激光重熔路径对再制造涂层残余应力及表面质量的影响

为进一步提高再制造合金层表面质量,提升其综合力学性能,通过数值模拟与试验相结合的方式,研究激光重熔路径对熔覆层残余应力及表面质量的影响机理。首先,基于Simufact Welding软件平台分别建立了激光熔覆及三种不同扫描路径下的重熔模型,仿真研究重熔过程温度场及应力场变化规律。然后,进行了激光重熔工艺试验,通过X射线残余应力检测仪、基恩士超景深显微镜对再制造合金层的残余应力及表面形貌进行检测分析。仿真结果表明,重熔过程中工件表面各点的温度梯度比熔覆过程有明显的降低,重熔前工件最大残余应力为269.59 MPa,经激光重熔后,工件的残余应力得到明显的降低,且L1型重熔路径下工件的残余应力值最小,仅为重熔前应力值的1/2左右。残余应力试验结果与仿真计算数值偏差在10%以内,证明了仿真计算的准确性。通过对合金层的表面形貌进行三维提取发现,激光重熔能有效降低熔覆层表面粗糙度。     

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。     

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。     

感应预热对激光沉积修复TA15钛合金显微组织和残余应力的影响

利用6 kW光纤激光器的激光沉积修复系统和电磁感应加热设备,采用TA15钛合金粉末在基板未预热和预热到200℃、400℃时分别进行激光沉积修复实验。利用光学显微镜、显微硬度计、压痕法应力测试仪对激光沉积修复试样的显微组织、显微硬度、残余应力进行测试分析,得到不同预热温度对激光沉积修复显微组织、显微硬度、残余应力的影响规律。结果表明:随着感应预热温度的升高,片层组织变得粗大,初生相生长更加充分;组织分布均匀化,显微硬度轻微降低;残余应力明显减小。为感应加热辅助激光沉积修复提供指导依据。     

扫描路径对选区激光熔化热力演变的影响

选区激光熔化（SLM）是增材制造成形的主要工艺方式,其应用越来越广泛。影响其成形性能的主要因素是工艺参数组合方案,而扫描方式是其中的一个关键参数。本文以两种最常用的扫描路径为研究对象,深刻揭示其热力影响规律。首先建立符合SLM工艺特点的热力耦合仿真模型,并基于有限元软件进行二次开发,实现不同路径的仿真模拟;然后以一组工艺参数为例进行了仿真,结果表明,条纹式扫描轨迹的熔池几何和热应力均大于棋盘式;最后,通过熔道形貌与残余应力测试等多组试验数据均验证了仿真结果的正确性。该研究探明了扫描轨迹对SLM成形热力的影响关系,并为工程实践应用提供了一种高效的工艺仿真方法,从而便于进行SLM成形质量预判分析。     

扫描方式对激光直接成形过程中热力耦合场与残余应力分布的影响

利用有限元中的"单元生死"技术,通过ANSYS参数化设计语言(APDL)编程研究了长边扫描、短边扫描以及交错扫描方式对成形过程的热力耦合场以及残余应力分布的影响,并详细分析了各种扫描方式下,所选节点温度和热应力随时间的变化规律及残余应力沿各方向的分布规律。在与模拟过程相同条件下,实际成形实验所得结果与模拟结果吻合较好。     

激光电弧复合焊变形及残余应力的数值分析

基于Ansys Workbench软件平台,采用热弹塑性有限元法对304不锈钢激光电弧复合焊接试验进行数值模拟,数值计算得到的残余应力及热变形结果与焊接工艺试验结果吻合.分析不同激光功率下温度场与结构场的变化,研究激光功率对复合焊接热变形及残余应力的影响.结果表明:激光功率对复合焊接的最大变形量以及残余应力峰值有影响,...     

超声波对BT20钛合金激光沉积修复作用机制探究

通过ANSYS有限元数值模拟和试验相结合,研究了超声波对BT20钛合金激光沉积修复过程的作用。结果表明,超声波振幅为0.2～0.55 m时,能得到成形质量较好的修复层;当超声波振幅为0.4 m时,超声波对熔池的作用主要表现为超声的机械作用和热作用,而不是超声空化效应;超声的机械作用使得组织的气孔率降低,但是其机械作用不足以克服修复层晶粒外延生长的驱动力,没能阻止柱状晶沿沉积方向的生长;超声的机械作用将晶粒片层组织中的板条打断,而热作用使得熔池凝固速度降低,从而使板条变短变粗。     

TC17钛合金单双面激光冲击残余应力分布研究

为了探明双向钛合金TC17在单双面激光冲击强化下残余应力分布特征，采用数值分析方法研究了单双面冲击下残余应力分布规律。结果表明，单面冲击稳定后会在冲击对面产生拉应力，在冲击表面产生压应力，双面同时冲击时一部分残余压应力抵消了拉应力，同时又由于应力波的叠加和削弱作用，导致残余应力水平下降；单面激光冲击强化获得的x方向和y方向的最大残余应力分别为336.709MPa和337.011MPa，而双面同时激光冲击强化在两个方向均为326.401MPa；单面冲击会由于拉应力的产生而不利于抑制裂纹；双面同时冲击时试件两面的残余应力分布基本一致，双面顺序冲击时先冲击面残余应力要高于后冲击面；有限大试件需考虑冲击波的横向传播对残余应力的影响。该结果对单双面激光冲击强化的残余应力分布规律研究具有一定的指导意义。     

激光冲击强化对钛合金棒件疲劳寿命的影响

为了研究激光冲击对TC4-DT钛合金圆棒残余应力分布及疲劳特性的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了不同冲击载荷下圆棒最小直径截面内残余应力的分布,并对试样先后进行了激光冲击强化试验和拉-拉疲劳试验,最后对疲劳断口形貌进行了对比分析。结果表明,圆棒试样会在表面及近表面形成残余压应力层,在内部及中心区域产生拉应力,且表面残余压应力和内部拉应力皆随冲击载荷的增大而增大;内部拉应力区域面积远大于表面压应力层面积,致使疲劳裂纹扩展加速,从而导致疲劳寿命降低,对圆棒试件的拉-拉疲劳性能产生不利影响;圆棒试样经激光冲击强化后疲劳裂纹源向内部转移,且位于内部最大拉应力区域。该研究对轴类零件经激光冲击强化后的应用条件具有一定的参考价值。     

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.     

激光冲击强化对TC17微观组织和表面硬度的影响

为了研究激光冲击次数和冲击能量对TC17钛合金微观组织和表面硬度的影响,采用不同的工艺参量对TC17钛合金进行了激光冲击强化处理。TC17钛合金在激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,冲击过程中位错发生增殖、塞积、缠结等现象,单脉冲冲击形成的微凹坑的深度最大可达21.4μm;脉冲能量为5J、搭接冲击次数从1次增加到4次时,材料的表面硬度相比母材的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%;5J和7J冲击1次时,表面硬度相比母材增幅分别达8.3%和14.2%。结果表明,随着冲击次数和脉冲能量的增加,TC17材料表面硬度随之增加,激光冲击强化使材料表面产生高密度位错,这是其表面硬度增加的关键原因。     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

7050航空铝合金激光冲击强化残余压应力研究

用激光冲击强化处理装置对重要航空铝合金结构材料7050T7451、7050T7452不同工艺条件下进行了冲击强化处理,并对试件激光冲击区存在的残余压应力进行了测量。结果显示经激光冲击处理后试件表面具有极高的残余压应力,可达-200MPa以上;经过两次迭加冲击处理能够极大提高强化效果,其残余压应力相比单次冲击处理提高1倍以上;单面两次迭加处理与双面依次迭加冲击处理相比,试件正面(先冲击一面)残余压应力水平相当,且双面依次迭加处理试件反面(后冲击一面)的残余压应力远小于正面。以上一系列重要结果均为首次通过试验发现,对激光冲击强化处理技术的实际工程应用具有指导性意义。最后还给出了相应的表层组织结构分析和疲劳寿命试验结果。