艾金山，李必文，程 強(qiáng)，何 彬，周 炬

（1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.衡陽(yáng)技師學(xué)院 機(jī)械工程系，湖南 衡陽(yáng)421101；3.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

以鈷基合金作為核級(jí)閥門(mén)密封面材料可滿(mǎn)足耐沖蝕、耐腐蝕、耐擦傷、耐磨損和高溫紅硬性的工況要求，可實(shí)現(xiàn)高安全性和可靠性。鈷基合金的高溫性能較鎳基合金更好，很適于采用激光熔覆。研究表明，采用鈷基合金粉末對(duì)核閥密封面進(jìn)行激光熔覆時(shí)，熔覆道截形常呈半月形，如圖1 所示。熔覆層由表及里存在硬度梯度，環(huán)形密封面熔覆道出現(xiàn)失圓和不平整的現(xiàn)象[1～3]。既要保證機(jī)在加工后得到足夠?qū)挼拿芊饷娉叽纾忠欣硐氲谋砻嬗捕戎蹬c之匹配，還要節(jié)約昂貴的鈷基合金粉末，是核閥表面工程工作者亟待解決的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)材料與工藝

試件基體材料為0Cr18Ni12Mo3Ti 奧氏體不銹鋼，化學(xué)成份（Wt%）為：C燮0.08，Si燮1.00，Mn燮2.00，S燮0.03，P燮0.035，Cr16～19，Ni11～14，Ti5 (C%－0.02)～0.80，Mo2.5～3.5，閥體零件如圖2 所示，試樣據(jù)閥體零件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)制作；自熔性合金粉末為長(zhǎng)沙礦冶粉末冶金研究所研發(fā)的FCo-5，其化學(xué)成份（Wt%）及各元素的比熱容、熔化潛熱如表1 所列；粘結(jié)劑為2123 粉醛樹(shù)脂粉，用分析醇稀釋調(diào)合；激光加工機(jī)為T(mén)J-HT-T5000 型5 kw 橫流CO2激光器，多模輸出；試件由多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)。粉末加入方法為預(yù)涂敷，在等厚度熔覆試驗(yàn)中，根據(jù)覆層高度在2~2.5 mm 范圍內(nèi)，進(jìn)行預(yù)涂敷厚度的調(diào)整，在預(yù)涂層風(fēng)干后，緩升至390~410 ℃，保溫1.5 h；矩形光斑尺寸a×b=5×4 mm，光斑與工件的位置按圖3 調(diào)節(jié)，以保證功率利用率。單道掃描，由于基于環(huán)形密封面熔覆道易失圓，試樣密封面寬度單邊放了0.3~1 mm的機(jī)加工余量；激光加工工藝規(guī)準(zhǔn)為：激光功率P=2 800~3 200 w，掃描速度。

表1 FCo-5 粉末的成份及各元素的比熱容、熔化潛熱

圖1 熔覆道截形示意圖

圖2 閥體零件圖

圖3 光斑與工件的位置調(diào)節(jié)

圖4 激光熔覆結(jié)合區(qū)組織×1 000

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)處理

2.1 熔覆道截形曲率半徑數(shù)學(xué)模型的建立

圖4 為得到良好冶金結(jié)合的某試樣的金相圖，其熔覆道截形體視圖如圖5 所示,呈半月形。用大型工具顯微鏡對(duì)該截形輪廓進(jìn)行測(cè)量，以CAXA-WEDM 軟件對(duì)測(cè)量所得系列特征點(diǎn)進(jìn)行0.2 mm精度下的單圓弧曲線擬合，即可得到該試樣熔覆道截形的曲率半徑，如圖6 所示。將所有試樣熔覆道截形的曲率半徑作為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型正確性的依據(jù)。

圖5 熔覆道截形體視圖

圖6 熔覆道截形輪廓的單圓弧曲線擬合

文獻(xiàn)[4]提出了基于同軸送粉方法的熔覆道截形曲率半徑數(shù)學(xué)模型：

式中，

T0為熔池原始溫度;

Tf為熔池最高溫度;

Cp為熔覆材料的比熱;

L 為熔覆材料的熔化潛熱;

ν 為工件移動(dòng)速度即掃描速度;

ρp為粉末的當(dāng)量實(shí)體密度;

f 為熔覆材料對(duì)激光的吸收系數(shù);

P 為激光功率。

該公式未能說(shuō)明P 為激光器輸出的總功率還是僅用于熔覆層的能量，而實(shí)際上加熱基體達(dá)到表面熔化所需能量會(huì)比熔化粉末層所需能量大得多[5]。另外，通常認(rèn)為，由于同軸送粉時(shí)激光可以直接照射到基體和粉末，粉末熔化時(shí)吸收系數(shù)高，熔化后的覆層表面吸收系數(shù)也高，所以送粉法所需的能量比預(yù)涂覆法要小。有基于此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)式（1）進(jìn)行了必要的修正，以保證其適用性。

加權(quán)考慮預(yù)涂覆粉末熔化時(shí)的吸收系數(shù)及粉末熔化后的覆層表面吸收系數(shù)，取熔覆材料對(duì)激光的吸收系數(shù)f 為0.55；按加熱單位面積基體達(dá)到表面熔化所需能量的計(jì)算值，將激光器輸出的總功率按比例合理分配到粉末和基體，約為0.148:0.852，即式（1）中的P 修正為k1P = 0148P，單位為w；T0按預(yù)熱溫度取為400 ℃，Tf經(jīng)紅外測(cè)溫儀測(cè)得為2 600 ℃；Cp為自熔性鈷基合金粉末FCo-5 的定壓比熱容，采用加權(quán)平均法公式Cp = （M1C1+M2C2+…+MnCn）/（M1+M2+…+Mn）計(jì)算，得Cp為453.12 J/kg.k；同理，熔化潛熱L 為502.70 J/g；ρp取為8.2 g/cm3。

基于預(yù)涂覆法的熔覆道截形曲率半徑數(shù)學(xué)模型為：

以圖5 試件為例，當(dāng)P=3 000 w，ν=2.8 mm/s 時(shí)，在0.2 mm 精度下擬合出的單圓弧半徑為2.69 mm，而按式（2）的計(jì)算值為2.61 mm，相對(duì)誤差僅為2.97%。本實(shí)驗(yàn)對(duì)10個(gè)試樣的熔覆道截形輪廓進(jìn)行了數(shù)學(xué)處理，相對(duì)誤差在3.6%以?xún)?nèi)。

2.2 顯微硬度分布曲線數(shù)學(xué)模型的建立

用HXD-1000B 型維氏顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層、結(jié)合層及基體熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，基于各試樣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到圖7 細(xì)實(shí)線所示的顯微硬度分布曲線。為使所建模型精確且具實(shí)用價(jià)值，本研究采用二維曲線擬合與經(jīng)驗(yàn)公式查找軟件TableCurve 2D，綜合考查了1.94 mm 等厚度熔覆時(shí)，基體以上顯微硬度分布曲線各擬合結(jié)果的剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差、相關(guān)指數(shù)、連續(xù)性、光滑性、保形性及擬合誤差等因素，得到了迭代擬合的標(biāo)準(zhǔn)有理式數(shù)學(xué)模型：

式中，

H 為維氏硬度值；

h1為機(jī)加工切除的圓弧弓高尺寸。

基體以上顯微硬度分布擬合曲線，如圖7 所示虛線。

圖7 顯微硬度分布曲線及其基體以上部分的擬合曲線

3 覆層截形與顯微硬度關(guān)系調(diào)控的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

進(jìn)行覆層截形與顯微硬度關(guān)系的調(diào)控，是為了機(jī)加工在切除圓弧弓高尺寸h1及密封面寬度余量2δ 后（參見(jiàn)圖1），得到所需的理想表面硬度值H，且熔覆粉末材料用量最省。

對(duì)熔覆道截形建立曲率半徑的數(shù)學(xué)模型后，其截面積s 與曲率半徑ra、熔覆道工藝寬度l 的關(guān)系為：

其中，l 為密封面最終寬度l0加雙邊機(jī)加工余量2δ，且基于熔覆厚度h0與激光功率成正比、與掃描速度成反比的事實(shí)，可建立關(guān)系式：

在h0=1.94 mm 等厚度熔覆的條件下，已知k1=0.148，可求得k1=0.012。

由于ra、h0均為P、ν 的函數(shù)，故可認(rèn)為：

h1與l0、ra的關(guān)系為故可認(rèn)為：

又因h1與H 有式（3）的關(guān)系，故可認(rèn)為：

綜合以上關(guān)系，本優(yōu)化問(wèn)題可歸結(jié)為有約束非線性最優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)為熔覆道截面積s，設(shè)計(jì)變量為激光功率P 及掃描速度ν，且均可為連續(xù)變量。描述為：

利用MATLAB 最優(yōu)化工具箱進(jìn)行求解。運(yùn)行程序，動(dòng)態(tài)給定l0的值之后，可得到目標(biāo)函數(shù)s →min時(shí)，l、P、ν、h0、ra、s、H 的值。由于閥門(mén)閥體密封面與閥蓋密封面應(yīng)存在合理的硬度差，所以H 即f5（P，ν)的上、下限可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)調(diào)整確定。本研究?jī)?yōu)化程序是按輸入密封面的洛氏硬度值而編制的，以免除人工換算成維氏值的麻煩；H 的HRC 值范圍可在源程序中更改，亦允許動(dòng)態(tài)給定。例如當(dāng)輸入l0=3 mm時(shí)，得到的優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

表2 優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出在對(duì)核閥密封面進(jìn)行鈷基合金粉末激光熔覆時(shí)，密封面熔覆道寬度一定要設(shè)計(jì)工藝尺寸。在建立熔覆道截形曲率半徑的數(shù)學(xué)模型、熔覆層顯微硬度梯度分布的數(shù)學(xué)模型及理清密封面幾何參數(shù)、機(jī)械性能參數(shù)與激光加工參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了等厚度熔覆條件下粉末用量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了覆層截形與顯微硬度關(guān)系的調(diào)控。這對(duì)于激光熔覆的研究和生產(chǎn)具有一定的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

[1]閆毓禾，鐘敏霖. 高功率激光加工及其應(yīng)用[M]. 天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2]鄭啟光，等. 激光熱加工[M]. 武漢:華中理工大學(xué)出版社，1995.

[3]李必文，石世宏. 激光熔覆化工閥門(mén)的實(shí)驗(yàn)與質(zhì)量控制研究[J].熱加工工藝，2000，(1):30-31.

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[5]路有勤，郭 偉.激光熔覆溫度場(chǎng)的研究現(xiàn)狀[J].山西機(jī)械，1999，(3):36-38.