 模型建立

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

本文模擬三道單層激光熔覆進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)耦合分析，采用ANSYS 自帶建模模塊建立激光熔覆有限元模型，如圖1 所示。激光熔覆模擬的模型為對(duì)稱模型，只需建立對(duì)稱模型的一半。基體模型尺寸為50 mm×25 mm×20 mm，熔覆層模型尺寸為50 mm×6 mm×0.5 mm。模型網(wǎng)格劃分采用局部細(xì)化劃分，基體材料的網(wǎng)格劃分尺寸為0.001 mm，熔覆層材料的網(wǎng)格劃分尺寸為 0.0005 mm，選取的單元類型為solid70，該單元具有三向熱傳導(dǎo)能力。模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Model meshing diagram

2.3 熱源模型及邊界條件

熱源的施加采用高斯體熱源模型，熱傳導(dǎo)控制方程[23]為：

式中，ρ為密度；C 為比熱容；v為掃描速度；T為溫度；t為時(shí)間；k為熱導(dǎo)率。有限元模擬過(guò)程中采用對(duì)流換熱邊界條件，不考慮熱輻射對(duì)模擬過(guò)程的影響，對(duì)流換熱[24]公式為：

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，取20 W/(m2·℃)；TS為固體表面的溫度；TB為周圍環(huán)境溫度，取25 ℃。

此外，丁林等人[25]研究了預(yù)熱溫度對(duì)激光熔覆應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)基體預(yù)熱對(duì)于殘余應(yīng)力存在很大的影響。隨著基體預(yù)熱溫度的增加，無(wú)論是基體，還是熔覆層，表面的殘余應(yīng)力均降低，并且預(yù)熱會(huì)使得殘余應(yīng)力分布更加均勻。因此，本文在熔覆模擬過(guò)程中，對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為300 ℃。

3 結(jié)果及分析

激光熔覆模擬路徑為S 型，第一道由左至右，第二道由右至左，第三道再由左至右。每完成一道路徑的熔覆模擬后，冷卻20 s，直至完成單層三道熔覆模擬過(guò)程。正交模擬試驗(yàn)選取了熔池深度及寬度、殘余應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果如表6 所示。選取中間道基體和熔覆層連接面的殘余應(yīng)力作為計(jì)算結(jié)果。

表6 正交模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Orthogonal simulation results

信噪比描述了電子系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比例高低，信噪比越大，信號(hào)越強(qiáng)，噪聲越小，輸出值與期望值的誤差就越小。在得到正交模擬試驗(yàn)結(jié)果之后，通過(guò)信噪比分析方法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出穩(wěn)定的最佳熔覆參數(shù)。信噪比計(jì)算公式[26]如下所示：

式中，n為模擬試驗(yàn)次數(shù)，F(xiàn)i為第i次模擬試驗(yàn)的殘余應(yīng)力值。

由表6 結(jié)果分析得出，各組模擬試驗(yàn)的熔池深度均已超過(guò)熔覆層的厚度，達(dá)到熔覆的效果，且殘余應(yīng)力的最小值出現(xiàn)在激光功率800 W、掃描速度20 mm/s，光斑半徑1 mm 的熔覆條件下，最小殘余應(yīng)力值為360 MPa。

在熔覆層達(dá)到必要的熔覆溫度的前提下，本文選取殘余應(yīng)力作為主要試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析，殘余應(yīng)力的極差分析結(jié)果如表7 所示，表中激光功率對(duì)應(yīng)的Pj1代表其處于水平1（P=800 W）時(shí)模擬試驗(yàn)殘余應(yīng)力值的信噪比總和，各信噪比值為?56.12、?54.49、?51.13，因此Pj1 值為?161.74，剩余極差分析值均依據(jù)此方法計(jì)算得出。最終得出最優(yōu)參數(shù)組合為P1V3R3，即激光功率為800 W，掃描速度為20 mm/s，光斑半徑為1 mm，得到最小殘余應(yīng)力值為360 MPa。由此可以看出，極差分析結(jié)果與正交模擬試驗(yàn)分析結(jié)果一致。此外，三因素中，激光功率對(duì)殘余應(yīng)力的影響最為顯著，其次是光斑半徑，對(duì)殘余應(yīng)力影響最小的是掃描速度。

表7 殘余應(yīng)力極差分析結(jié)果Tab.7 Residual stress range analysis results

在最優(yōu)熔覆條件下，完成三道單層熔覆模擬輸出的溫度場(chǎng)分布如圖3 所示。根據(jù)熔覆路徑，選取每一道基體和熔覆層連接面的起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)，進(jìn)行熔覆層溫度隨時(shí)間變化的研究，各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖4 所示。

圖3 溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature distribution diagram

圖4 節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Curve of node temperature over time

從圖4 可以看出，即將到達(dá)各節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)溫度快速上升，之后溫度便快速下降。熔覆過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)最高溫度達(dá)到2050 ℃，且其余各節(jié)均已達(dá)到材料的熔點(diǎn)。

將溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為載荷讀入，并轉(zhuǎn)換單元類型后，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的分析，輸出應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5 所示。選取中間道基體和熔覆層連接面的應(yīng)力場(chǎng)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，中間道沿路徑分布的應(yīng)力曲線如圖6 所示。

從圖5 可以看出，最大應(yīng)力值為2490 MPa，出現(xiàn)在第一道末端的基體與熔覆層連接面上。從圖6 可以看出，中間道的最大應(yīng)力值處于熔覆層的端面，最大值為587.47 MPa。熔覆層中間段的應(yīng)力值在325～400 MPa 波動(dòng)，且波動(dòng)較小，平均應(yīng)力值為360 MPa。

圖5 應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.5 Stress distribution diagram

圖6 中間道應(yīng)力分布曲線Fig.6 Middle channel stress distribution curve

4 織構(gòu)對(duì)激光熔覆的影響分析

4.1 織構(gòu)模型建立

織構(gòu)模型尺寸與無(wú)織構(gòu)模型尺寸保持一致，基體模型上表面的織構(gòu)分布如圖7 所示。織構(gòu)的形狀為長(zhǎng)方體，其尺寸設(shè)置為0.8 mm×0.8 mm×0.5 mm。預(yù)置織構(gòu)之后，在織構(gòu)中填滿Ni60A 合金粉末材料，并在基體模型上建立熔覆層，依舊選擇solid70 單元，對(duì)模型進(jìn)行局部細(xì)化網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。由于熔覆層及其附近區(qū)域存在織構(gòu)，即為非規(guī)則體，因此網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，熔覆層網(wǎng)格尺寸為0.0005 mm，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸均為0.001 mm。

4.2 模擬結(jié)果分析

在最優(yōu)熔覆條件下（激光功率800 W、掃描速度20 mm/s、光斑半徑1 mm），采用同樣的熱源模型及邊界條件進(jìn)行三道單層的織構(gòu)熔覆模擬，輸出溫度場(chǎng)分布如圖9 所示。選取每一道基體和熔覆層連接面的起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)，進(jìn)行熔覆層溫度隨時(shí)間變化的研究，各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖10 所示。

從圖10 可以看出，各節(jié)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)與無(wú)織構(gòu)模擬變化趨勢(shì)一致，熔覆過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)最高溫度達(dá)到2150 ℃，且其余節(jié)點(diǎn)溫度均達(dá)到材料的熔點(diǎn)。預(yù)置織構(gòu)熔覆模擬的溫度場(chǎng)分布與無(wú)織構(gòu)模擬的溫度場(chǎng)分布差異并不明顯。

預(yù)置織構(gòu)熔覆模擬輸出應(yīng)力分布如圖11 所示，選取中間道基體和熔覆層連接面的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，中間道沿路徑分布的應(yīng)力曲線如圖12 所示。

圖7 基體織構(gòu)模型圖Fig.7 Matrix texture model diagram

圖8 織構(gòu)模型網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Texture model mesh division diagram

圖9 帶織構(gòu)熔覆溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)分布Fig.9 Temperature distribution diagram of cladding with texture

圖10 帶織構(gòu)熔覆節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Curve of node temperature over time of cladding with texture

圖11 帶織構(gòu)熔覆應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.11 Stress distribution diagram of cladding with texture

圖12 帶織構(gòu)熔覆中間道應(yīng)力分布曲線Fig.12 Curve of middle channel stress distribution of cladding with texture

從圖11 可以看出，最大應(yīng)力值為1440 MPa，相比較于無(wú)織構(gòu)的應(yīng)力最大值2490 MPa，降低了42.17%，且其最大值同無(wú)織構(gòu)模擬的最大值均出現(xiàn)在第一道末端的基體與熔覆層連接面上。從圖12 可以看出，中間道應(yīng)力最大值轉(zhuǎn)移到距離熔覆層末端10 mm 的地方，兩端應(yīng)力值分別為90 MPa 和61.6 MPa。相比較于無(wú)織構(gòu)熔覆模擬的熔覆層兩端應(yīng)力值587.47 MPa和240.29 MPa，分別降低了84.68%和74.36%，熔覆層的應(yīng)力值在61.6～247.59 MPa 波動(dòng)，平均應(yīng)力值為149 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比較于無(wú)織構(gòu)熔覆模擬，預(yù)置織構(gòu)熔覆模擬的平均應(yīng)力值降低了大約58.56%。

4.3 激光熔覆加工試驗(yàn)

熔覆試驗(yàn)采用前文所用基體材料H13 鋼，熔覆層材料為Ni60A 合金粉末，在仿真最優(yōu)熔覆條件（激光功率800 W、掃描速度20 mm/s、光斑半徑1 mm）下，采用同樣熱源模型及邊界條件進(jìn)行無(wú)織構(gòu)及有織構(gòu)激光熔覆加工，測(cè)量熔覆后工件殘余應(yīng)力值并進(jìn)行對(duì)比。殘余應(yīng)力選用加拿大PROTO 公司生產(chǎn)的iXRD型殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量，測(cè)量界面如圖13 所示。

經(jīng)測(cè)量，有織構(gòu)工件的最大應(yīng)力值為1280 MPa，相比較于無(wú)織構(gòu)工件的應(yīng)力最大值2065 MPa，降低了38.02%，有織構(gòu)工件中間道應(yīng)力最大值轉(zhuǎn)移到距離熔覆層末端10 mm 的地方，兩端應(yīng)力值分別為126.52 MPa 和85.6 MPa，相比較于無(wú)織構(gòu)熔覆模擬的熔覆層兩端應(yīng)力值550.32 MPa 和220.19 MPa，分別降低了77.01%和61.13%。有織構(gòu)熔覆層平均應(yīng)力值為198 MPa，相比較于無(wú)織構(gòu)熔覆模擬的平均應(yīng)力值481.22 MPa，降低了大約49.35%。變化趨勢(shì)與模擬仿真相似，證明了基于有織構(gòu)材料表面的激光熔覆對(duì)于降低殘余應(yīng)力的有效性。

圖13 殘余應(yīng)力測(cè)量界面Fig.13 Residual stress measurement interface

5 結(jié)論

1）選取激光功率（800、1000、1200 W）、掃描速度（5、10、20 mm/s）、光斑半徑（0.5、0.75、1 mm）為試驗(yàn)因素，殘余應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交模擬試驗(yàn)，通過(guò)信噪比及極差分析方法確定最優(yōu)熔覆參數(shù)為：激光功率800 W、掃描速度20 mm/s、光斑半徑1 mm。輸出平均殘余應(yīng)力值為360 MPa。

2）極差分析結(jié)果表明，激光功率對(duì)殘余應(yīng)力的影響最為顯著，其次是光斑半徑，掃描速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響最小。

3）針對(duì)基體模型表面預(yù)置尺寸為0.8 mm×0.8 mm×0.5 mm 的長(zhǎng)方體凹坑織構(gòu)，填充Ni60A 合金粉末進(jìn)行激光熔覆模擬，將無(wú)織構(gòu)與預(yù)置織構(gòu)熔覆模擬的溫度及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩次模擬的溫度場(chǎng)差異并不明顯，且模擬過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)溫度均能達(dá)到材料的熔點(diǎn)，順利完成了熔覆過(guò)程。預(yù)置織構(gòu)熔覆模擬輸出的平均殘余應(yīng)力值為149 MPa，相較于無(wú)織構(gòu)模擬的應(yīng)力值，降低了大約58.56%，熔覆試驗(yàn)加工所測(cè)量的殘余應(yīng)力結(jié)果變化趨勢(shì)與仿真相似。

通過(guò)模擬仿真、加工試驗(yàn)及上述總結(jié)可得知，表面預(yù)置織構(gòu)在很大程度上減低了殘余應(yīng)力，減少了裂紋的產(chǎn)生，為改善激光熔覆層的應(yīng)力狀態(tài)提供了一個(gè)有效的新方法。