離焦量對激光熔覆Ni/WC的影響模擬與實(shí)驗(yàn)研究

孫文強(qiáng)，張德強(qiáng)，陳 翔，王 宇

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

激光熔覆是20世紀(jì)新型的再制造技術(shù)，具有基體熱變形小、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢，為冷沖模具制造和修復(fù)技術(shù)提供了新的手段［1-2］。選擇具有良好耐磨性和潤濕性的鎳基粉末混合高硬度和耐磨性的碳化鎢粉末作為冷沖模具刃口修復(fù)的材料可以有效的提高模具修復(fù)區(qū)域的綜合性能，延長使用壽命［3］。使用激光熔覆技術(shù)時，離焦量的變化不僅會改變激光光斑直徑和能量分布，還會對熔池尺寸形貌、溫度場、應(yīng)力場以及熔覆層中的層裂紋和氣孔產(chǎn)生重要影響［4-5］。利用ANSYS 軟件對Cr12MoV 表面制備Ni/WC合金粉末的熔覆層建立有限元模型，對不同的離焦量進(jìn)行瞬態(tài)溫度場動態(tài)模擬，分析不同離焦量對熔覆過程中溫度場以及熔覆后殘余應(yīng)力分布的影響。通過對熔覆層的表面探傷、截面形貌和組織形貌分析對應(yīng)實(shí)驗(yàn)制備出的熔覆層，進(jìn)一步闡述了離焦量對熔覆層質(zhì)量的影響，為激光熔覆工藝提供理論參考。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 基本假設(shè)

針對熔覆過程的特點(diǎn)做出以下假設(shè)：

（1）考慮到基體與熔覆材料的各項(xiàng)同性，利用焓值法計(jì)算材料的相變潛熱，如式（1）所示：

式中：T—溫度（℃）；

t—時間（s）；

ρ—材料密度（kg/m3）；

c—比熱容（J/kg·℃）。

（2）激光熔覆形成過程為非典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，它的熱傳導(dǎo)方程，如式（2）所示：

式中：Q—單位體積熱生成（J/m3）；k—熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mg·℃）。

比如，周末爸爸媽媽花一天時間陪你去戶外或者去游樂場玩，你也可以花半天陪爸爸媽媽去逛逛街。逛街對孩子來說是極其無聊，不管是跟媽媽去逛衣服，還是跟爸爸去逛數(shù)碼產(chǎn)品，但是，爸爸媽媽也不那么喜歡游樂場啊，為了你也照樣去了，你同樣也需要學(xué)習(xí)為了別人去做一些自己不喜歡的事。

（3）激光能量束以高斯面熱源加載到材料表面，熱源能量分布，如式（3）所示：

式中：r—計(jì)算點(diǎn)至光斑中心的距離；

rl—光斑半徑；

pl—激光功率（W）；金屬吸收率η設(shè)置為0.7。

2.2 計(jì)算方法

熔覆層的制備過程是通過生死單元技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，基體材料的單元始終處于“生”的狀態(tài)，熔覆材料設(shè)定的初始狀態(tài)為“死”單元，隨著光源移動，當(dāng)溫度場的計(jì)算結(jié)果達(dá)到熔覆材料設(shè)定的熔點(diǎn)時，則會被激活為“生”的狀態(tài)，形成熔覆層。由于材料的熱物性能的不同，需要將基體和熔覆層分塊建模。熔覆模型是利用CAXA軟件通過逆向?qū)?yīng)的熔覆實(shí)驗(yàn)制備出的熔覆層得到，基體設(shè)定尺寸為（14×7×4）mm。為減少計(jì)算量，基體的網(wǎng)格是沿Y軸（垂直于熔覆方向）以1.1倍的等比量進(jìn)行劃分，熔覆層則是采用更為細(xì)致的（1.5×10-4）mm網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖1所示。

圖1 模型建立與網(wǎng)格劃分Fig.1 Model and Mesh

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

激光熔覆制備熔覆層所生成的內(nèi)應(yīng)力是典型的材料溫度變化形成的熱應(yīng)力，最直觀的缺陷是氣孔與橫向裂紋，因此熱應(yīng)力場需要建立在上述溫度場的基礎(chǔ)上［6］。仿真參數(shù)：激光功率1.2kW，掃描速度2mm?s-1，送粉電壓8V，離焦量12mm（光斑直徑2mm）。已知鎳基粉末熔融溫度為（1450～1455）℃，碳化鎢粉末的反應(yīng)條件為（1550±20）℃。將數(shù)值模擬結(jié)果中高于Ni/WC混合粉末熔點(diǎn)溫度的范圍認(rèn)為是熔寬以及熔深，通過調(diào)整熱源模型的半軸長度使模擬熔池與實(shí)際熔覆熔池形貌相吻合，如圖2所示。利用紅外測溫儀進(jìn)行監(jiān)測，確保溫度場的模擬結(jié)果與對應(yīng)熔覆試驗(yàn)的一致性。模擬激光熔覆各時段溫度場的分布，如圖3所示。圖中可以看出，基體表面的溫度分布呈彗星掃尾狀，最高溫度始終位于激光束中心區(qū)域，并隨著熔覆過程動態(tài)升高。熔覆初期，由于基體的溫度較低，在熱傳導(dǎo)性的作用下，基體表面呈最高溫度較低且區(qū)域性較小，隨著激光能量的持續(xù)作用，基體溫度逐漸升高，熱傳導(dǎo)性相對作用減弱，當(dāng)熔覆進(jìn)行到一定階段時（t=2s），基體表面上的最高溫度和分布范圍開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 熔覆層溫度梯度分布圖Fig.2 Temperature Gradient Profile of Cladding Layer

圖3 溫度場的分布情況Fig.3 Distribution of Temperature Field

由于激光能量為高斯正態(tài)分布，在熔覆過程中會形成動態(tài)的溫度梯度，不同溫度的區(qū)域會引發(fā)不同程度的熱膨脹，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過材料本身的屈服強(qiáng)度時就會導(dǎo)致熔覆層內(nèi)部出現(xiàn)開裂或是基體發(fā)生翹曲變形的現(xiàn)象［7］。將溫度場的計(jì)算結(jié)果作為載荷，通過單元轉(zhuǎn)換將熱應(yīng)力傳遞至模型內(nèi)部，求解Von Mises 殘余應(yīng)力，如圖4（a）所示。最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在熔覆層與基體結(jié)合區(qū)域兩側(cè)，其原因是由于熔覆層與基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，吸收激光能量時此處的溫度梯度差值最大。

為觀測殘余應(yīng)力的分布，選取了3個測試方向，path1以結(jié)合區(qū)域中間處作為起始點(diǎn)，沿Y軸正向分布；path2以結(jié)合區(qū)域中間處沿X軸兩側(cè)分布；path3以熔覆層的表層為起點(diǎn)沿Z軸負(fù)方向分布，各路徑的Von Mises 數(shù)據(jù)，如圖4（b）所示。其中，path1的應(yīng)力呈遞增的趨勢，由于熔覆層與基體間的熱傳遞效應(yīng)，隨著激光能量的不斷輸入對基體末端產(chǎn)生持續(xù)預(yù)熱效果，導(dǎo)致末端區(qū)域的熔覆層的冷卻速率明顯滯后，凝固時會受到基體和已凝固區(qū)域的抑制承受較大的拉應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力值超過材料最大應(yīng)力值時，熔覆層就會出現(xiàn)類似“竹節(jié)”的斷裂現(xiàn)象。沿path2 應(yīng)力呈“M”狀對稱分布，這是由于熔覆層兩側(cè)的冷卻速率較快，溫度梯度的差值較大，而熔覆層內(nèi)部形成的保溫效果使得中心區(qū)域的溫度梯度差值減小，所以應(yīng)力值有所降低。Path3則是因?yàn)椴牧系臒崤蛎浵禂?shù)的不同，導(dǎo)致結(jié)合區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力。

圖4 Von Mises殘余應(yīng)力分布Fig.4 Von Mises Residual Stress Distribution

圖5 不同離焦量下熔覆層溫度場分布圖Fig.5 Temperature of Cladding Layer at Different Defocusing Amount

由于熔覆件的最大殘余應(yīng)力值大多集中于結(jié)合區(qū)域，而path2的殘余應(yīng)力又呈軸對稱式分布，因此沿path2的方式取單側(cè)數(shù)據(jù)對比不同離焦量時殘余應(yīng)力值的分布，如圖6所示。在保證其他熔覆參數(shù)不變的條件下，當(dāng)離焦量為12mm時殘余應(yīng)力最大值為413MPa，臨界于鎳基合金的屈服強(qiáng)度（400MPa），應(yīng)力值伴隨離焦量的增加開始遞增。

圖6 殘余應(yīng)力分布曲線Fig.6 Residual Stress Distribution Curves

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 離焦量對裂紋的影響

在經(jīng)過經(jīng)淬火+回火熱處理工藝的Cr12MoV基材上使用Ni/WC混合粉末進(jìn)行熔覆，在不改變其它熔覆參數(shù)的條件下，按照模擬效果最佳的離焦量（12mm）每隔±1mm做一次試驗(yàn)記錄（共9組單道實(shí)驗(yàn)），離焦量由小至大分別代號S1～S9。實(shí)驗(yàn)后通過表面探傷劑對不同離焦量的熔覆層進(jìn)行著色探傷，進(jìn)一步驗(yàn)證離焦量對熔覆層質(zhì)量的影響，如圖7（a）所示。從圖中可以明顯觀察到不同的離焦量對熔覆層寬度及高度的影響，表面探傷劑的結(jié)果顯示，當(dāng)離焦量大于12mm時表面開始出現(xiàn)裂紋，隨著離焦量的增加，裂紋數(shù)量也逐漸增多。

圖7 不同離焦量制備的熔覆層Fig.7 Cladding Layer with Different Defocus

當(dāng)離焦量低至12mm 以下時熔覆層中并無明顯裂紋，氣孔的數(shù)量及大小也隨著離焦量的降低相對應(yīng)的減少，如圖7（b）所示。結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析，由于光斑直徑會隨著離焦量的增加而變大，致使激光能量相對分散，進(jìn)入到激光束中的熔化的合金粉末增多使得熔覆層累積增高，使得熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生保溫效果，導(dǎo)致粉末吸收能量的時間延長，粉末融化后生產(chǎn)的氣體存留在熔覆層內(nèi)部難以排出進(jìn)而形成氣孔。熔覆層凝固收縮時，基體與熔覆層的材料導(dǎo)熱系數(shù)不同，熔覆層受到基體的約束而形成內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力值超過熔覆層材料的強(qiáng)度時開始出現(xiàn)裂紋，貫穿熔覆層的“倒錐”形貌裂紋也證實(shí)了這一現(xiàn)象。另一方面，由于基材熱變形的存在，基體會在熔覆時產(chǎn)生兩次方向相反的翹曲變形，加重了裂紋的生成［9］。

3.2 熔覆層金相組織分析

通過觀察熔覆層的金相組織可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離焦量小于13mm（S6）時，熔覆層與基體之間會形成一條較為明顯的“白色光亮帶”，這是由于離焦量增減小導(dǎo)致激光束能量分布較為集中，透過熔覆層激光能量能夠?qū)⒒w材料過多的熔解與合金粉末在液態(tài)下混合，基體中的Fe 元素在此處向熔覆層內(nèi)部擴(kuò)散，合金粉末內(nèi)的Ni、W、B、Si等元素沉積于基體之中，形成了一條較寬的過渡帶［10］。過渡帶的產(chǎn)生會形成一定的性能梯度，不僅能夠抑制裂紋擴(kuò)展，當(dāng)熔覆層受到?jīng)_擊或剪切力時也保證了熔覆層與基材的牢固性。但過渡帶產(chǎn)生意味著基體受到熱影響的區(qū)域范圍擴(kuò)大，對基體的性能有著一定程度的影響，而且過多的基材元素?cái)U(kuò)散到熔覆層中容易導(dǎo)致熔覆層組織性能的降低。過渡帶的形貌能夠反映熔覆層性能變化，當(dāng)離焦量為12mm（S5）時，過渡帶的寬度適中且組織分布均勻，能夠保證結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)揮熔覆層性能的優(yōu)勢，如圖8所示。

圖8 熔覆層結(jié)合區(qū)域形貌Fig.8 Microstructure of Bonding Regions of Cladding Layer

4 結(jié)論

（1）通過與熔覆層截面形貌的對比矯正了熱原模型，利用生死單元技術(shù)模擬不同離焦量條件下的熔覆過程，將溫度場以及殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與對應(yīng)實(shí)驗(yàn)的比較，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

（2）Von Mises殘余應(yīng)力分布曲線可以看出，path 1的殘余應(yīng)力值呈遞增的趨勢，path 2 的殘余應(yīng)力呈“M”狀的對稱分布，path 3則是在熔覆層和基體結(jié)合區(qū)域容易形成應(yīng)力集中。

（3）離焦量低至12mm 以下時熔覆層中并無明顯的缺陷，隨著離焦量的增加，熔覆層內(nèi)部開始出現(xiàn)大量的氣孔和貫穿熔覆層的“倒錐”形貌的裂紋。

（4）當(dāng)離焦量低于13mm（S6）時熔覆層與基體之間會形成一條“過渡帶”，過渡帶的形成不僅保證了熔覆層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，還能在一定程度上抑制了裂紋的擴(kuò)展。