激光熔覆IN718合金溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬*

黃國(guó)順 金康寧 陳 平

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京 100083)

水泵葉輪葉片大多采用316L不銹鋼制造，服役在礦井等惡劣工況環(huán)境中易空化空蝕、排水腐蝕以及沖蝕磨損，嚴(yán)重影響了水泵的使用壽命[1-3]。復(fù)雜工況環(huán)境對(duì)葉片表面的耐腐蝕性、耐磨性和疲勞強(qiáng)度等特性均提出更高的要求。激光熔覆技術(shù)因其稀釋率低、結(jié)合牢固及綠色無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油鉆探、生物醫(yī)學(xué)、礦山機(jī)械等領(lǐng)域[4-6]。為滿(mǎn)足葉片表面性能的需求多樣性，采用激光熔覆技術(shù)在葉片表面制備IN718耐磨涂層，可有效增加葉片使用壽命。

由于快速的凝固過(guò)程和基材與涂層間的熱物性參數(shù)差異，熔覆過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的萌生及基板的變形[7]。因此，研究殘余應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。激光熔覆冷卻速率極高(104～106K/s)，熔覆過(guò)程中的熔池溫度、涂層應(yīng)力、組織相變過(guò)程難于觀察，且實(shí)驗(yàn)研究存在成本高昂、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[8-9]。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為激光熔覆過(guò)程中復(fù)雜的物理化學(xué)變化規(guī)律研究提供了可靠的數(shù)值模擬途徑。VUNDRU等[10]通過(guò)熱力耦合模型表征了涂層沿橫截面的殘余應(yīng)力演變，并且確定了對(duì)應(yīng)于減輕拉伸殘余應(yīng)力的最佳工藝條件。TAMANNA等[11]通過(guò)解析模型研究不同材料熔覆涂層的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明預(yù)熱溫度和彈性模量是影響殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。石立開(kāi)等[12]通過(guò)仿真得出，激光增材制造薄壁件的最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在涂層與基板的結(jié)合處?，F(xiàn)有研究中對(duì)葉片等薄片類(lèi)零件的熔覆涂層研究較少，尤其是對(duì)水泵葉輪葉片熔覆涂層的殘余應(yīng)力缺乏相關(guān)研究。

本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)在316L不銹鋼基板上熔覆Inconel718(IN718)合金粉末，研究工藝參數(shù)對(duì)涂層幾何形貌的影響，獲取合理的工藝參數(shù)；對(duì)所得到的單道涂層進(jìn)行數(shù)值模擬，研究激光熔覆涂層溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。該研究拓寬了修復(fù)和強(qiáng)化316L不銹鋼可用熔覆材料的選擇范圍，為后續(xù)基于實(shí)際工業(yè)中多層多道激光熔覆的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 熔覆試樣的制備與表征

基板材料選用316L不銹鋼，尺寸為30 mm×30 mm×5 mm；熔覆材料為IN718合金粉末，表1列出了實(shí)驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分。

表1 316L不銹鋼和INl718合金化學(xué)成分

使用RF-J1500高速熔覆設(shè)備制備涂層，激光熔覆示意圖如圖1所示[13]。根據(jù)前期涂層成型及良好表面形貌的探索性實(shí)驗(yàn)，為結(jié)合實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，文中研究的激光熔覆工藝參數(shù)主要考慮激光功率、送粉量和掃描速度，具體數(shù)值見(jiàn)表2。將試樣沿熔覆涂層橫截面切割，經(jīng)過(guò)研磨、拋光、10%草酸溶液電侵蝕后，在XYH-4A體式顯微鏡下觀察并測(cè)量熔覆涂層的寬度W、高度H、深度h(見(jiàn)圖1)。根據(jù)涂層高度和深度，計(jì)算熔池稀釋率η(η=h/(H+h))，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 激光熔覆及涂層形貌測(cè)量示意[13]

表2 激光熔覆實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

2 有限元模擬

2.1 控制方程及熱源模型

采用有限元法模擬IN718合金粉末在316L不銹鋼基板上的熔覆過(guò)程，分析熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演變過(guò)程。針對(duì)該研究對(duì)象特點(diǎn)，進(jìn)行以下基本假設(shè)：(1)工件連續(xù)且均勻，忽略材料內(nèi)部孔隙、裂紋及其他缺陷對(duì)材料熱物性參數(shù)的影響；(2)熱源的輸入功率穩(wěn)定，不隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)；(3)熱輻射系數(shù)和激光吸收率均勻穩(wěn)定，不隨溫度和工件狀態(tài)變化；(4)固液兩相區(qū)界面、涂層與基板界面均為連續(xù)介質(zhì)，忽略界面熱阻對(duì)傳熱的影響；(5)忽略熔池內(nèi)部液體的流動(dòng)和攪拌作用對(duì)傳熱的影響。

激光熔覆過(guò)程中的傳熱過(guò)程可用傳熱方程進(jìn)行描述[14-15]，即

(1)

式中：Q為內(nèi)熱源；ρ為材料密度；C為材料的比熱容；T為熱力學(xué)溫度；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

為求解該方程，需要明確初始條件和邊界條件。激光熔覆初始條件為已知初始時(shí)刻的溫度分布，即

T|Γ1=T(x,y,z,t)

(2)

式中：t為時(shí)間;Γ1為熔池邊緣;x、y、z為激光點(diǎn)坐標(biāo)。

此外，需要求解粉末與媒介接觸處的溫度和換熱系數(shù)(如式(3)所示)以及粉末邊界、基板邊界與環(huán)境發(fā)生的輻射作用[16-17](如式(4)所示)。

(3)

(4)

式中：kx、ky、kz分別表示x、y、z方向的熱導(dǎo)率；nx、ny、nz為邊界外法線(xiàn)的方向余弦；Γ2和Γ3分別為對(duì)流邊界和輻射邊界；α為對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為環(huán)境溫度；ε為輻射系數(shù)；σSB為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

邊界條件應(yīng)該滿(mǎn)足式(5)。

Γ1+Γ2+Γ3=Γ

(5)

式中：Γ為域內(nèi)全部邊界。

基于圓形激光熱源對(duì)熔池的對(duì)流作用及熱源的移動(dòng)速率，模擬仿真采用雙橢球體熱源的加熱方式。雙橢球熱源模型是在高斯面熱源模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮金屬粉末對(duì)激光能量吸收的體熱源模型。該模型使用2個(gè)具有相同短軸但不同長(zhǎng)軸的半橢球體來(lái)近似描述。如圖2所示，其表達(dá)式[18]為

圖2 雙橢球高斯熱源模型

q(x,y,z)=

(6)

式中：A為金屬粉末對(duì)激光的吸收率；P為激光功率；ar、af、b、c分別代表雙橢球模型在不同方向的半軸長(zhǎng)；x、y、z為激光點(diǎn)坐標(biāo)。

采用Simufact Welding有限元軟件基于生死單元法對(duì)激光熔覆加工過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，整個(gè)過(guò)程采用順序熱力耦合有限元模型，求解過(guò)程分為兩步。首先計(jì)算涂層的溫度場(chǎng)，再將得到的各節(jié)點(diǎn)溫度作為熱載荷加載到應(yīng)力模型中，計(jì)算得到應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而獲得殘余應(yīng)力的分布。

2.2 材料熱物性參數(shù)及仿真模型

有限元計(jì)算中所用到的316L不銹鋼和IN718合金的熱物性參數(shù)如表3和圖3所示，包括熔化潛熱、固相線(xiàn)和液相線(xiàn)、泊松比、密度、熱導(dǎo)率，以及不同溫度下的比熱容、彈性模量、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。仿真模型如圖4所示，為提高仿真速度的同時(shí)保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)涂層以及涂層附近的基板進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

表3 316L不銹鋼和INl718合金熱物性參數(shù)

圖3 熔覆材料的熱物理性能參數(shù)曲線(xiàn)

圖4 激光熔覆有限元模型

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝參數(shù)對(duì)熔覆涂層宏觀形貌的影響

激光功率對(duì)激光熔覆IN718合金涂層的尺寸及其稀釋率的影響如圖5所示?？芍弘S著激光功率增加，涂層的寬度、高度和稀釋率均有所提高，當(dāng)激光功率從750 W增加到1 050 W時(shí)(即激光功率增加40%)，涂層寬度增加12.7%，涂層高度增加9.9%，稀釋率增加8.2%。在送粉量和激光掃描速度一定的情況下，激光功率增大使得單位體積熔池內(nèi)的激光能量增加，從而導(dǎo)致涂層寬度和深度的增加，因此稀釋率隨之增大；同時(shí)激光功率的增大也使得線(xiàn)能量密度增加，粉末利用率隨之增大，涂層高度也有所增大。相比之下激光功率對(duì)涂層寬度的影響呈較為明顯的正相關(guān)性。

圖5 激光功率對(duì)涂層尺寸及稀釋率的影響(送粉量13.84 g/min,掃描速度5 mm/s)

送粉量對(duì)熔覆涂層的尺寸及其稀釋率的影響如圖6所示?？芍寒?dāng)送粉量從13.84 g/min增加到18.99 g/min時(shí)(即送粉量增加37.2%)，涂層寬度增加2.9%，涂層高度增加43.5%，稀釋率減小24.2%。由于送粉量的增加，使得單位時(shí)間內(nèi)熔池內(nèi)部熔化的粉末體積有所增加，從而增加了涂層的寬度和高度；同時(shí)送粉量的增加提高了激光能量的利用率，更多的激光能量用于熔化粉末，到達(dá)基板的激光能量有所減小，從而涂層深度有所降低，稀釋率隨之減小。相比之下，送粉量對(duì)涂層高度的影響呈較為明顯的正相關(guān)性，對(duì)稀釋率的影響呈負(fù)相關(guān)性。

圖6 送粉量對(duì)涂層尺寸及稀釋率的影響(激光功率1 050 W，掃描速度7 mm/s)

掃描速度對(duì)熔覆涂層尺寸及稀釋率的影響如圖7所示?？芍寒?dāng)掃描速度從5 mm/s增加到7 mm/s時(shí)(即激光掃描速度增加40%)，涂層寬度減小8%，涂層高度減小44.4%，稀釋率增加59.7%。由于激光掃描速度的增加使得線(xiàn)能量密度減小，單位時(shí)間單位體積熔池內(nèi)的激光能量降低，在激光功率和送粉量一定的情況下熔化的粉末體積減小，從而涂層寬度和高度有所減?。挥捎谧饔糜诜勰┑募す饽芰繙p小，所以穿過(guò)粉末到達(dá)熔池底部的能量增加，使得涂層深度增加，導(dǎo)致了稀釋率的增加。相比之下，激光掃描速度對(duì)稀釋率的影響呈較為明顯的正相關(guān)性，對(duì)涂層高度的影響呈較為明顯的負(fù)相關(guān)性。

圖7 掃描速度對(duì)涂層尺寸及稀釋率的影響(激光功率1 050 W，送粉量16.48 g/min)

圖8所示為按表1中參數(shù)制備的8種激光熔覆涂層試樣的表面宏觀形貌。1#試樣的激光功率為750 W，由于激光功率較低，導(dǎo)致熔覆粉末不能夠完全熔化，使得涂層表面較為粗糙甚至出現(xiàn)凹坑缺陷；3#～8#試樣的激光功率為1 050 W，由于激光功率較大，輸入的線(xiàn)能量密度較大，在基板邊緣處出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，使得熔覆涂層呈扁平狀。2#試樣的激光功率為900 W，送粉量為13.84 g/min，掃描速度為5 mm/s，涂層表面形貌較好。因此，以2#試樣的形貌參數(shù)建立幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究。

圖8 激光熔覆涂層試樣表面形貌

3.2 熔覆涂層溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

以2#試樣為例進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，整個(gè)模擬計(jì)算時(shí)間為1 000 s，其中掃描時(shí)間為6 s，其余時(shí)間為冷卻時(shí)間，基板初始溫度為室溫22 ℃。圖9對(duì)比了模擬涂層橫截面熔池形貌與實(shí)際涂層橫截面熔池形貌，結(jié)果表明仿真模型尺寸與實(shí)際熔池尺寸吻合較好，熔池最大尺寸誤差為5.2%，可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖9 涂層幾何形貌實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

激光熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)如圖10所示。在激光掃描過(guò)程中，熔池溫度分布從俯視方向看呈“拖尾”的彗星狀，從截面方向看呈勺狀，中心高溫區(qū)域基本對(duì)應(yīng)激光作用位置。由于激光的移動(dòng)速度相對(duì)于傳熱的速度較快，使得熔池前端溫度梯度最大，熔池尾部溫度梯度較小，因此，熔池在基板表面為橢圓形分布。

圖10 激光熔覆過(guò)程溫度場(chǎng)分布

熔池峰值溫度隨時(shí)間的變化如圖11所示。在激光作用的初期，熔池內(nèi)溫度迅速升高，隨著激光能量的持續(xù)輸入，熔池最高溫度升高。當(dāng)熔覆進(jìn)行到一定階段時(shí)，基板和涂層通過(guò)表面輻射、對(duì)流等方式散失的熱量與吸收激光束的熱量基本保持平衡，細(xì)長(zhǎng)的橢圓形溫度場(chǎng)輪廓基本穩(wěn)定，這種狀態(tài)下的溫度場(chǎng)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，溫度穩(wěn)定于2 700 ℃左右。

圖11 激光熔覆過(guò)程中熔池最高溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

3.3 熔覆涂層應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

為研究不同位置處殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，選取基板上表面中間位置沿平行X方向的直線(xiàn)AB、基板正中間沿平行Z方向從涂層表面到基板的直線(xiàn)EF，以及涂層表面凸起最高處沿平行Y方向的直線(xiàn)CD3條路徑進(jìn)行研究。3條路徑位置示意圖如圖12所示，3條路徑的等效應(yīng)力和不同方向的應(yīng)力分量如圖13所示。其中，圖13(a)中虛線(xiàn)表示涂層寬度X坐標(biāo)線(xiàn)，圖13(b)中虛線(xiàn)表示涂層與基板結(jié)合處Z坐標(biāo)線(xiàn)。

圖12 路徑位置示意

圖13 圖12中3條路徑上的殘余應(yīng)力分布

路徑AB的殘余應(yīng)力分布如圖13(a)所示?？梢钥闯觯鱾€(gè)方向的正應(yīng)力和等效應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布在涂層兩側(cè)。由于激光熔覆過(guò)程中溫度變化極快的特性，使得激光附近的溫度梯度值較高，導(dǎo)致熱源附近應(yīng)力較大。在各個(gè)方向的正向應(yīng)力分布中，Y方向的應(yīng)力峰值最大，分布在基板與涂層結(jié)合處，以拉應(yīng)力為主。在激光熔覆過(guò)程中，涂層經(jīng)歷迅速升溫熔化到快速冷卻收縮這一過(guò)程，由于遠(yuǎn)離涂層的基板溫度變化較小，收縮變化量較小，所以基板會(huì)阻礙涂層及涂層附近基板的收縮過(guò)程，因此在Y方向上就形成了涂層與距離涂層較近處的基板處于拉應(yīng)力狀態(tài)，與涂層較遠(yuǎn)處的基板處于壓應(yīng)力狀態(tài)。熔覆涂層寬度有限，所以涂層兩側(cè)沿X方向的殘余應(yīng)力值相對(duì)較?。换搴穸容^小，且基板在厚度方向上沒(méi)有受到任何限制，可以自由伸縮，因此沿Z方向的應(yīng)力值最小。由圖13(a)中應(yīng)力的分布規(guī)律可知，基板殘余應(yīng)力主要受溫度場(chǎng)的影響。

路徑EF的殘余應(yīng)力分布如圖13(b)所示?？芍?，X方向正應(yīng)力分量在靠近涂層表面位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力?；迳媳砻姹憩F(xiàn)為沿X方向的拉應(yīng)力，在基板中間部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在靠近基板底部位置表現(xiàn)為拉應(yīng)力。涂層冷卻過(guò)程中，涂層散熱條件比處于基板內(nèi)部的熱影響區(qū)散熱條件好，涂層冷卻凝固速度快，在基板冷卻過(guò)程中基板上表面X方向的拉應(yīng)力引起基板發(fā)生“翹曲”變形，如圖14所示，變形對(duì)涂層X(jué)方向產(chǎn)生壓縮，使得涂層表面產(chǎn)生X方向的壓應(yīng)力，基板下表面產(chǎn)生X方向的拉應(yīng)力。等效應(yīng)力從涂層表面到基板內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)值在基板表面處呈現(xiàn)小范圍驟變現(xiàn)象，主要是由于基板材料和涂層材料熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致；同時(shí)，該現(xiàn)象也是導(dǎo)致激光熔覆熔合區(qū)容易出現(xiàn)裂紋的主要原因。因此，分析可得涂層殘余應(yīng)力的主要影響因素有2個(gè)，分別是溫度場(chǎng)以及2種材料的熱膨脹系數(shù)差。基板的熱膨脹系數(shù)與涂層材料的熱膨脹系數(shù)有所差異，涂層和基板在加熱膨脹后的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的收縮，這一因素導(dǎo)致了涂層表面與基板表面最大殘余應(yīng)力值不相等，對(duì)涂層與基板的結(jié)合強(qiáng)度有所影響。

圖14 激光熔覆常溫下變形云圖

路徑CD的殘余應(yīng)力分布如圖13(c)所示。可以看出，涂層表面殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為沿Y方向的拉應(yīng)力，這可歸因于涂層長(zhǎng)度隨著激光熔覆進(jìn)行增加，累積了抗變形性，導(dǎo)致沿Y方向的拉應(yīng)力數(shù)值較大；同時(shí)，在涂層起始和末尾處，由于處于基板邊緣處，涂層Y方向受到的約束力較小，因此，Y方向正應(yīng)力分量較小。由于基板兩側(cè)“翹曲”受到的阻礙較小，變形更為明顯，所以涂層首尾處X方向壓應(yīng)力值較大。另外，圖13(c)中涂層表面的等效應(yīng)力和圖13(a)中與涂層結(jié)合部分基板的等效應(yīng)力基本一致，可判斷涂層內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，316L和IN718在激光熔覆過(guò)程中實(shí)現(xiàn)較好的冶金結(jié)合。

4 結(jié)論

(1)激光熔覆過(guò)程中，各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)涂層形貌的影響規(guī)律均不同，激光功率的變化主要影響試樣表面的激光能量，從而影響涂層寬度，激光功率對(duì)涂層寬度的影響呈正相關(guān)性；送粉量和掃描速度的變化主要影響熔池內(nèi)的熔化粉末量，送粉量對(duì)涂層高度的影響呈負(fù)相關(guān)性，掃描速度對(duì)涂層高度的影響呈正相關(guān)性。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中，900 W的激光功率能夠在熔化較多粉末的情況下不燒蝕基板，且當(dāng)送粉量為13.84 g/min、掃描速度為5 mm/s時(shí)，涂層表面成形良好，沒(méi)有產(chǎn)生缺陷，可得到表面形貌與質(zhì)量較好的涂層。

(3)溫度場(chǎng)中熔池出現(xiàn)“彗尾”現(xiàn)象，激光熱源前端的溫度梯度大，熱源后端的溫度梯度小，遠(yuǎn)離涂層的基板溫度變化較小，熔池輪廓與實(shí)際涂層的形貌特征基本吻合，熔池峰值溫度穩(wěn)定于2 700 ℃左右。

(4)基板上的最大殘余應(yīng)力為沿掃描方向的拉應(yīng)力，對(duì)稱(chēng)分布在涂層兩側(cè)涂層與基板結(jié)合處，基板上表面垂直于掃描方向的拉應(yīng)力是引起基板變形的主要原因，基板材料和熔覆材料熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致涂層與基板結(jié)合處的應(yīng)力出現(xiàn)小范圍的驟變，是影響涂層與基板結(jié)合強(qiáng)度的另一原因。

(5)基于涂層及基板在各個(gè)方向殘余應(yīng)力值不同和殘余應(yīng)力主要受溫度場(chǎng)影響的研究結(jié)果，在后續(xù)多道多層激光熔覆中可采用熔覆路徑規(guī)劃，以避免同一方向應(yīng)力集中過(guò)大或基板上溫度分布不均勻?qū)е聭?yīng)力突變的現(xiàn)象，從而達(dá)到減小殘余應(yīng)力的目的。