王冰濤，熊宗慧，孫耀寧

(新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

激光熔覆技術(shù)是利用大功率激光器產(chǎn)生的高能量密度激光束輻照熔覆粉末與部分基體表面，使二者瞬間熔化并迅速凝固，而后在基體表面形成強化涂層的表面改性方法，其不僅能改變基材表面的組織，同時能改變基材表面成分[1]。通過熔覆與基材具有不同成分和性能的合金粉末，進(jìn)而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、抗疲勞和抗氧化等性能[2]。激光熔覆技術(shù)是一種材料表面改性技術(shù)，而且是一種綠色加工技術(shù)，與其他表面加工技術(shù)相比[3]，激光熔覆技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、實用性強、應(yīng)用靈活等優(yōu)點[4]，伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、化工、管道輸送和航空航天等行業(yè)。

激光熔覆過程是一個包含傳熱、傳質(zhì)、擴散及相變等物理化學(xué)變化的復(fù)雜冶金過程[5]，激光功率、掃描速度、光斑直徑等諸多因素會對激光熔覆成型的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在再制造過程中，采用試驗方法獲得理想的工藝參數(shù)需耗費大量人力物力且試驗周期長[6]，采用計算機對激光熔覆過程進(jìn)行模擬分析，獲取合適的工藝參數(shù)，結(jié)合試驗驗證結(jié)果判斷熔覆成型的質(zhì)量，能夠減少試驗消耗、縮短試驗周期且具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義[7-8]，并得到了廣泛的應(yīng)用[9-11]，如對不同厚度、傾斜或曲面基體[2, 12-13]的熔覆過程數(shù)值模擬等。本文利用Visual-Environment數(shù)值模擬軟件，基于高斯體熱源模型，通過改變激光功率獲得不同大小的能量密度輸入，對304不銹鋼表面激光熔覆Ni35涂層的過程進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗驗證，通過繪制重要節(jié)點的溫度-時間歷程曲線，研究了不同能量密度對熔覆層溫度云圖和熔池形態(tài)的影響，確定較為合理的能量密度參數(shù)，以期對激光熔覆再制造起到一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值仿真過程

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)304不銹鋼基體表面激光熔覆Ni35合金涂層的過程構(gòu)建數(shù)值模擬幾何模型，如圖1所示，其中基體尺寸30 mm×24 mm×8 mm，熔覆層尺寸根據(jù)工藝參數(shù)確定，采用四邊形六面體單元對基體和熔覆層進(jìn)行網(wǎng)格劃分。激光熔覆過程中熱源能量高度集中且移動速度迅速，為保證仿真結(jié)果的精度并提高計算效率，在熔覆層及其附近對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，在遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域逐漸增大網(wǎng)格尺寸。由于單道激光熔覆幾何模型具有對稱性，建立幾何模型時取模型的一半進(jìn)行模擬。

圖1 激光熔覆過程的幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometry and meshing of the laser cladding process

1.2 傳熱方程與邊界條件

激光熔覆過程中，激光熱源的加載引起工件的溫度變化，此過程是一典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，其熱傳導(dǎo)行為可表示為[14]：

(1)

式中：ρ、C分別為材料密度和比熱容；x,y,z表示笛卡爾坐標(biāo)系；kx、ky、kz依次為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)材料各向同性假設(shè)，有kx=ky=kz=k；T為溫度分布函數(shù)；Q為相變潛熱；t為時間。

熱輻射和熱對流是基體各表面及熔覆層與外界主要換熱方式，其邊界條件為[5]：

(2)

式中：h為復(fù)合換熱系數(shù)；T0為環(huán)境溫度，20 ℃。

1.3 熱源模型

熱源模型的選取對激光熔覆數(shù)值模擬的計算精度有很大影響[14]，雙橢球熱源、高斯面熱源及高斯體熱源是溫度場數(shù)值模擬常用的3類熱源，其中高斯體熱源與激光器能量輸入近似，可很好地描述熔覆溫度場的分布結(jié)構(gòu)，是一種符合實際溫度場分布情況的熱源分布函數(shù)，其控制方程為[15]：

(3)

式中：η為激光能量吸收率，本文取0.6；P為激光功率；q(x,y,z,t)為時刻t的熱源流量；c為熱源集中系數(shù)；v為掃描速度；τ為時間修正因子。

2 試驗材料與方法

試驗所用基體材料為304不銹鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同)為0.07C、1.8Mn、0.042P、0.028S、0.8Si、19Cr、10Ni，余量Fe；熔覆粉末為Ni35合金，化學(xué)成分為0.50C、12Cr、3.00Si、10.00Fe、1Mn、2B，余量Ni?；w與粉末的熱物性參數(shù)(密度、比熱、熱導(dǎo)率、彈性模量、泊松比)通過JMatPro軟件計算并建立相應(yīng)材料數(shù)據(jù)表，其中304不銹鋼的熱物性參數(shù)選用仿真軟件自有數(shù)據(jù)庫，Ni35合金粉末的熱物性參數(shù)隨溫度的變化如圖2所示。設(shè)置激光熔覆工藝為：掃描速度為6 mm/s，光斑半徑為1 mm，激光功率分別為700、900、1100、1300 W，掃描方式為單道次掃描。采用Visual-Environment軟件對激光熔覆過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到溫度場云圖分布和關(guān)鍵節(jié)點的時間歷程曲線。采用YLS-2000激光器在304不銹鋼基體表面制備Ni35合金涂層，在進(jìn)行熔覆試驗前，將304不銹鋼基體的待熔覆表面用砂紙逐級打磨，再用丙酮清洗油污雜質(zhì)等，將Ni35合金粉末置于恒溫干燥箱中烘干處理，在試驗完成以后，用線切割在涂層起止位置的中間取8 mm×8 mm金相試樣，經(jīng)磨拋和王水腐蝕后用CDM-16C光學(xué)顯微鏡觀察組織。

圖2 Ni35合金粉末的熱物性參數(shù)(a)密度；(b)楊氏模量；(c)比熱；(d)熱導(dǎo)率；(e)泊松比Fig.2 Thermophysical parameters of the Ni35 alloy powder(a) density; (b) Young’s modulus; (c) specific heat; (d) thermal conductivity; (e) Poisson’s ratio

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度場云圖與峰值溫度

在激光熔覆過程中，無論是激光功率的改變，還是掃描速度的調(diào)整，最終都是控制熔覆過程中所輸入的能量密度來獲取理想的涂層。可根據(jù)公式(4)計算不同參數(shù)下能量密度：

(4)

式中：E為能量密度，J/mm2；P為激光功率，W；V為掃描速度，mm/s；D為光斑直徑，mm。

圖3 不同能量密度對應(yīng)的熔池形態(tài)與溫度場分布云圖Fig.3 Molten pool morphologies and cloud maps of temperature field distributions corresponding to different energy densities(a) 58.33 J/mm2； (b) 75.00 J/mm2； (c) 91.67 J/mm2； (d) 108.33 J/mm2

本文通過改變激光功率來實現(xiàn)不同的能量密度輸入，依據(jù)圖1所示有限元模型，當(dāng)激光掃描速度為6 mm/s，光斑半徑1 mm，激光功率分別為700、900、1100和1300 W時對應(yīng)的能量密度分別為58.33、75.00、91.67和108.33 J/mm2。圖3所示為激光光斑從熔覆起始端移動至中部時，不同能量密度對應(yīng)的熔池形態(tài)與溫度場分布云圖。由圖3可知，熔池形態(tài)和峰值溫度隨著能量密度的改變而發(fā)生變化，熔池形狀呈現(xiàn)出明顯的拖尾狀，激光光斑的前進(jìn)方向等溫線密集且溫度梯度較大，而后方等溫線稀疏且溫度梯度較小，可見激光光斑移動前方的溫度梯度與掃描過后的溫度梯度相差十分明顯。

圖4為不同能量密度下熔池的峰值溫度。由圖4可以看出，熔池的最高溫度隨能量密度的增加而不斷增大，兩者之間近似呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)[14]指出，熔池峰值溫度穩(wěn)定在2400～2600 ℃比較合理，該溫度范圍內(nèi)合金粉末和基體能夠形成良好的冶金結(jié)合，不會出現(xiàn)涂層過燒的現(xiàn)象，成型質(zhì)量較好。當(dāng)能量密度為58.33 J/mm2時，熔池峰值溫度過低，僅為1979.76 ℃，推測該能量密度下涂層與基體結(jié)合質(zhì)量較差；當(dāng)能量密度為91.67和108.33 J/mm2時，熔池峰值溫度分別為2880.56和3280.71 ℃，均超過了2600 ℃，推測此時可能會出現(xiàn)過燒現(xiàn)象[16]，應(yīng)當(dāng)避免在此能量密度下進(jìn)行試驗。當(dāng)能量密度為75.00 J/mm2時，熔池峰值溫度為2459.55 ℃，處于2400～2600 ℃區(qū)間范圍之內(nèi)，由此可初步認(rèn)為能量密度為75.00 J/mm2(激光功率為900 W)時得到的熔覆質(zhì)量較好，因此本文繼續(xù)對該能量密度下熔覆過程的節(jié)點溫度-時間歷程曲線進(jìn)行分析，并進(jìn)行試驗驗證。

圖5 激光熔覆過程中不同節(jié)點的溫度-時間(a～c)和溫度變化率-時間(d～f)歷程曲線 (能量密度為75.00 J/mm2)(a,d)沿激光掃描方向；(b,e)沿深度方向；(c,f)沿熔池寬度方向Fig.5 Timecourse curves of temperature-time and temperature change rate-time(d-f) at different nodes during laser cladding process (energy density of 75.00 J/mm2)(a,d) along laser scanning direction; (b,e) along depth direction; (c,f) along molten pool width direction

圖4 不同能量密度對應(yīng)的熔池峰值溫度Fig.4 Peak temperature of the molten pool corresponding to different energy densities

3.2 節(jié)點溫度-時間歷程曲線

當(dāng)能量密度為75.00 J/mm2時，激光熔覆過程的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線如圖5所示。圖5(a, d)為距離熔覆起始端不同距離處的節(jié)點溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，由圖5可以看出，各節(jié)點的溫度-時間歷程曲線變化趨勢近乎一致。當(dāng)激光光斑移動到節(jié)點時，該節(jié)點迅速升溫，激光光斑離開時，該節(jié)點溫度急劇下降。由于凝固過程中結(jié)晶潛熱的釋放，冷卻速率小于升溫速率，反映出激光熔覆急冷急熱的特點。值得注意的是，距離熔覆起始位置4 mm的節(jié)點峰值溫度稍低于其他各節(jié)點，這是由于熱源剛加載到數(shù)值模型上時，模擬過程處于非穩(wěn)態(tài)階段；當(dāng)熱源離開該點一段距離后，溫度場分布進(jìn)入平衡的穩(wěn)態(tài)階段，各節(jié)點的峰值溫度幾乎相同。另外，在整個熔覆過程中各節(jié)點在峰值溫度的滯留時間十分短暫，這有利于細(xì)晶強化，提高熔覆質(zhì)量。

在溫度場分布處于穩(wěn)態(tài)階段的某一位置，從涂層頂部向基體深度方向取節(jié)點a～e的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，如圖5(b, e)所示，可以看出，隨著激光光斑移動到該位置，深度方向上各節(jié)點同時急劇升溫，當(dāng)激光光斑離開時同時迅速降溫，但降溫過程較升溫過程略緩慢。此外，沿深度方向各節(jié)點的溫度變化趨勢相同[17]，但各節(jié)點的峰值溫度沿深度方向依次減小，且最大冷卻速率依次降低，這是由于激光光斑輸入的能量被表面接收后以熱傳導(dǎo)的方式沿深度方向傳播并不斷衰減。

在涂層表面沿寬度方向從頂部中心向一側(cè)取節(jié)點，a′～e′的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，如圖5(c, f)所示，可以看出，a′～e′節(jié)點的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線與沿深度方向節(jié)點a～e的變化趨勢相同。節(jié)點a′距離熔池中心較近，因此溫度迅速升溫至2450 ℃附近，處于合理溫度范圍2400～2600 ℃內(nèi)；節(jié)點b′和c′由于離熔池中心距離增加，所達(dá)到的峰值溫度有所降低，但均在基體和粉末的熔點(分別為1440和1080 ℃)以上；熔池區(qū)域外的節(jié)點d′和e′一同升溫，但所達(dá)到的峰值溫度更低。

3.3 試驗驗證結(jié)果

采用與數(shù)值模擬相同的工藝參數(shù)在304不銹鋼表面激光熔覆Ni35合金涂層，設(shè)置激光掃描速度為6 mm/s，光斑半徑為1 mm，激光功率分別為700、900、1100和1300 W，得到能量密度分別為58.33、75.00、91.67和108.33 J/mm2對應(yīng)的涂層宏觀形貌如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)能量密度為58.33 J/mm2時涂層與基體結(jié)合質(zhì)量差，出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象，涂層較薄，其原因是激光輸入的能量密度較小，合金粉末因所吸收的能量較少未能融化完全形成有效涂層。當(dāng)能量密度為91.67和108.33 J/mm2時，涂層兩側(cè)均出現(xiàn)不同程度的粉末飛濺[18]，其原因為激光輸入的能量密度較大，合金粉末吸收足夠的能量而熔化，多余的能量主要通過傳導(dǎo)與輻射被基體吸收，導(dǎo)致熔寬變大，熔覆材料利用率降低。當(dāng)能量密度為75.00 J/mm2時，未出現(xiàn)涂層剝落和涂層兩側(cè)粉末飛濺，所得涂層的宏觀形貌較為理想，因而該能量密度較為合適。

圖6 不同能量密度下Ni35涂層的宏觀形貌Fig.6 Macromorphologies of the Ni35 coatingunder different energy densities

圖7 Ni35涂層的組織分布(能量密度為75.00 J/mm2)(a)中下部；(b)中上部Fig.7 Microstructure distribution of the Ni35 coating(energy density of 75 J/mm2)(a) middle and lower part; (b) middle and upper part

對能量密度為75.00 J/mm2時的涂層進(jìn)行微觀組織分析，如圖7所示。由圖7(a)可知，涂層與基體結(jié)合區(qū)主要為垂直于結(jié)合面生長的柱狀晶、其次為少量的胞狀晶，受溫度梯度與凝固速率的影響，結(jié)合區(qū)等溫線密集且冷卻速率小，晶粒生長速度大于形核速度，涂層底部幾乎無晶核。由于熔池內(nèi)溫度梯度小且上表面與空氣存在熱交換，多方向性散熱，形核速率較快，因此涂層中部組織主要為胞狀晶，涂層頂部為胞狀樹枝晶和等軸晶。該能量密度下涂層與基體冶金結(jié)合良好且組織致密。

4 結(jié)論

1) 對304不銹鋼表面單道激光熔覆Ni35合金粉末進(jìn)行了數(shù)值模擬。激光光斑移動過程中的溫度場分布呈彗星拖尾狀且熱源移動方向前方的溫度梯度大于后方的溫度梯度。由溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線可知，熔池峰值溫度出現(xiàn)在涂層上表面中心，沿深度方向和水平方向衰減，且其升溫速率大于冷卻速率。熔池峰值溫度與激光能量密度之間近似呈線性關(guān)系。

2) 激光束的能量密度對溫度場分布和熔覆質(zhì)量具有一定的影響，能量密度較小時，溫度分布云圖峰值溫度較低且涂層不能與基體達(dá)到很好的冶金結(jié)合；能量密度過大時，溫度分布云圖峰值溫度過高且涂層兩側(cè)出現(xiàn)粉末飛濺，粉末利用率較低。較合理的能量密度為75 J/mm2，該能量密度輸入下，模擬所得峰值溫度約為2459.55 ℃，對應(yīng)的激光功率為900 W，掃描速度6 m/s，光斑半徑1 mm，該工藝參數(shù)下涂層表面宏觀質(zhì)量好，涂層中下部為柱狀晶與胞狀晶，涂層中上部為胞狀樹枝晶與等軸晶，涂層組織致密且能與基體形成良好的冶金結(jié)合。