李傳鈺 李金華 姚芳萍

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，制造業(yè)在其中的地位越來(lái)越明顯，模具制造在制造業(yè)中的地位更是舉足輕重。中國(guó)模具制造業(yè)[1?2]產(chǎn)量在不斷地增大，H13熱作模具鋼以其優(yōu)異的綜合性能和較低廉的價(jià)格在工業(yè)生產(chǎn)中得到了非常廣泛的應(yīng)用[3]。但是其使用環(huán)境復(fù)雜，常常會(huì)發(fā)生不同形式的失效[4]。

為了延長(zhǎng)模具的使用壽命，有效地對(duì)失效模具進(jìn)行二次利用以減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，常使用激光熔覆技術(shù)在模具鋼表面熔覆一層具有高硬度、高耐磨性且使用壽命長(zhǎng)的涂層，或者對(duì)已經(jīng)失效的模具進(jìn)行修復(fù)強(qiáng)化[5]。但在激光熔覆過(guò)程中，金屬粉末急速地熔化和冷卻會(huì)產(chǎn)生非常大的溫度梯度和成分偏析，溫度梯度過(guò)大會(huì)使熔覆層出現(xiàn)裂紋[6]，成分偏析會(huì)導(dǎo)致熔覆層力學(xué)性能不均，從而影響熔覆質(zhì)量。為了減少熔覆缺陷，科研工作者探索出了許多輔助方法，如強(qiáng)制冷卻輔助[7]、電磁場(chǎng)輔助[8]、機(jī)械振動(dòng)輔助[9]和超聲輔助等。超聲輔助熔覆時(shí)，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)、諧振效應(yīng)會(huì)使熔覆層晶粒細(xì)化，改善元素偏析，并對(duì)裂紋、氣孔等缺陷產(chǎn)生抑制作用，故具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[10?11]。陳琳等[12]采用超聲振動(dòng)輔助激光熔覆對(duì)EA4T鋼表面進(jìn)行修復(fù)，分析發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)作用下熔覆層成形質(zhì)量得到明顯提高，原來(lái)方向性較強(qiáng)的樹枝晶被打斷、打碎，元素偏析顯著改善；同時(shí)，施加超聲振動(dòng)后熔覆層晶粒得到細(xì)化，促進(jìn)Cr23C6碳化物在枝晶上析出，但并未改變?nèi)鄹矊游锵嘟M成；超聲振動(dòng)后熔覆層各處顯微硬度值更加均勻，平均顯微硬度提高126.2 HV0.2，熱影響區(qū)平均顯微硬度下降31.2 HV0.2。邵永錄、陳暢源等[13]利用20 kHz左右超聲振動(dòng)輔助激光熔覆技術(shù)在不同基板表面制備出了熔覆層，主要分析了超聲振動(dòng)對(duì)熔覆層中顯微組織的細(xì)化作用和對(duì)熔覆層中裂紋及氣孔的影響，結(jié)果表明在激光熔覆過(guò)程中施加超聲振動(dòng)，能夠使熔覆層組織得到明顯的細(xì)化，也可以顯著降低熔覆層中的氣孔率，并使熔覆層裂紋得到了有效抑制。李德英[14]等利用ANSYS軟件建立了激光熔覆SiC/316L復(fù)合涂層有限元分析模型，仿真分析結(jié)果表明：當(dāng)超聲振幅增大，掃描速度降低時(shí)，熔覆層表面溫度上升；在超聲振動(dòng)作用下涂層的殘余應(yīng)力值下降，且隨著超聲振幅和掃描速度增大，殘余應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)。

以上研究主要集中于對(duì)超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表述與分析，并未對(duì)超聲作用機(jī)理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分析，本文通過(guò)COMSOL仿真軟件設(shè)置H13熱作模具鋼為基體，Ni60合金粉末為熔覆層材料，探究了不同超聲頻率對(duì)熔覆層溫度、溫度梯度的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析超聲效應(yīng)對(duì)熔覆層宏觀形貌和顯微組織的影響規(guī)律。

1 模型建立及邊界條件的確定

1.1 超聲振動(dòng)有限元模型的建立

建立如圖1所示的激光熔覆有限元模型，熔覆層厚度為0.7 mm，基材厚度為10 mm。在本次計(jì)算中，為了提高計(jì)算效率及準(zhǔn)確度，利用自由四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，對(duì)熔覆粉末區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理，細(xì)化處理后網(wǎng)格單元數(shù)為34 636個(gè)，最大網(wǎng)格尺寸為0.411 mm，最小單元尺寸為0.077 5 mm。

圖1 激光熔覆有限元模型

超聲引入的方式主要有兩種：一種是直接引入，即將超聲振動(dòng)桿直接放入熔池內(nèi)；另一種為間接引入，將超聲振子與振動(dòng)板連接，將工件置于振動(dòng)板上，且工件與振動(dòng)板之間需要固定。考慮到本次激光熔覆模型較小，將超聲振動(dòng)桿直接引入熔池不現(xiàn)實(shí)，所以采用間接引入的方式。為了保證超聲振動(dòng)效應(yīng)均勻平穩(wěn)，在超聲發(fā)生器打開10 s后開啟激光器進(jìn)行熔覆，熔覆結(jié)束10 s后關(guān)閉超聲發(fā)生器。超聲振動(dòng)施加方式如圖2所示。

圖2 超聲振動(dòng)施加方式示意圖

圖3為豎直方向溫度梯度探針?lè)植?，a、b、c這3個(gè)區(qū)域分別代表熔池、熱影響區(qū)和部分基材，自熔覆層頂開始每0.1 mm設(shè)置一個(gè)探針，熔覆層內(nèi)設(shè)置探針7個(gè)，熔池、熱影響區(qū)及部分基材設(shè)置探針25個(gè)。

圖3 豎直方向溫度及溫度梯度探針?lè)植?/p>

1.2 熱源建立

為了更加貼近實(shí)際熔覆過(guò)程，本次計(jì)算采用移動(dòng)高斯熱源來(lái)模擬激光光源，熱源模型如式（1）所示。

式中：emissivity為材料表面輻射率；rspot為激光光斑半徑；bm為粉末遮蔽率；plaser為激光功率；rfocus為激光光斑距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，其表達(dá)式為

式中：xfocus為光斑所在位置的x坐標(biāo)，yfocus為 光斑所在位置的y坐標(biāo)，其表達(dá)式如下。

式中：vlaser為激光掃描速度。

1.3 邊界條件的建立

在COMSOL軟件傳熱模塊中添加固體傳熱接口，用于高斯熱源公式與幾何模型的耦合以及溫度場(chǎng)的計(jì)算。在結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中添加固體力學(xué)接口，用于與傳熱接口進(jìn)行耦合并模擬模型受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在傳熱接口下，熔覆基材會(huì)與周圍空氣之間進(jìn)行熱交換，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，熔覆基材外部空氣滿足外部自然對(duì)流。熔覆基材側(cè)面，即垂直于XY平面的4個(gè)面與周圍空氣之間滿足外部自然對(duì)流垂直壁熱交換，熔覆基材上表面滿足外部自然對(duì)流水平板上層熱交換。

超聲振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)以及高頻振動(dòng)，對(duì)于熱效應(yīng)，采用熱量轉(zhuǎn)化的方式，將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)熱源；對(duì)于高頻振動(dòng)，采用COMSOL軟件提供的變量編輯器將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)邊界條件。這樣在仿真時(shí)可以體現(xiàn)出超聲振動(dòng)的主要效應(yīng)，近似在仿真中建立起超聲場(chǎng)。

超聲熱效應(yīng)的計(jì)算公式為

式中：Q為超聲振動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)大小，J/m3；α為超聲波的吸收系數(shù)；I為超聲波聲強(qiáng)；t為超聲的作用時(shí)間，s；其中 α的計(jì)算公式為

式中：N一般為1～10的數(shù)；f為超聲波的頻率，Hz；I的計(jì)算公式為

式中：PA為超聲聲壓，PA=2πfρcA，Pa；ρ為基材材料密度，kg/m3；c為超聲波在基材中的傳播速度，m/s；A為超聲波的振幅，μm。

超聲波振動(dòng)發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)基材部分產(chǎn)生壓力P,計(jì)算公式如下。

2 有限元仿真結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

仿真過(guò)程中基體材料為H13鋼，熔覆層材料為Ni60自熔性合金粉末，實(shí)驗(yàn)基材及熔覆層粉末化學(xué)成份如表1所示。熔覆過(guò)程激光功率為1 400 W，掃描速度為3 mm/s，送粉電壓為10 V（對(duì)應(yīng)送粉量為9 g/min），激光熔覆過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，材料溫度上升速度很快，材料熔化后會(huì)形成熔池，基材與粉末在熔池中熔化混合，最終形成力學(xué)性能更好的熔覆層。

表1 Ni60合金粉末和基體H13鋼的主要成分 (%)

圖4所示為在不同超聲頻率時(shí)熔覆層各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的最高溫度，從圖中可看出，未施加超聲振動(dòng)時(shí)，熔覆層最高溫度呈“水平”波浪形，施加超聲振動(dòng)后，熔覆層最高溫度呈有上升趨勢(shì)的波浪形，且頻率越高上升趨勢(shì)越明顯。這是因?yàn)槌曊駝?dòng)產(chǎn)生了熱效應(yīng)，根據(jù)式（5）可知，在理想狀態(tài)下，超聲熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量的大小與超聲頻率、超聲振幅以及超聲作用時(shí)間成正相關(guān)的趨勢(shì)，即超聲作用時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量越大，熔覆層吸收的熱量越大；在超聲作用時(shí)間相同時(shí)，超聲頻率越大熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量也越大，熔覆層與基材不斷吸收熱量，從而溫度越來(lái)越高。施加超聲后，熔覆層的平均最高溫度上升，但上升過(guò)程并不是線性的，其溫度差值呈先減小后增大的趨勢(shì)，這是超聲振動(dòng)不僅產(chǎn)生熱效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生聲流效應(yīng)，聲流效應(yīng)會(huì)使熔融狀態(tài)下的熔覆層產(chǎn)生橫流與縱流，類似“攪拌”的作用，這會(huì)加快熔覆層散熱冷卻，另外超聲一定程度上增大潤(rùn)濕角(如圖5所示)，使熔覆層與空氣接觸面積增大，也會(huì)加快熔覆層的散熱冷卻，多種效應(yīng)相互作用，導(dǎo)致熔覆層溫度呈非線性的上升趨勢(shì)。

圖4 熔覆層各時(shí)刻最高溫度

圖5 潤(rùn)濕角

為了反映熔覆層及基材內(nèi)部溫度及溫度梯度的變化，選擇從熔覆層頂豎直方向2.5 mm的區(qū)域設(shè)置探針點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)包括了熔覆層、熔池、熱影響區(qū)及部分基材，這樣既減少了計(jì)算量還不會(huì)影響對(duì)主要區(qū)域變化的研究。

圖6a為不同超聲頻率下熔覆層豎直方向溫度變化圖，圖6b為不同超聲頻率下豎直方向最大溫度差值圖，從圖中可看出隨著超聲頻率的增加，會(huì)使熔覆層切面縱向溫度升高，且不同頻率下溫度差值呈先增加后減小的趨勢(shì)，在距熔覆層頂0.6 mm處達(dá)到最大溫度差值203 K，之后溫度差值逐漸減小并穩(wěn)定在82 K左右。這是因?yàn)槌暉嵝?yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量使溫度上升，同時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)熔融狀態(tài)下的熔覆層產(chǎn)生聲流效應(yīng)，在橫流與縱流的作用下產(chǎn)生類似“攪拌”作用加速冷卻，使得溫度差值呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)距熔覆層的距離逐漸增大，固體狀態(tài)下的基體不會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)、“攪拌”作用等，且熱量自上而下被基體逐漸吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以溫差逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 豎直方向溫度

2.2 溫度梯度分析

圖7為施加不同超聲頻率下熔覆層豎直方向溫度梯度變化圖，從圖7a中可知在距熔覆層頂部0.75 mm左右時(shí)，超聲熔覆比不施加超聲熔覆時(shí)溫度梯度小，且超聲頻率越大，溫度梯度越小；但在距熔覆層頂0.75～1.2 mm，超聲熔覆反而比不施加超聲熔覆溫度梯度略有增加，這個(gè)區(qū)域?yàn)榛w的熱影響區(qū)，溫度梯度增加會(huì)使熱影響區(qū)“淬火”程度增加，增強(qiáng)H13鋼基體的強(qiáng)度。

從圖7b中可以看出在熔覆層內(nèi)部隨著超聲頻率的增加，溫度梯度逐漸減小，且溫度梯度差值呈先減小后增大的趨勢(shì)；在界面結(jié)合處超聲熔覆較不施加超聲熔覆的溫度梯度明顯減小，由此可知在激光熔覆過(guò)程中施加超聲振動(dòng)能夠有效減小熔覆層及界面結(jié)合處的溫度梯度，進(jìn)而減小殘余應(yīng)力，最終使熔覆層中裂紋減少。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)所用激光器為美國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLR-3000型激光器，所用超聲波發(fā)生器為深圳太和達(dá)科技有限公司生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)采用同步送粉的方式，在實(shí)驗(yàn)開始前，將H13鋼基材表面用600目金相砂紙反復(fù)打磨去除氧化層，再使用無(wú)水乙醇擦去其表面污漬。激光熔覆實(shí)驗(yàn)完成后，將熔覆好的試樣用線切割機(jī)進(jìn)行切割，然后依次使用200目、600目、1 000目的砂紙反復(fù)打磨，使用金相磨拋機(jī)進(jìn)行拋光至沒(méi)有劃痕，將拋光好的試樣放在配比為氫氟酸∶硝酸∶水=2∶4∶7的腐蝕液中腐蝕15 s后再使用無(wú)水乙醇擦洗表面，最后用吹風(fēng)機(jī)烘干。

3.1 熔覆層宏觀形貌分析

為了減小誤差，每組參數(shù)熔覆兩次，實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)與仿真過(guò)程相同，即激光功率為1 400 W，掃描速度為3 mm/s，送粉電壓為10 V，超聲頻率為0 kHz、26 kHz、30 kHz、34 kHz、38 kHz。表2所示為不同超聲頻率時(shí)的熔覆層形貌參數(shù)，表中采用“面積法”計(jì)算稀釋率，計(jì)算公式為

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中：η代表稀釋率；h代表熔深，mm；H代表熔高，mm。圖8為熔覆層稀釋率示意圖。

圖8 熔覆層稀釋率示意圖

從表2中可以看出，超聲頻率的改變對(duì)熔覆層宏觀形貌有一定影響，隨著超聲頻率的增大，稀釋率增大，熔覆層熔寬與熔深增大，對(duì)熔高影響較小。圖9所示為有無(wú)超聲振動(dòng)時(shí)熔覆層潤(rùn)濕角的變化情況，從圖9b可知施加超聲后會(huì)減小潤(rùn)濕角，從而使熔寬增大，并且空化效應(yīng)產(chǎn)生的熱量使熔池深度增大，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致。

圖9 熔覆層潤(rùn)濕角對(duì)比圖

潤(rùn)濕角計(jì)算公式為

式中：cosθ為界面接觸角；αs-g為固-氣接觸面；αs-l為固-液接觸面；αl-g為液-氣接觸面。

從圖10中不同超聲頻率下的熔覆層形貌圖可看出未施加超聲的熔覆層中存在一些氣孔，施加超聲后隨著超聲頻率的增加，氣孔的數(shù)量減少，在超聲頻率為38 kHz的熔覆層中幾乎無(wú)氣泡產(chǎn)生，熔覆層形貌較規(guī)整，這是因?yàn)槭┘映暫螽a(chǎn)生的聲流效應(yīng)等會(huì)加速氣泡的運(yùn)動(dòng)及逸出。

圖10 熔覆層宏觀形貌圖

3.2 顯微組織分析

圖11為未施加超聲熔覆層、施加超聲頻率為30 kHz熔覆層及施加超聲頻率38 kHz的熔覆層放大3 000倍的顯微組織圖以及放大300倍的邊界圖。從圖11a中我們可以看出未施加超聲的熔覆層內(nèi)部出現(xiàn)了許多粗大的等軸晶和樹枝晶。對(duì)無(wú)超聲振動(dòng)涂層的枝晶區(qū)域（圖11a）進(jìn)行點(diǎn)掃描發(fā)現(xiàn)其主要元素組成為15.4%Cr，16.8%C，13.4% Fe，17.5%Ni。Cr與C的原子比接近1:1，所以枝干組織可能是Cr3C2和γ-（Ni，F(xiàn)e）固溶體；對(duì)平面晶區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)掃發(fā)現(xiàn)其主要元素組成為5.3%Cr，22.2%C，17.6% Fe，45.2%Ni，Cr的含量明顯少于枝干組織，而Ni的含量明顯增加，其他元素含量變化不大。從圖11b可以看出施加超聲頻率為30 kHz的熔覆層內(nèi)部也存在少量粗大的等軸晶，以及一些細(xì)小針狀枝晶；而在圖11c中施加超聲頻率為38 kHz的熔覆層內(nèi)部幾乎沒(méi)有粗大的等軸晶，且存在大量分布均勻的針狀枝晶。這是因?yàn)槭┘映暫舐暳餍?yīng)產(chǎn)生的“攪拌”作用促進(jìn)生長(zhǎng)在一起的晶粒分開；且空化效應(yīng)產(chǎn)生空化泡，空化泡形成瞬間產(chǎn)生的高壓會(huì)增加熔覆層的整體過(guò)冷度，過(guò)冷度增加使得涂層結(jié)晶力增大，促進(jìn)熔體形核，提高了形核率，從而細(xì)化組織晶粒；同時(shí)，空化泡的破裂瞬間產(chǎn)生的高溫使得已經(jīng)形核的晶粒重新熔化，二次生長(zhǎng)，變成更加細(xì)小的晶粒組織[15]。從圖11d、e、f中可以看出在熔覆層與基體結(jié)合處存在一條較明顯的下垂弧線，這是熔覆層與基體的分界線，表明涂層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合。

圖11 熔覆層顯微組織圖

為了進(jìn)一步探究超聲對(duì)熔覆層顯微組織的影響，對(duì)熔覆層下部邊界處進(jìn)行線掃，圖12a為未施加超聲熔覆層線掃圖，圖12b為施加超聲頻率38 kHz的熔覆層線掃圖。從圖12a中可以看出，在熔覆層下部靠近基體的部分鐵元素最多，其次是鎳元素，然后為鉻元素，在基體與熔覆層結(jié)合面處，鐵元素含量呈“斷崖式”下降的趨勢(shì)，下降速度約為300 cps/μm，元素?cái)U(kuò)散程度低，在熔覆層內(nèi)鉻元素和鎳元素分布非常不均勻，存在較嚴(yán)重的元素偏析。從圖12b中可以看出，基體與熔覆層結(jié)合面處鐵元素的含量呈“梯度”下降的趨勢(shì)，下降速度約為75 cps/μm，相較于未施加超聲時(shí)鐵元素含量下降速度大大降低，說(shuō)明超聲振動(dòng)使得熔覆層與基體中元素?cái)U(kuò)散程度增大，形成了良好的冶金結(jié)合；熔覆層內(nèi)鎳元素與鉻元素分布較均勻，元素偏析得到了明顯的改善。

圖12 熔覆層邊界線掃圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在對(duì)H13鋼表面制備Ni60合金涂層進(jìn)行有限元仿真模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨著超聲頻率的增加，熔覆層最高溫度呈上升趨勢(shì)，平均最高溫度差值呈先減小后增大的趨勢(shì)，且沿熔覆層切面縱向溫度呈上升趨勢(shì)，其溫度差值呈先增大后減小的趨勢(shì)，同時(shí)熔覆層內(nèi)部溫度梯度逐漸減小，溫度梯度差值呈先減小后增大的趨勢(shì)。在界面結(jié)合處施加超聲振動(dòng)的熔覆層較無(wú)超聲振動(dòng)的熔覆層溫度梯度明顯減小，進(jìn)而減小殘余應(yīng)力，提升熔覆質(zhì)量。

（2）在H13鋼表面制備Ni60合金涂層實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨著超聲頻率的增加，涂層稀釋率增大，熔覆層熔寬與熔深增大，對(duì)熔覆層熔高幾乎無(wú)影響；熔覆層氣孔數(shù)量減小，這是因?yàn)槌曊駝?dòng)會(huì)加速氣泡的運(yùn)動(dòng)和逸出，使熔覆層形貌更好，且在一定程度上減小了潤(rùn)濕角。

（3）施加振動(dòng)超聲后，不僅促進(jìn)了晶粒分離，細(xì)化晶粒，使晶粒分布更加均勻，也促進(jìn)了熔覆層與基體中的元素?cái)U(kuò)散，形成了良好的冶金結(jié)合，并熔覆層中元素分布更加均勻，改善了元素偏析。