激光熔凝过程中低碳钢组织的形成及熔凝组织加热转变规律

基于激光熔凝处理的一维热场模型和金相分析，研究了低碳钢在激光熔凝过程中的组织形成规律。使用Gleeble1500型热力模拟机实现对激光熔凝处理试样不同保温时间的控温加热，研究了激光熔凝组织的加热转变规律。利用激光熔凝加后续热处理的方法在材料表面获得了细小等轴组织。     

激光参数对蠕墨铸铁熔凝组织演变及高温力学性能的影响

采用额定功率为3 kW的Nd:YAG激光器开展不同激光参数的激光熔凝蠕墨铸铁试验,通过扫描电镜、光学显微镜、硬度仪和高温加热炉表征了激光熔凝宏观形貌、微观特性变化、硬度分布和高温回火性能。结果表明:由于激光熔凝蠕墨铸铁中匙孔效应及不同激光参数差异等影响,熔凝区宏观形貌呈现勺形、帽形、碗形和盆形;伴随激光功率的增加和扫描速度的降低,且激光功率密度达到形成匙孔能量密度阈值时,熔凝区域的深宽比增加;伴随激光扫描速度和侧吹保护气流量的增加,熔凝区网状莱氏体分布区域减少;随着激光功率的增加,熔凝中心区域莱氏体由层片状转变为网状;对激光熔凝蠕墨铸铁进行500℃回火工艺处理,熔凝区硬度增加,基体与热影响区硬度降低。     

42CrMo钢表面激光宽带熔凝有限元模拟

建立了适用于激光熔凝过程的激光宽带热源模型。并应用SYSWELD软件的校正工具,根据具体的激光熔凝工艺和条件对热源进行校正,建立激光熔凝过程的数学物理模型,考虑材料热物理性能参数与温度的非线性关系以及边界初始条件,分析了激光熔凝的温度场。42CrMo板材表面激光熔凝试验表明,宽带热源模型得到的热源形状及“平底锅”状熔凝区截面形貌与实际相符,熔凝区截面尺寸和试验测量值一致,验证了模型的准确性和适用性。使用宽带热源模型可以计算得到符合实际的光斑和熔凝区截面,获得更合理的温度场分布。     

宽带激光熔凝过程温度场及残余应力数值分析

基于激光宽带熔凝强韧化处理过程,利用有限元软件SYSWELD建立三维有限单元模型,通过设定精确的边界计算条件,同时考虑材料组织与性能随温度的变化,模拟工件表面的温度场和残余应力.考虑了相变潜热、导热系数等材料热物性参数随温度变化等因素的影响,研究激光宽带熔凝加工瞬态温度场和热应力的分布规律.对计算结果进行分析,并与实验数据相比较.结果表明,通过瞬态温度场分布,能够逼真地反映温度变化规律;宽带激光熔凝后,在工件表面获得了有利的残余压应力分布,热影响区存在应力突变.     

轧辊激光表面处理后的显微组织及性能

采用1 kW横流CO2 激光器对工业用半钢、无限冷硬铸铁及高速钢3种轧辊试样进行表面激光处理.用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪及显微维氏硬度计等对激光处理表面进行观察和测试.结果表明,3种试样的横截面组织由熔凝区、相变区、热影响区和原始组织4部分组成,激光扫描后的熔凝区硬度低而相变区的硬度高;试样经540℃×1 h回火后由于残留奥氏体转变使熔凝区的硬度有不同程度的上升,而相变区的硬度由于马氏体过饱和度的下降硬度反而下降;熔凝区内有大量的细点状FeS及MnS夹杂物;与含碳量较低的半钢和高速钢不同,无限冷硬铸铁轧辊的熔凝区内及其周围产生了热裂纹.     

45钢光纤激光熔凝工艺

采用光纤激光对45钢表面进行了激光熔凝处理研究. 结合熔凝层深度、组织、显微硬度和摩擦磨损性能分析,研究了多道激光熔凝的激光功率、激光扫描间距对熔凝工艺的影响规律. 结果表明,在改变激光功率的研究中,熔凝层深度随激光功率的增大而增加,熔凝层的显微硬度呈周期性变化,后道激光处理对前道熔凝层存在回火热处理作用. 在改变激光扫描间距的研究中,进一步验证了后道激光熔凝对前道的热影响作用,同时适当增大扫描间距,获得软硬相间的熔凝层表面,有利于改善钢材表面的耐磨性能,同时可适当提高激光熔凝处理的生产效率.     

激光熔凝蠕墨铸铁气孔形成机理和微观组织分析

采用额定功率为3 kW的Nd∶YAG激光器开展激光熔凝蠕墨铸铁试验,通过光学显微镜、扫描电镜、能谱仪和硬度仪分别表征了熔凝层宏观形貌、显微组织、元素和硬度分布。结果表明:激光熔凝蠕墨铸铁横截面为碗状形貌,且在熔凝层观察到气孔;由于激光熔凝的快速加热和冷却,熔凝层为枝晶组织且枝晶间弥散分别着颗粒状的渗碳体;由于热影响区不同区域温度分布差异,不同区域高温下奥氏体化后碳的浓度分布有差异等,热影响区靠近熔凝区域为板条状马氏体,远离熔凝区为针状马氏体;在热影响区,由于石墨的扩散会降低该区域附近的熔点,导致在热影响区观察到牛眼状组织;采用激光熔凝方法熔凝层的平均硬度高于基体3倍以上。     

球墨铸铁凸轮轴的激光表面熔凝处理

分析了激光表面熔凝处理后球墨铸铁凸轮轴硬化层的组织和性能特点，并与其它强化方法进行了比较。结果表明，采用适当的激光表面熔凝处理工艺参数，可以在表面获得搭接均匀、表面硬度大于80HRA和厚度达1．0mm的硬化层；硬化层由熔凝层和淬硬层组成，其中熔凝层的基体组织主要为细小、均匀并且有一定方向性的亚共晶莱氏体，淬硬层主要由石墨球及其周围的硬质环、细马氏体和铁素体基体所组成。与其它铸铁凸轮轴强化方法相比，激光表面熔凝处理具有表面硬度高、组织细小均匀、零件畸变小和不影响心部性能等优点。     

铸铁凸轮轴激光熔凝工艺和性能研究

利用激光熔凝的方法，对铸铁凸轮轴进行了表面改性试验。通过三组不同参数的比较试验，获得了提高其性能的优化工艺参数，经对熔凝层显微组织观察，发现合金组织细小，表面硬度显著提高，达到了提高寿命的目的。     

硼铸铁缸套激光表面熔凝组织和性能的研究

为了提高硼铸铁缸套的耐磨性能，对硼铸铁气缸套进行激光熔凝处理。利用扫描电子显微镜观察了激光熔凝处理后的显微组织。利用显微硬度计检测了激光熔凝组织的显微硬度，同时进行了以GCr15钢标准环为配副的环块磨损试验。研究结果表明，硼铸铁经激光熔凝处理后得到了共晶莱氏体 马氏体组织，而且激光熔覆层厚度可控，组织和性能稳定，熔凝强化表层显微硬度达到800-1200HV0.2。磨损试验结果显示，激光熔凝处理后，磨损截面积比未处理的试样减小了44.4%，从而表明激光熔凝处理是提高硼铸铁缸套耐磨性能的有效手段。     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...     

激光表面淬火对铬钼铸铁组织和硬度的影响

采用TH-3DC3000型激光加工系统对铬钼铸铁进行了激光表面淬火处理,研究了不同激光功率和扫描速度对铬钼铸铁显微组织、表面硬度及硬化层深度的影响。结果表明,经激光表面淬火后,铬钼铸铁的组织由硬化区、过渡区和基体3个区域组成,硬化区组织为隐晶马氏体、残留奥氏体和球状石墨,过渡区组织为隐晶马氏体、珠光体和球状石墨,基体组织为铁素体、珠光体和球状石墨。在激光表面淬火未对试件产生过热影响时,激光功率的增大和扫描速度的降低均会提升铬钼铸铁的表面硬度和硬化层深度。在5 mm×20 mm的矩形激光光斑下,确定最优的参数组合为激光功率2300 W、扫描速度0.003 m/s,采用该参数组合对铬钼铸铁进行激光淬火处理时,表面硬度为760 HV0.3,硬化层平均硬度为724 HV0.3,硬化层深度可达1.4 mm以上。     

铁素体基球墨铸铁激光表面重熔后的组织与性能

通过调整激光重熔工艺参数对球墨铸铁进行表面重熔处理 ,获得了白口铸铁层 ,对熔化层的显微组织、力学性能、熔化层 基体界面特性与工艺参数的关系进行了仔细研究 ,结果表明 :快速加热熔化、快速冷却凝固和部分碳被烧损 ,使熔化表面凝固后获得白口铸铁层 ,构成了球墨铸铁与白口铸铁的复合材料 ;激光重熔处理后的白口铸铁层显微组织很细 ,具有高的强度和硬度 ,随着激光束扫描速度的增大 ,显微组织变细 ,硬度增高 ;熔化层的横截面积与激光束扫描速度之间在一定条件下接近双曲线关系。     

激光熔覆层温度场和应力场的数值模拟

采用Sysweld软件对激光熔覆钴基合金涂层的温度场、应力场进行了数值模拟.结果表明,随着扫描速度的增加,熔池形状变得窄而长,熔覆层各点的峰值温度停留时间缩短,熔池的深度、宽度相应减小;熔池及热影响区各点的温度随着与激光热源距离的增加而明显降低;此外,随着激光扫描速度的增大,熔覆层的残余应力和残余变形相应增大.     

激光选区熔化致密度预测模型建立与工艺验证

致密度是评价增材制造成型件性能的重要参数之一,而高致密度成型件对应的工艺参数需要大量实验研究获得。针对该问题,本文建立了基于工艺参数的熔池致密度预测模型,能够有效地预测熔合不良引起的孔隙,进而为激光选区熔化工艺参数的选择和优化提供更多的参考。模型采用有限元分析和数值计算软件获得熔池尺寸以及模拟多层多道次的熔池拼接形貌,并预测工艺参数对应的致密度。同时在熔池预测模型中引入了波动系数、偏转角度以及层间扫描转角,以此兼顾熔池尺寸波动、熔池倾斜以及层间扫描转角对熔池模拟结果的影响。最终通过HR-2不锈钢选区激光熔化实验对预测模型的可行性进行验证。结果表明,模型预测结果与成型件熔池实验结果吻合较好,致密度预测结果与实测偏差在2%以内。     

选择性激光烧结金属粉末瞬态温度场模拟

局部输入的集中移动热源造成了选择性激光烧结过程中温度场分布不均衡且不稳定,因此研究其温度场对掌握烧结过程中温度动态分布规律具有重要意义。在考虑了热传导、热辐射和热对流,材料的非线性热物性参数和相变潜热的作用下,建立了水雾化Fe多道烧结的三维有限元模型,采用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现移动的高斯热源的加载。模拟结果表明:激光烧结过程中,在光斑中心前端存在着较大的温度梯度;光斑中心的温度高于金属粉末的熔点,烧结过程存在液相;粉床内部温度场在深度方向呈漏斗状阶梯分布,随烧结深度的增加,粉床内部的温度和温度梯度迅速衰减;同一烧结道各点的最高温度相对稳定,但随着烧结道的增加,各点最高温度都有小幅度增加的趋势,这是温度累加的结果。     

合金铸铁聚焦光束表面强化技术

采用灯幅射聚焦光束做热源对合金铸铁进行表面熔凝处理,研究了熔凝处理层的组织和性能特点及光束工艺参数对组织和性能的影响。研究表明,采用聚焦光束熔凝正理２技术可在合金铸铁表面获得一个深度为毫米级、硬度为ｍ８５０的强化层,调节功率密芳和扫描速度可有效控制强化工和宽娄输入功率为５ｋＷ,扫描速度为３．５ｍ／ｈ时,一次熔凝正理２宽度可达１２ｍｍ。经光束熔凝处理后的合金铸铁组织有分层现象,采用较低的扫描速度时,     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层几何特征的影响

目的提高42CrMo钢激光淬火后硬化层的深度和分布均匀性。方法利用COMSOL Multiphysics软件对42CrMo钢激光淬火过程中温度场的演变进行分析,且考虑材料的热物性参数随温度变化。通过设定激光工艺参数模拟试样的温度场分布,利用马氏体转变条件得到硬化层形貌尺寸。参照模拟结果,利用连续输出的光纤耦合半导体激光器对42CrMo钢进行激光淬火实验,用热电偶测温仪对试样测温并与模拟的温度历史曲线进行对比,用光学显微镜对试样横截面处硬化层形貌进行分析,将实验所得硬化层形貌与模拟结果进行比较。并在相同的功率密度下,改变光斑的几何尺寸进行模拟,分析并比较硬化层的几何特征。结果实验所测某点的温度历史曲线与模拟结果一致性较高,硬化层实际形貌与模拟结果基本吻合。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心最深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。     

Experimental investigation and 3D finite element prediction of the heat affected zone during laser assisted machining of Ti6Al4V alloy

An experimental study was conducted to characterize the heat affected zone produced when laser heating a Ti6Al4V alloy plate workpiece. The emissivity and absorptivity of the Ti6Al4V alloy were determined experimentally. A 3D transient finite element method for a moving Gaussian laser heat source was developed to predict the depth and width of the heat affected zone on the Ti6Al4V alloy workpiece. There was a close correlation between the experimental data and the simulation results. It was found that the depth and width of the heat affected zone were strongly dependent on the laser parameters (laser power, laser scan speed, the angle of incidence and the diameter of the laser spot) and material properties (thermal conductivity, specific heat and density). Parametric studies showed that the depth and width of the heat affected zone increased with an increase in the laser power and decreased with an increase of the laser spot size and the laser scan speed. The thermal model can be used to determine the laser parameters for a given cut geometry that will yield no residual heat affected zone in the material after cutting. This provides the basis to optimize and improve laser assisted machining technique.