激光熔覆IN718合金温度场和应力场数值模拟*

为研究激光熔覆涂层温度场的演变和残余应力的分布规律,在316L不锈钢基板上激光熔覆Inconel718 (IN718) 合金,研究工艺参数对熔覆涂层宏观形貌的影响;基于实验所得工艺参数,利用Simufact Welding有限元软件建立热力耦合模型,通过数值模拟对熔覆过程中的温度场和应力场分布进行分析。结果表明：研究的工艺参数中,激光功率对涂层宽度的影响呈正相关性,送粉量对涂层高度呈较为明显的正相关性,而激光扫描速度对涂层高度呈较为明显的负相关性;熔池前端温度梯度最大,熔池尾部温度梯度较小;熔池峰值温度随着熔覆扫描的进行稳定于2 700 ℃左右;涂层最大残余应力为沿扫描方向上的拉应力,基板残余应力在涂层两侧呈对称分布,且最大残余应力为沿扫描方向的拉应力;残余拉应力是造成激光熔覆过程中基板“翘曲”变形的主要原因;基板与涂层热膨胀系数的差异是影响涂层与基板结合强度的另一原因。研究结果为后续基于实际工业中多层多道激光熔覆的研究奠定基础。     

损伤轴面激光熔覆修复残余应力测量及分析

残余应力直接影响激光熔覆修复机械零件的结构强度和安全性能,为了掌握损伤轴面激光熔覆修复后的残余应力分布情况,以40Cr钢零件轴为基材,Ni60自熔合金粉末为熔覆材料,采用脉冲激光熔覆工艺制备零件轴表面修复试件,利用盲孔法对零件轴修复试件进行残余应力分布特性分析。结果表明,在轴面激光熔覆的镍基合金修复层中产生了不可忽略的残余拉应力,高应力区位于熔覆层始末两道上;轴线方向检测点上X方向残余应力呈"M"形分布,Y方向残余应力呈"Λ"形分布,σx值较高,接近基材屈服强度的45. 9%,而圆周方向检测点的X方向和Y方向残余应力相对稳定,最大拉应力约为200 MPa;激光扫描路径对轴面熔覆层的残余应力值的影响大、分布形状的影响小,螺旋路径熔覆产生的残余应力值较低,更适合圆周面修复,但熔覆层始末两道边沿处的残余应力比中间部位高,有必要采取适当措施进行消应力处理,以获得优良的修复效果。     

45#钢激光熔覆FeNiMoCoCrTi高熵合金涂层工艺参数优化

为了实现高硬度高性能合金涂层,试验采用激光熔覆技术在45#钢表面上取得FeNiMoCoCrTi高熵合金涂层,并在熔覆过程中运用正交试验法对工艺参数进行优化,利用数学极差与方差相结合分析法对所测得各个参数数据进行整理与归纳,获得最佳工艺参数组合,同时对所得涂层进行XRD物相分析与硬度测试.研究结果表明:影响涂层硬度与性能的最主要的因素是激光功率和扫描速度,而离焦量主要影响涂层硬度.工艺参数首选组合是激光功率3 000W、扫描速度0.015m/s、离焦量50 mm,熔覆层的主要相组成为FCC+BCC+Simple cubic1 +Simple cubic2+Simple cubic3 +Laves 相.     

激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场的有限元模拟

利用ANSYS软件建立预置式粉层激光反应熔覆的数值模拟模型,考虑了相变潜热、辐射对流散热、表面效应单元等因素的影响;在不同的工艺参数下,用该模型对激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场进行了计算,分析了整个激光加工过程中温度场的变化情况。结果表明:激光功率和扫描速度对基体熔化厚度以及熔覆层宽度的影响都比较显著;激光功率是造成熔覆层较大温度梯度的主要因素;有限元模拟得到的最佳工艺参数得到了试验验证。     

超高速激光熔覆工艺参数对熔覆层组织和性能的影响

超高速激光熔覆技术与传统激光熔覆有所不同,可大幅提高熔覆效率,制备无缺陷的均匀薄涂层。为研究超高速激光熔覆主要工艺参数对熔覆层组织与性能的影响,采用超高速激光熔覆技术,分别以不同激光功率、熔覆速度、熔覆道间距在9Cr2Mo钢基体表面制备M2高速钢涂层,对熔覆层微观组织及力学性能进行表征。结果表明:熔覆层以细小等轴晶为主,晶间存在网状碳化物;熔覆层主要由α-Fe、γ-Fe以及少部分的MC和M2C碳化物组成;随着激光功率的增大、熔覆速度的减小、熔覆道间距的减小,激光束对熔覆层输入的能量密度随之增大,熔覆层平均晶粒尺寸呈现增大趋势;改变超高速激光熔覆工艺参数,提高对熔覆层的输入能量密度,熔覆层的显微硬度也更加均匀,平均硬度明显提高。     

激光熔覆镍基碳化钨工艺研究

利用IPG光纤激光器YLR-3000激光加工系统,探究45#钢表面多道激光熔覆自熔性镍基碳化钨粉末最佳工艺参数。首先通过改变单因素变量,得出单道激光熔覆时最佳激光功率、送粉电压和扫描速度,进一步确定离焦量和搭接率的选取,最后进行激光熔覆梯度涂层实验。单道实验中最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s,离焦量3mm,表面洛氏硬度(HRC:60)是基体(HRC:22)的3倍;当Ni60A粉末作为底层材料时,平均洛氏硬度是基体(HRC:22)的2.5倍,熔覆层厚度均匀且熔池深度基本保持不变,第一道与最后一道熔覆层的高度差仅为0.10mm,当Fe基合金粉末作为底层材料时,高度差0.28mm;熔覆层组织晶粒的形状在扫描方向上呈现出逐渐增大,熔覆层底层与上层冶金结合很好,其组织晶粒过度连续;熔覆层上层显微硬度分布均匀,约是基体的3倍。激光熔覆梯度涂层材料且上层材料为自熔性镍基碳化钨粉末时,底层材料选择Ni60A粉末,得到的涂层成形质量更佳,最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s、离焦量3mm、搭接率25.47%。     

关于钩缓装置激光修复的工艺参数的研究

本文利用Laserline LDF4000-100型激光器在40Cr钢板上制备8620合金涂层,以熔覆层截面形貌质量作为指标,优化工艺参数,并研究了工艺参数对显微硬度的影响。结果表明,当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%作为工艺参数进行单道熔覆时,可以获得结合强度较高、表面成型良好的熔覆层;当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%、搭接率60%作为工艺参数进行多道熔覆时,可以获得焊道熔深合适、熔合良好的熔覆层。在一定参数范围内,激光功率增加可以导致熔覆层显微硬度下降,而扫描速度和送粉率增加则可以增加熔覆层显微硬度。     

热容量对激光熔覆Ni60B复合涂层组织的影响

本文研究了不同热容量对宽带激光熔覆Ni60B复合涂层组织的影响。结果表明在相同的激光熔覆工艺参数下,随着热容量的增大,复合涂层中的组织越来越细小,反之,则越粗大;在同一热容量下,随着激光扫描速度的增大,复合涂层中的组织越来越细小。     

液压支架激光熔覆不锈钢合金涂层的实验研究

采用激光熔覆技术在硅锰钢样件表面制备了不锈钢涂层,用SEM和能谱仪分析了基体与熔覆层界面以及熔覆层之间的微观组织及成分,开展了试样弯折和冲击强度测试实验。结果表明:在激光功率为6kW、扫描速度为8mm/s、光斑直径为5mm、搭接率30%的工艺条件下,基体与熔覆层界面以及熔覆层之间出现小亮带,形成冶金结合;熔覆方向垂直于观察面的覆层形貌呈蜂窝状,熔覆方向与观察面平行的覆层形貌呈竖直条状;在功率6kW、扫描速度16mm/s、光斑直径5mm、搭接率30%时,熔覆层与基体以及熔覆层之间会产生夹渣;熔覆层具有较好的韧性和冲击强度,熔覆后的试样的冲击强度提高了7.7%。     

工艺参数对铁基激光熔覆层组织和耐磨性的影响

采用激光熔覆技术在45钢表面制备铁基合金涂层,分析研究了在一定工艺参数范围内,熔覆区和结合区微观组织变化规律,摩擦磨损性的变化规律。结果表明:激光功率和扫描速度对熔覆层组织和耐磨性有规律性的影响,最终确定p=2.5 kW、v=3 mm/s~4 mm/s为优选工艺参数。     

离焦量对中空环形激光熔覆层温度场及应力场的影响

为减小光内送粉激光熔覆层的残余应力,研究了不同离焦量对熔覆层温度场和应力场分布的影响规律。采用数值模拟与实验验证相结合的方法分别对离焦量为0、-1 mm、-2 mm、-3 mm、-4 mm的温度场及应力场进行了研究。结果表明：采用负离焦量的温度分布更为均匀,熔覆层内的残余应力更小;离焦量增大时,激光扫描方向上的残余应力随熔覆层深度增大逐渐减小。     

Preparation,microstructure and tribological behavior of laser cladding NiAl intermetallic compound coatings

Nickel aluminide (NiAl) intermetallic compound coatings were in situ synthesized from pre-placed mixed powders of Ni and Al by laser cladding. The phase composition and microstructure of the NiAl coatings were studied by means of X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The effects of laser cladding parameters on the microstructure and friction and wear behavior of the NiAl coatings were investigated. It has been found that laser power density had a crucial influence on the microstructure and friction and wear behavior of NiAl coatings. Namely, the NiAl coatings synthesized under a lower power density have more dense and fine microstructure, and lower friction coefficient and wear rate. Besides, the friction and wear behavior of the laser cladding NiAl coatings is highly dependent on applied normal load and sliding speed; and the resulting coatings sliding against Si₃N₄ in a ball-on-disc contact mode is more suitable for tribological application at a moderate normal load of 3–7 N and sliding speed of 0.16–0.21 m/s.     

Evaluation of surface residual stresses in HVOF sprayed WC-12Co coatings by XRD and ED-hole drilling

Thermally sprayed coatings are inherently associated with residual stresses in the coatings. These stresses have a noticeable effect on the physical and mechanical properties of coatings. The high speed hole drilling method is widely used to measure the residual stress. Due to the nature of the thermally sprayed coatings, the application of this method for WC/Co coatings has some limitations. In the current study, WC-12Co coatings were deposited using HVOF thermal spraying. The electro discharge hole drilling method was developed to measure the through thickness residual stress in WC-Co thermally sprayed coatings. Morphological studies were conducted using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the powder and coating characteristics. The sin²ψ method was used to evaluate the surface residual stress by means of XRD. The residual stress at the surface using EDM and XRD was approximately ?32.54 MPa and ?40.6 MPa respectively. The experimental results reveal that the stress curves are not uniform through the coating thickness. It has been found that the mean residual stress is of approximately ?126 MPa. Obtained results are in good agreement with the reported values from literatures. The developed method confirms the feasibility of residual stresses measurement for HVOF thermally sprayed WC-Co coatings.     

激光熔覆镍基合金粉末最佳工艺参数的选择

在30CrMnSi表面进行了Ni-25粉末的激光熔覆试验。在保持保护气体流量不变的情况下,通过改变激光的功率和扫描速度,进行不同工艺条件下的单道激光熔覆试验。试验表明,当激光功率为1 500W,扫描速度为7mm/s时,熔覆层金相组织细小且无裂纹。     

宽带激光熔覆高硬度火焰喷涂层组织和裂纹行为

对镍基合金火焰喷涂层进行宽带激光熔覆试验,分析熔覆层组织、物相组成和硬度分布规律以及工艺参数对组织、结合强度和硬度的影响。激光熔覆过程骤冷骤热的特点使得熔覆层内存在较高的拉应力,同时,由于激光熔覆镍基合金火焰喷涂层主要由g (Fe, Ni) 固溶体和弥散分布的高硬度脆性碳化物相(Ni, B) 和(Cr, Si) 相组成,熔覆层强度和硬度显著提高而延性降低,在凝固过程残余内应力的作用下极易开裂,熔覆层裂纹为低延性穿晶脆性冷裂纹。基体的预热和熔覆后保温缓冷可有效降低温度梯度,释放残余内应力,当预热温度为300 ℃时,熔覆层裂纹消失。     

TiC颗粒增强镍基合金激光熔覆工艺仿真

通过有限元分析方法对不同激光功率、扫描速率以及光斑直径下TiC/Inconel 718复合材料制造过程中的热-力学特征进行了研究。通过线性组分公式确定复合材料的热物理性能参数,选用半球高斯热源模拟激光温度载荷,利用生死单元技术实现金属粉末增材过程。采用间接法进行激光熔覆热-力耦合分析,基于温度分析结果转换单元类型进行热应力计算。研究表明个工艺参数与温度、温度变化率及残余应力的变化存在一定的规律,且激光加工功率在225～250 W之间、扫描速度在1.0～1.5 mm/s之间、光斑半径在2.5～3.0 mm之间达存在最佳加工参数,可以达到较好的熔覆效果。     

激光熔覆与激光-感应复合熔覆WC-Ni60A涂层的结构与性能特征

对单纯激光熔覆与激光-感应复合熔覆Ni60A+35%WC涂层的几何外形、稀释率、WC颗粒分布、显微组织与抗干滑动磨损性能进行对比分析。结果表明,单纯激光熔覆的最大激光扫描速度与最大送粉量仅为600 mm.min–1与25 g.min–1,当激光-感应复合熔覆采用相同的工艺参数时,复合熔覆层的宽度、热影响区、稀释率均大于单纯激光熔覆层,厚度却小于单纯激光熔覆层,WC颗粒与析出的碳化物不均匀地分布于复合熔覆层内,复合熔覆层的抗干滑动磨损性能比单纯激光熔覆层的差。但是,激光-感应复合熔覆的最大激光扫描速度可以提高到2 200 mm.min–1,最大送粉量可以提高到75.6 g.min–1,加工效率是单纯激光熔覆的3倍多,复合熔覆层内WC颗粒分布均匀,经检测无裂纹且稀释率仅为5.2%,抗干滑动磨损性能约是单纯激光熔覆层的1.42倍。     

Eddy-current testing of the hardness,wear resistance,and thickness of coatings prepared by gas-powder laser cladding

The possibility of applying the eddy-current method to estimate the composition, hardness, abrasive wear-resistance, and wear resistance under sliding friction conditions of chromium-nickel and chromium-nickel-cobalt coatings prepared by gas-powder laser cladding was studied. Variations in the readings of an eddy-current instrument along the depth of the surface cladding layer and with changing thickness of coatings, which are due to the distribution of structural components in coatings and large differences between the electromagnetic characteristics of cladding layers and the ferromagnetic steel base of specimens, were determined. A technique of the eddy-current testing of the thickness of Cr-Ni and Cr-Ni-Co cladding coatings on a ferromagnetic steel base is proposed. It allows one to estimate the quality of the strengthening laser cladding and subsequent grinding, monitor the state of coatings under service conditions, and forecast the residual life of cladding elements subjected to intense wear.     

微观组织及残余应力对瑞利波评价激光熔覆层应力的影响

采用瑞利波评价激光熔覆层表面应力,结合静载拉伸试验,建立Fe314激光熔覆层中瑞利波的声弹关系曲线;通过对声弹关系曲线拟合实现对激光熔覆材料声弹系数的标定,在此基础上建立声弹公式;通过试验验证声弹公式评价激光熔覆层表面应力的可行性。分析激光熔覆层微观组织及残余应力对应力评价结果的影响,试验结果表明,这两种因素会显著影响熔覆层表面应力评价结果,采用声弹公式计算出的初始应力校准之后,理论计算结果与实际加载值更为接近,并且误差保持在可接受的范围之内。此外,由于静载拉伸过程中各向异性激光熔覆层变形不均匀,瑞利波检测应力试验中高应力阶段的误差明显大于低应力阶段误差。     

K418高温合金多层多道激光熔覆工艺研究

为修复某型涡轮导向器损伤叶片,在K418高温合金基底上自配粉末进行了多层多道激光熔覆试验,优化了工艺参数,分析了熔覆层的显微组织,测试了熔覆层的硬度,研究了激光熔覆修复某型涡轮导向器损伤叶片工艺的可行性。结果表明,当激光功率为730W,保护气流1．5L／min,扫描速度为8mm／s,搭接系数为50％时,可获得宏观和微观上均没有缺陷的熔覆层;熔覆层区组织由柱状枝晶与等轴晶组成,工艺参数影响晶粒大小;激光熔覆层平均显微硬度值为415HV;通过优化工艺参数可达到修复和强化叶片的目的。