扫描路径对激光修复钛合金残余应力与变形的影响

为降低激光沉积修复钛合金基体的残余应力与变形,采用有限元参数化设计语言研究了不同激光扫描路径对修复基体残余应力与变形的影响,模拟了不同扫描路径下修复基体残余应力及不同修复层残余应力的分布情况,并对原因进行了分析。结果表明:不同扫描路径下基体两端残余应力值较大,修复层残余应力值两端高,中间低,采用层间交错扫描路径时,各修复层残余应力值大小和波动幅度降低,修复件表面平整度值最小。采用压痕法对不同扫描方式下修复件表面残余应力进行了测定,得到了不同扫描路径下基体变形曲线,并与模拟结果进行了比较,两者吻合较好,为提高激光修复质量提供了参考依据。     

选区顺序对激光直接制造TC4残余应力及变形的影响

为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力,研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验,并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明:不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著,采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形,与随机选区顺序相比,基底最大变形量降低60%,但是在沉积层引入了较大的残余应力,最大残余应力达到了392 MPa;随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小,最大残余应力仅约93 MPa,残余应力分布更为均匀。因此,分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。     

扫描方式对激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件开裂的影响

为了消除激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件中的裂纹,研究了激光扫描方式对薄壁件(单道多层)熔覆层应力分布和开裂的影响。对比了两种扫描方式(单向扫描和往复扫描)对薄壁件的应力分布和开裂的影响。模拟和实验结果表明,单向扫描方式下薄壁件的应力分布不均匀,引起薄壁件的两端出现严重的翘曲且中间部分出现裂纹;往复扫描方式下薄壁件的应力分布相当均匀,没有出现翘曲和裂纹,熔覆层表面比较平整。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

2Cr13不锈钢粉末激光直接堆积成形的组织与性能研究

为说明激光直接金属堆积(DMD)成形件的组织与性能特点,进行了2Cr13不锈钢粉末的直接成形实验研究.检测了不同工艺参数组合下单道熔覆、多道搭接和多层堆积的显微组织形貌,测试了2Cr13零件的硬度、耐磨损、拉伸和残余应力等性能.研究表明,单道熔覆的典型组织有柱状、胞状枝晶和等轴晶三种,其相互转化由温度梯度和凝同速率所决定;由于粉末实时供给,搭接区与预置熔覆有很大不同;多层堆积枝晶生长表现出一定倾斜性,受扫描方式影响较大;不同工艺参数下,熔覆层平均硬度为300～550 HV0.2;当组织为细化的树枝晶时,成形件耐磨损件能可比涮质态2Cr13提高一倍以上;成形件的平均抗拉强度比调质态2Cr13提高30%;直薄壁墙零件不同位置处残余应力不同,但残余应力水平较低.     

扫描方向对变厚度熔覆成形件组织与力学性能的影响

针对于激光熔覆沉积成形工艺引起的拉伸强度各向异性的问题,基于变厚度熔覆层沉积方式,探究扫描方向(从高到低和从低到高)对斜坡薄壁件微观组织和力学性能的影响。测试斜坡薄壁件不同位置的拉伸强度和硬度,分析其微观组织形貌,并与等厚度熔覆层沉积方式进行对比。试验结果表明:在薄壁件的纵截面上,沿不同扫描方向沉积能改变晶粒的生长方向;晶粒生长方向和扫描轨迹能影响薄壁件不同位置的拉伸强度,且从低到高扫描沉积可明显减小抗拉强度的各向异性;在水平方向,不同扫描方向下的硬度变化趋势一致,且变厚度熔覆层沉积会改变薄壁件最大硬度的分布。     

层合板激光往复扫描弯曲中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素,因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件,建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布,结合自由端的变形,分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明:随着往复扫描次数的增加,温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡,中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后,激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用,使翘曲变形增大,1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm,但随着扫描次数增加,促进作用减弱,弦高增长量略降低,最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果,温度场最大误差为9.85%,翘曲线Z向位移最大误差为4.33%,其中,弦高误差为2.16%,为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。     

超声辅助钛合金激光沉积成形试验研究

借鉴超声振动在铸造、焊接、熔覆等领域中的作用,将超声振动引入钛合金激光沉积成形系统中,利用超声作用细化晶粒,均匀组织成分,减小试件的残余应力,从而解决成形件变形开裂的难题。针对成形系统的结构特点,搭建了超声振动系统,进行了超声振动辅助钛合金沉积成形试验。通过观察沉积试件的微观组织和对试件残余应力的测试,发现超声振动使试件熔覆层中的晶粒得到细化,使功能梯度材料试件中的TiC硬质相弥散均匀;并且能够减小试件的残余应力。测试结果表明超声空化或机械效应可以打碎由初生枝晶交错连接形成的固态结晶网,从而细化了晶粒,同时使继续结晶时熔体得到补充,减小了枝晶间产生的拉应力;另外超声波在熔池中的搅拌声流将使硬质相运动到熔池各处,使之分布更为均匀,在一定程度上减少了相与相之间凝固收缩应力的不同而产生的凝固应力。     

考虑结合面的不锈钢-碳钢层合板脉冲激光弯曲数值模拟

采用热-结构间接耦合方法,建立了含结合面的不锈钢-碳钢层合板(SCLS)脉冲激光弯曲多层有限元模型(FEM),通过分析脉冲激光扫描过程中不锈钢层、碳钢层及其结合面的温度场、应力应变场的分布情况,探讨了结合面对层合板激光弯曲角度和质量的影响。研究结果表明,整个激光弯曲过程中结合面处温度平滑传递,横向应力和应变均存在明显突变,变形结束后,上下覆层呈现横向残余拉应力,中间基层呈现横向残余压应力;当激光功率为140 W、扫描速度为800mm/min、离焦量为10mm时,结合面最大Z向应力为87.5 MPa,小于层合板界面结合强度(≥210 MPa)。通过脉冲激光扫描实验和模拟,实现了层合板的有效弯曲,实验结果与模拟结果误差小于5%,为层合材料激光弯曲成形提供了理论与实验依据。     

激光熔覆添加碳化钨的镍基合金应力状况研究

在20Cr2NiSiW基体上熔覆添加碳化钨的镍基合金．对熔覆层的应力状态进行了分析。未预热的熔覆层存在热应力的残余应力峰值700MPa．和相变应力的残余应力峰值850MPa。熔覆件整体的熔前预热和熔后保温。可以改善熔覆层的应力分布。消除部分热应力和相变应力，残余应力也有所降低。虽然仍呈现熔覆层受拉应力，热影响区受压应力的状态．但热应力的峰值降到510MPa．热应力峰也从表面移到了熔覆层的中部。界面的相变拉应力峰被消除．得到了应力分布状态较好的激光熔覆层。在未预热的熔覆层内，先共晶的奥氏体枝晶的生长，从界面开始逆温度梯度方向定向生长．直到熔覆层的表面。而在预热的熔覆层内．先共晶的奥氏体的生长方向变为从熔池的四周垂直于熔池的边界生长．到熔覆层的中部结束。     

45钢表面激光熔覆316L涂层显微组织与性能

采用激光熔覆技术在45钢表面制备316L合金涂层，分析了激光熔覆层的微观组织，测试了激光熔覆层的微观显微硬度。结果表明：激光熔覆区显微组织为细小树枝状结晶组织，熔覆区微观组织均匀致密以及存在着硬质点弥散分布，使得表面耐蚀性、硬度和耐磨性大幅度提高。熔覆层中残余应力一般是拉应力，随着熔覆层厚度的增加，应力回落并逐渐稳定下来，且基体残余应力较熔覆层小。     

Research on residual stress inside Fe-Mn-Si shape memory alloy coating by laser cladding processing

The stainless Fe-Mn-Si shape memory alloy (SMA) coating was prepared on the surface of AISI 304 stainless steel. The principal residual stress measured by the mechanical hole-drilling method indicates that the Fe-Mn-Si SMA cladding specimen possesses a lower residual stress compared with the 304 stainless steel cladding specimen. The mean stress values of the former and the latter on 10-mm-thick substrate are 4.751 MPa and 7.399 MPa, respectively. What’s more, their deformation values on 2-mm-thick substrate are about 0° and 15°, respectively. Meanwhile, the variation trend and the value of the residual stress simulated by the ANSYS finite element software consist with experimental results. The X-ray diffraction (XRD) pattern shows ε-martensite exists in Fe-Mn-Si SMA coating, which verifies the mechanism of low residual stress. That’s the γ→ε martensite phase transformation, which relaxes the residual stress of the specimen and reduces its deformation in the laser cladding processing.     

激光熔覆含碳化钨的镍基合金

在20Cr2NiSiW基体上熔覆添加碳化钨的镍基合金,对熔覆层的应力状态进行了分析, 基体的熔前预热和熔覆层的熔后保温,可以改善熔覆层的应力分布。在表面层和基体之间熔覆具有良好韧性的“过渡层”,减少了微裂纹。分析了掺碳化钨的镍基合金复合熔覆层的硬度分布和微观结构。改进了激光熔覆工艺,得到了应力分布状态较好的无裂纹的激光熔履层。     

激光增材制造工艺参量对熔覆层残余应力的影响

为了探究工艺参量对激光增材制造熔覆层残余应力影响规律，采用数值模拟及实验验证相结合的方法，取得了激光增材制造熔覆层截面深度方向上沿扫描路径y方向和垂直扫描路径x方向上残余应力的分布规律，并在此基础上进行了不同工艺参量对y方向和x方向应力场影响分析。结果表明，在一定参量范围内，随着熔覆层深度的增加，y方向残余应力均表现为拉应力，呈现先增大后降低趋势，在熔覆层顶部约0.2mm处存在最大拉应力为262MPa；x方向由压应力逐步转变为拉应力，其略小于y方向应力值；随着激光功率的增大，x方向残余应力逐渐增大，y方向残余应力逐渐降低；随着扫描速率的增大，x方向的残余应力将随之减小，而y方向的残余应力将随之增大；随着送粉量的增大，x方向和y方向的残余应力均将随之增大。此研究为降低激光增材制造熔覆层残余应力及工艺参量优化选择提供了指导。     

纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难,得到冶金结合良好的Ni60熔覆层,采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法,在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验,并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型,对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时,Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV_0.2;常温下,Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45,摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明,随着预热温度的升高,Ni60熔覆层中裂纹减少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度,减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术,在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层,可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。     

Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层残余应力模拟与测量

为制备低残余应力涂层,在304不锈钢表面激光熔覆Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层。采用ANSYSTM有限元分析软件分析其应力场,利用机械钻孔法测量相同工艺条件下的激光熔覆试样的残余应力分布特性对模拟结果进行验证,并采用XRD分析Fe-Mn-Si记忆合金涂层低残余应力机理。结果表明,激光熔覆产生的应力诱发Fe-Mn-Si记忆合金各涂层马氏体转变,将残余应力释放,得到低残余应力涂层。在受到各道激光照射（光斑接近至远离）过程中产生的热应力交替呈现为拉-压-拉应力状态,越远离激光热源中心,热应力越小;冷却完成后,激光涂层上残余应力表现为拉应力,最大应力位于基体与涂层交界处;在垂直与平行于激光熔覆两个方向上,涂层中的残余应力均呈现两侧大中间小的分布规律,在厚度方向上,熔覆涂层表面至涂层中心残余拉应力逐渐增加到最大值后,过涂层中心至熔化边界残余拉应力的数值开始逐渐降低,过涂层边界后,基体承受压应力并逐渐趋于零应力应力状态。     

基于温度场评估的激光熔覆顺序决策方法研究

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法,采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析,并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法,即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场,根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明,取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV,620.58HV,623.34HV,680.09HV,673.58HV和683.01HV,变形均值为0.9722mm和0.6458mm;评估选择法有最均匀的温度场,熔池周围有最大的温度梯度,其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度,同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。     

激光快速成形316L不锈钢残余应力分布

本文采用钻孔法对316L不锈钢激光快速成形薄板二维残余应力分布进行了实验研究。研究结果表明,平行于激光扫描方向的残余应力σy,在整个熔覆高度上以拉应力作用为主,在靠近基材一侧为较大的拉应力,当到达一定的熔覆高度后,随着熔覆层的进一步增加,开始有所回落,并逐渐稳定下来,保持较低的拉应力状态;垂直于激光扫描方向的残余应力σz,基本表现为拉应力,数值相对较小,随着熔覆层的增加,拉应力数值逐渐减小,有改变为压应力的趋势。     

316L激光熔覆质量预测及路径选择研究

为了避免激光熔覆时熔覆层边界处产生过烧和塌陷等缺陷,基于热传导理论分析了基体不同位置的散热差异,采用数值计算方法分析扫描路径对温度场的影响,在激光功率1000W、扫描速率5mm/s、送粉量9.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时,同向熔覆和异侧熔覆比反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度分别降低约300℃和500℃,预测了反向熔覆和同侧熔覆的过烧和塌陷区域并进行了实验验证。结果表明,扫描路径对边界过烧和塌陷的影响很大,同向熔覆和异侧熔覆可以在保证高加工效率、材料利用率以及合理工艺参量的同时提高边界熔覆质量;异侧熔覆可以更好地平衡热量累积与散热间的关系,使熔覆层边界晶粒细密、内部组织分布均匀、性能更加优良。此项研究对提高激光熔覆层质量是有帮助的。