316L不锈钢激光熔覆宏微观特征优化

为了获得高质量激光熔覆制件，针对现有研究仅以宏观几何形貌为优化目标的问题，以316L不锈钢为例，提出一种以宏微观特征为目标的工艺优化方法.首先通过全析因设计和回归分析构建熔覆层宏观几何形貌及微观组织同主要工艺参数的经验统计模型，探讨了工艺参数对几何形貌及微观晶粒平均截距的影响规律.然后选用几何形貌和晶粒平均截距作为评价熔覆成形质量的指标，采用复合合意性函数确定了最佳工艺参数和合适工艺窗口，最后验证了该方法可行性和有效性.结果表明，在选择最佳工艺参数的条件下，宏微观特征的统计模型具有较高预测精度，制备的熔覆样件不仅具更高的显微硬度，还具备良好的拉伸性能：屈服强度为439 MPa，抗拉极限为751 MPa，断后伸长率为26%，实现了宏微观特征的优化.     

激光熔覆WC-Ni基金属陶瓷涂层的几何形貌特征

通过送粉式激光熔覆系统将WC-Ni基金属陶瓷粉末熔覆到45钢和铸铁基体上,观察其熔覆层的几何形貌特征。结果表明：以45钢为基体的金属陶瓷涂层,在功率变化很大的范围内其几何形貌特征良好;而以铸铁为基体的金属陶瓷涂层其几何形貌特征有缺陷,并分析了造成缺陷的原因。同时,将多元线性回归分析方法应用于激光熔覆层高度的预测。     

随机森林回归分析在激光熔覆形貌预测中的应用

激光熔覆修复过程中单道熔覆层形貌极大地影响修复效果,但多工艺参数对熔覆层影响的耦合作用机制尚未被研究清楚,因此,获得不同工艺参数组合与熔覆层尺寸的定量关系是亟待解决的难题。以Inconel 625合金的激光熔覆修复为背景,采用随机森林(Random Forest,RF)算法构建了激光熔覆工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速率)到单道熔覆层尺寸的回归模型,将模型用于特定熔覆参数组下单道尺寸的预测;同时在给定期望的单道熔覆层尺寸参数时,基于Gini不纯度选择强关联因子构建了工艺参数预测模型。结果表明,激光熔覆工艺参数预测模型的预测误差小于4%,能够准确地估计加工特定单道熔覆层截面几何形状所需的激光熔覆工艺参数。     

基于MPA-BP网络的单道激光熔覆熔深预测方法

针对激光熔覆过程中熔覆层深度无法精确控制问题，提出了基于海洋捕食者(Marine Predators Algorithm, MPA)优化的误差反向传播算法(Error Back Propagation, BP)单道激光熔覆熔深预测模型，以激光功率、扫描速度和送粉速率作为自变量，熔深作为因变量对模型进行评估。通过将该模型结果与PSO-BP、SOA-BP和SSA-BP神经网络的试验结果进行对比，发现MPA-BP预测模型的平均绝对误差为7.414%,拟合优度为0.964,相关数据的试验结果均优于其他模型，表明基于MPA优化的BP神经网络对熔深预测具有更好的稳定性和预测精度。     

钛合金单道激光熔覆工艺的研究

为获得钛合金单道单层激光熔覆的最优工艺参数,采用正交实验方法,进行激光熔覆成形试验。先找出激光功率、扫描速度和送粉速率对熔覆层几何尺寸的影响规律,再对比不同工艺条件所得熔覆层的表面及截面质量。通过对比分析,得到一组用于单道单层激光熔覆的最佳工艺参数组合,为以后激光熔覆成形试验提供了数据参考。     

矿用链轮激光增材再制造修复

目的 借助激光增材再制造技术,对矿用链轮磨损域修复工艺进行研究,以提升磨损链轮的力学性能,降低维修成本.方法 分别使用扫描仪及Imageware软件对链轮毛坯点云数据进行获取和处理,通过磨损域反求重构方法对磨损链窝进行几何建模,对得到的模型进行分层、路径规划及轨迹代码处理.通过工艺性试验对熔覆试件进行组织形貌、硬度与抗拉强度分析,在优选的激光加工工艺参数下,开展链轮的激光增材再制造修复.结果 在经重构的磨损链窝几何模型中,选取14个坐标数据与初始点云数据作定位比较,最大与最小偏差分别为0.26 mm和–0.05 mm,匹配性较好.在工艺性试验中,熔覆试件的性能分析结果表明,试件的整体表面形貌良好,熔覆区域组织均匀致密,熔合区与基体冶金结合性良好,熔覆层硬度明显高于基材硬度,熔覆高度和宽度分别在8000、23000μm左右,与预计结构尺寸保持一致.再制造链轮修复域硬度值达到50～56HRC,修复域无裂纹、气孔缺陷,熔覆层与基体呈现出良好的冶金结合性能.结论 重构的链窝磨损区域几何模型满足再制造加工精度要求,利用激光增材再制造修复技术能够实现再制造熔覆层与基体形成良好的冶金结合,并对表面起到强化改性的作用.经再制造修复的磨损链轮满足井下工况性能要求,具有较强的工程应用价值.     

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程，基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型，通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合. 针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟，研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理，并对模拟结果进行了试验验证. 结果表明，模拟结果与实际物理过程吻合较好，所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.     

激光熔覆修复技术的基础试验研究

激光熔覆修复是近年来迅速发展的一项有许多突出优点的零件修复技术,文章对该技术进行了基础性的试验研究,模拟实际零件的修复情况,通过在基体材料上加工一个"U"形缺口并用激光熔覆技术进行修复.把激光熔覆修复件制作成力学性能试件,获得了相关的试验数据,并对试验结果进行了分析,为激光熔覆修复技术的实际工程应用提供了理论依据.     

基于线性回归和神经网络的金属陶瓷激光熔覆层形貌预测

目的研究激光熔覆关键工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速率)与单道熔覆层宏观形貌(宽度、高度、熔池深度)之间的数量关系,以实现对WC-Co50复合熔覆层形貌的预测,从而为牙轮钻头的修复提供参考。方法设计不同的实验参数,利用4k W光纤激光器在牙轮钻头钢15MnNi4Mo表面熔覆单道WC-Co50复合涂层。采用工业显微镜观察单道熔覆层的横截面宏观形貌,并测量其三维尺寸。在上述形貌参数的基础上,分别运用多元线性回归分析和人工神经网络方法,建立关键工艺参数与熔覆层宏观形貌之间的关系模型,并将实验结果与模型预测结果进行对比。结果总体来讲,神经网络对熔覆层形貌的预测结果更为精确,平均相对误差为5.3187%;多元线性回归分析预测的平均相对误差为6.0028%。分析表明,对熔覆层宽度的预测结果最精确,两种方法的平均相对误差仅为1.2999%;对高度及熔池深度的预测结果稍差,平均相对误差分别为8.0586%和7.6237%。结论两种预测方法都具有较高的精度,但神经网络法函数关系不明确,运算过程复杂,需要通过进一步的算法优化来提高预测精度。     

表面织构对模具钢激光熔覆层性能的影响分析

目的 减少激光熔覆过程中产生较大的应力和裂纹的现象,提高激光熔覆后模具钢的抗疲劳性能,延长其使用寿命.方法 选取激光功率(800、1000、1200 W)、扫描速度(5、10、20 mm/s)、光斑半径(0.5、0.75、1 mm)作为激光熔覆模拟因素,以残余应力为主要试验指标,进行三因素三水平正交模拟试验,并对试验结果进行信噪比及极差分析,确定最优熔覆参数.在最优熔覆参数下,进行预置织构及无织构的激光熔覆模拟,对比分析两次模拟的熔覆层温度及残余应力分布.在最优参数下进行熔覆加工,验证有效性.结果 正交模拟试验得出最优熔覆参数为:激光功率800 W,扫描速度20 mm/s,光斑半径1 mm.得到最小残余应力平均值为360 MPa.此外,激光功率对残余应力的影响最为显著,其次是光斑半径,对残余应力影响最小的是扫描速度.在最优熔覆参数下,对预制织构的模型进行激光熔覆模拟,得出残余应力平均值为149 MPa.相比较于无织构熔覆模拟,预置织构熔覆模拟的平均应力值降低了大约58.56％.对无织构和有织构模具钢表面进行激光熔覆加工,测量残余应力,验证了该方法的有效性.结论 通过在基体预置表面织构的方法,在保证熔覆温度的前提下,降低了残余应力,最终能达到降低残余应力、减少裂纹产生的目的.     

细长轴表面激光熔覆轨迹理论分析与试验研究

利用ANSYS有限元分析软件,基于螺旋式和光栅式扫描轨迹建立细长轴激光熔覆模型,并对不同熔覆轨迹下的温度场进行仿真研究。结果表明:两种熔覆轨迹方式均会产生热量累积,且螺旋式热累积量相对较小,光栅式熔覆轨迹下各道次涂层的表面温度高于螺旋式各圈层表面温度。采用光栅式熔覆时细长轴中心位置的温度曲线呈不规则锯齿状上升趋势,采用螺旋式熔覆时中心位置的温度上升趋势更明显。此外,工艺试验结果表明采用螺旋式得到的熔覆涂层表面质量较为理想,而光栅式熔覆表面出现过烧现象。     

AZ91D镁合金激光熔覆Al+Al_2O_3涂层的界面特征

在AZ91D镁合金表面激光熔覆Al+Al2O3粉末制得了复合涂层。用扫描电镜、高分辨透射电镜和原子力显微镜对涂层与AZ91D镁合金基体界面结合区生长形态和特征以及涂层中Al2O3粒子的分布进行了观察,用能谱仪对界面结合区的元素线扫描,用X射线衍射分析确定了涂层及基体中的相组成。结果显示,涂层中Al2O3粒子的分布是均匀的,结合区的生长形态为独特的平行树枝晶,其组织形态受激光工艺参数的影响。     

激光熔覆过程热力耦合有限元应力场分析

根据激光熔覆的特点，建立了激光熔覆应力场分析模型，对送粉激光熔覆过程应力场进行了有限元分析。分析结果表明，熔覆结束后熔覆层处于拉应力状态，但各个方向拉应力的大小不同。熔覆层材料沿熔覆方向发生的塑性拉伸变形，是造成熔覆层开裂的主要原因。提高基体预热温度可有效避免熔覆层开裂。     

感应洛伦兹力对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响

为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响,建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布;施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。     

工艺路径对多层多道激光熔覆残余应力的影响

采用盲孔法测量Q345钢块表面多层多道激光熔覆Co基涂层的残余应力,研究了熔覆工艺路径对激光熔覆残余应力的影响.结果表明,平行焊道方向的残余应力远大于垂直焊道方向的应力,且均为拉应力;增加激光熔覆层单层厚度,熔覆层及试板背部基材残余应力明显增大.与两层熔覆层激光焊道平行叠加的熔覆路径相比,采用两层熔覆层垂直交叉的熔覆工艺路径,降低了熔覆层的残余应力,采用分区熔覆且每个区域各熔覆层垂直交叉堆焊的熔覆工艺路径,熔覆层残余应力水平最低;熔覆前对试板进行2 mm的预弯变形对涂层残余应力影响不明显,但显著降低了试件背面的残余应力.     

MATLAB在激光涂层零件可靠性建模中的应用

制备了自熔合金粉末激光熔覆涂层试件,在多次撞击疲劳试验机上进行了可靠性试验。借助MATLAB对样本数据进行分析,建立了激光涂层零件的多冲可靠性模型。分析得出激光涂层零件在多冲载荷下疲劳寿命服从对数正态分布,并拟合P-S—N曲线,建立了多冲应力与疲劳寿命以及可靠度之间的关系。在理论分析的基础上设计了可靠性建模界面,为进一步的可靠性分析提供基础。     

基于遗传神经网络的镍基高温合金激光熔覆层形貌质量预测

采用反向传播(back propagation,BP)人工神经网络(artificial aeural network,ANN)和遗传算法建立了激光熔覆层形貌质量(熔覆层高度、宽度及稀释率)与激光功率、送粉速率和扫描速率之间的遗传神经网络预测模型.设计正交试验得到预测模型训练样本数据,并在正交试验的基础上,用极差分析法分析了各加工参数对熔覆层形貌质量各个指标的影响规律.经过试验验证,遗传神经网络模型预测值与试验实测值误差不大于4.6%.结果表明,运用该模型可以为准确的选择镍基高温合金激光熔覆参数提供一定参考,从而有利于提高镍基高温合金激光熔覆层形貌质量.