孫越 張兆林 劉欣 牛安平 楊堅(jiān) 盧茂奇 韓立梅

摘要：基于ANSYS生死單元技術(shù)，建立了多層激光熔覆三維有限元分析模型，獲得多層激光熔覆溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，同時(shí)分析預(yù)熱溫度對(duì)激光熔覆熱循環(huán)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，平行于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)加熱速度較快，降溫速度緩慢;垂直于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)，距離熔覆層中心越近，加熱速度和冷卻速度越大。y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度;熱輸入保持不變時(shí)，隨著預(yù)熱溫度的升高，加熱速度變化較小，峰值溫度升高，相變溫度以上停留時(shí)間變長(zhǎng)，但高溫停留時(shí)間變化不大。預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)，t8/5約為未預(yù)熱下的3.2倍，預(yù)熱可以減小熔覆層開(kāi)裂傾向，有效降低涂層應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;溫度場(chǎng);ANSYS生死單元;預(yù)熱;殘余應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0061-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.11

0 ? ?前言

目前激光熔覆技術(shù)在表面工程、機(jī)械修復(fù)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。它是利用高能束熱源同時(shí)對(duì)熔覆材料和基體表面進(jìn)行加熱熔化，并快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)熔覆層與基體的冶金結(jié)合[2]。激光熔覆涂層的性能取決于熔覆材料，常見(jiàn)的熔覆材料有鐵基、鈷基、鎳基以及陶瓷粉末等。由于熔覆過(guò)程中熔覆材料和基體材料之間存在著巨大的熱物性差異，因此熔覆層制備過(guò)程中極易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這也是導(dǎo)致熔覆層開(kāi)裂的直接原因[3-4]，限制了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。殘余應(yīng)力主要來(lái)自熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力，其中熱應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)作用，熱應(yīng)力是當(dāng)材料受熱或冷卻時(shí)因材料的溫度梯度造成的。因此，研究熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)對(duì)控制熔覆層的開(kāi)裂具有重要的意義。

文中采用ANSYS“ 生死單元 ”技術(shù)研究了多層激光熔覆溫度場(chǎng)中節(jié)點(diǎn)熱循環(huán)和溫度梯度的變化規(guī)律，分析了預(yù)熱溫度對(duì)熔覆熱循環(huán)的影響，旨在為激光熔覆成形工藝提供理論基礎(chǔ)與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 建立模型

1.1 熔覆材料的物理參數(shù)及熔覆工藝參數(shù)

模擬過(guò)程中選取12Cr1MoV鋼為基體材料，316L不銹鋼為涂層材料，與溫度變化相關(guān)的參數(shù)（線膨脹系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)）如表 1所示。其他參數(shù)為：激光功率1 000 W，激光半徑1.5 mm，掃描速度4 mm/s，吸收系數(shù)0.6，初始溫度20 ℃。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

目前主要的熱源模式包括Rosonthal解析模式、高斯函數(shù)的熱流分布、半球狀熱源分布函數(shù)、橢球形熱源分布函數(shù)和雙橢球形熱源分布函數(shù)[5]。高斯分布熱源具有中間能量高而邊緣能量低的分布特點(diǎn)，與實(shí)際熔覆過(guò)程中的熱源近似相同，因此文中采用高斯熱源作為熱源模型，如圖1所示。

距離熱源中心任意一點(diǎn)的熱源密度為

q （r）=qmexp （-3r2/R2）

熔覆過(guò)程中加熱溫度高、高溫停留時(shí)間短、冷卻速度快，隨著熱源的移動(dòng)，溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空間劇烈變化。因此，材料的熱物理性能隨溫度劇烈變化，其熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程為：

式中 ρ、c和λ分別為材料的密度、比熱容和熱導(dǎo)率，均為溫度T的函數(shù); Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度。

綜合考慮熱流和換熱兩種邊界條件，在模擬計(jì)算時(shí)，將有限元模型周?chē)砻娑x為換熱邊界條件，通過(guò)隨溫度變化的散熱系數(shù)（mpdata，hf）施加到模型上，模型中激光功率為1 200 W，熱源半徑為1.5 mm，換熱系數(shù)為30 W/ （m2·℃）。模擬過(guò)程中第一道涂層沿著x軸正方向進(jìn)行熔覆，第二道涂層沿著x軸負(fù)方向進(jìn)行熔覆，熔覆過(guò)程中先“ 殺死 ”涂層單元，單元的激活通過(guò)SFE，HFLUX命令，隨著熱源的移動(dòng)涂層逐漸被激活，從而模擬熔覆過(guò)程。

1.3 幾何模型及網(wǎng)格的建立

采用Solid70單元建立3D幾何模型，模型尺寸為120 mm×80 mm×6 mm，熔覆層高度為6 mm，每層3 mm。

幾何形狀和載荷分布關(guān)于熔覆層中心處x-z平面對(duì)稱(chēng)。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)熔覆層和結(jié)合處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，長(zhǎng)度方向上的單元網(wǎng)格長(zhǎng)度定義為4 mm，熔覆層高度方向上劃分為2層網(wǎng)格高度為3 mm，網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 多層熔覆溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

2.1 熔覆溫度場(chǎng)分布特征

在多層熔覆模擬過(guò)程中，采用ANSYS生死單元技術(shù)模擬熔覆過(guò)程。不預(yù)熱時(shí)不同時(shí)刻熔覆層溫度場(chǎng)的分布如圖3所示，每層熔覆時(shí)間30 s。

對(duì)比圖3a、3b可知，熔覆第二層金屬時(shí)激光熱源會(huì)對(duì)第一層熔覆金屬產(chǎn)生回火作用，同時(shí)溫度場(chǎng)分布具有不對(duì)稱(chēng)性，這是因?yàn)楫惙N材料的物理性能差異導(dǎo)致溫度梯度不同。圖3d為定義路徑上的溫度分布曲線，在距離表面3.7 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)溫度降至1 500 ℃以下，實(shí)際熔覆層高度為3 mm，說(shuō)明熔覆層的稀釋率約為0.7 mm，與激光熔覆低稀釋率特點(diǎn)相符合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2.2 不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

選取垂直于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)A、B、C，平行于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)D、E、F、G、H，節(jié)點(diǎn)分布如圖4所示，通過(guò)ANSYS后處理器提取繪制不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，如圖5所示。

由圖5可知，各節(jié)點(diǎn)處升溫速度較快，降溫速度較為平緩。分析原因?yàn)椋杭訜釙r(shí)熱源直接照射節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致溫度驟熱升高，熱源經(jīng)過(guò)該點(diǎn)向前移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)熔覆層重復(fù)加熱導(dǎo)致溫度下降緩慢。同時(shí)，每條曲線都出現(xiàn)2次峰值，且后一次峰值大于前一次，這是因?yàn)槿鄹驳诙咏饘贂r(shí)節(jié)點(diǎn)再次吸收能量，溫度進(jìn)一步升高。不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線最大峰值均在2 000 ℃左右，可確?；w和熔覆材料充分加熱熔化，以保證基體和熔覆層形成良好的冶金結(jié)合。

由圖5還可知，平行于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)其熱循環(huán)變化規(guī)律相同，垂直于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)其熱循環(huán)存在差異，距離熔覆層中心越近的節(jié)點(diǎn)加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大，該現(xiàn)象與激光熔覆熱量集中、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)相吻合。

2.3 節(jié)點(diǎn)溫度梯度曲線

溫度梯度影響著熔覆層的結(jié)晶方向及冷卻凝固過(guò)程，因此研究溫度梯度在熔池內(nèi)的分布對(duì)于研究熔覆層組織及形成機(jī)制具有重要意義[6]。

圖6a為x方向的溫度梯度變化曲線，觀察可知x方向上表面節(jié)點(diǎn)的溫度梯度高于熔覆層結(jié)合處的溫度梯度。圖6b為y方向的溫度梯度變化曲線，觀察可知y方向表面節(jié)點(diǎn)的溫度梯度低于熔覆層結(jié)合處的溫度梯度，同時(shí)y方向結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度，反映出y方向的應(yīng)力大于x方向的應(yīng)力。模型模擬過(guò)程中熱源沿x方向進(jìn)行移動(dòng)，熔覆層沿y方向結(jié)晶，y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)即熔覆層與基體熔合處節(jié)點(diǎn)，當(dāng)y方向節(jié)點(diǎn)處溫度梯度（即應(yīng)力）高于一定值時(shí)容易導(dǎo)致熔覆涂層的開(kāi)裂。因此，節(jié)點(diǎn)的溫度梯度是溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中的重要物理量。

3 預(yù)熱溫度對(duì)熱循環(huán)曲線及等效應(yīng)力的影響

不同預(yù)熱溫度下節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖7所示，預(yù)熱溫度分別為100 ℃、200 ℃。由圖7可知，隨著預(yù)熱溫度升高，熱曲線峰值溫度升高，1 100 ℃以上的高溫區(qū)域3條曲線停留時(shí)間無(wú)明顯差異，但相變點(diǎn)以上預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)停留時(shí)間最長(zhǎng)，相變點(diǎn)以上長(zhǎng)時(shí)間的停留是有利于奧氏體均勻化的，因此預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)的預(yù)熱效果最佳。

觀察圖7可知，不同預(yù)熱溫度下加熱速度無(wú)明顯變化，但冷卻速度存在較大差異。為研究冷卻速度，選擇焊接參數(shù)t8/5對(duì)熔覆層冷卻速度進(jìn)行分析，如表2所示。

由表2可知，預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)的t8/5參數(shù)約為未預(yù)熱條件下熔覆層的3.2倍，預(yù)熱效果最佳。由于激光熔覆材料和基體熱物性存在差異，因此較大的冷卻速度必然增加基體和涂層間的應(yīng)力，導(dǎo)致熔覆層應(yīng)力開(kāi)裂傾向增大，對(duì)基材材料進(jìn)行預(yù)熱處理可降低冷卻速度，減小溫度梯度。

采用熱應(yīng)力耦合方法對(duì)涂層進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，z、x方向位移限制設(shè)置為0，提取熔覆10 s時(shí)涂層的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。20 ℃未預(yù)熱涂層的等效應(yīng)力為4.87×108 Pa，100 ℃預(yù)熱條件下涂層的等效應(yīng)力為4.57×108 Pa，200℃預(yù)熱條件下涂層的等效應(yīng)力為4.11×108 Pa。通過(guò)模擬分析可知，預(yù)熱基體能夠有效地減小涂層中的應(yīng)力，減小涂層開(kāi)裂的傾向。

4 結(jié)論

（1）多層熔覆時(shí)后一層熔覆會(huì)對(duì)上一層起到回火作用，后續(xù)熔覆時(shí)溫度場(chǎng)分布云圖呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。

（2）平行于熱源移動(dòng)方向的節(jié)點(diǎn)溫度循環(huán)曲線變化規(guī)律相同;垂直于熱源移動(dòng)方向，距離熔覆層中心越近的節(jié)點(diǎn)加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大。

（3）y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向上結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度，當(dāng)y方向（即垂直于熱源移動(dòng)平面）節(jié)點(diǎn)處溫度梯度高于一定值時(shí)易導(dǎo)致熔覆層開(kāi)裂。

（4）預(yù)熱溫度對(duì)熱循環(huán)曲線影響較大。熱輸入保持不變時(shí)，隨著預(yù)熱溫度的升高，加熱速度變化較小，峰值溫度升高，相變溫度以上停留時(shí)間變長(zhǎng)，但高溫停留時(shí)間變化不大。預(yù)熱溫度200 ℃時(shí)t8/5參數(shù)約為未預(yù)熱下的3.2倍，預(yù)熱基體材料可以減小熔覆層的開(kāi)裂傾向。

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