脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

目的 揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制,改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象,提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能,为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法 综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式,以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响,构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验,利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证,采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况,并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果 由数值模拟分析结果可知,脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层,其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布,显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在,Laves相的体积分数降低至2.93%,在细晶强化和固溶强化作用下,熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论 脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律,数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度,能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析,离散并细化γ枝晶组织,降低Laves相的体积分数,显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下,提升涂层的力学性能。     

稳态磁场对激光熔覆钴基合金宏观偏析及元素扩散影响

目的 探究稳态磁场对熔覆层宏观偏析及元素扩散的影响机制,为调控熔覆层元素分布提供理论指导。方法 采用同轴送粉方式,利用稳态磁场辅助激光熔覆制备钴基合金熔覆层。通过光学显微镜和扫描电子显微镜,对有无宏观偏析区域的元素含量进行半定量测量,分析了不同磁场强度条件下熔覆层的显微组织及元素扩散规律。结果 在无磁场时,宏观偏析主要存在于熔覆层底部,部分分布于熔覆层上层区域,并有一定的扩散现象。加入稳态磁场后,由于稳态磁场产生的感应洛伦兹力与熔池流动方向相反,抑制了熔池对流,宏观偏析出现聚集现象,且无明显扩散。加入稳态磁场后,熔覆层宏观偏析区域具有较高的Fe含量,最高质量分数可达67.9%,这与基体中的Fe含量接近。熔覆层无宏观偏析区域Co的质量分数增加了8%,Fe的质量分数降低了12.1%,熔覆层底部宏观偏析面积占比由10%增加到25%。结论 稳态磁场能够使宏观偏析产生富集,使更多的Fe元素存在于熔池底部,同时抑制Fe元素在熔覆层中扩散。稳态磁场有效降低了基体元素对熔覆层的稀释,使无宏观偏析区域的元素含量与粉末的元素含量更为接近。     

送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟

提出了一种送粉激光熔覆中熔覆层表面形状及厚度的计算模型。将熔覆过程中固相区、两相区和液相区作为一连续介质，用非稳态固液相变统一模型来描述其流场与温度场，并采用固定网格移动坐标来处理带移动热源的流动与传热问题。能量方程用显焓表示，有关潜热的非稳态项与对流项均做为其源项处理。用Lambert—Beer定理和米氏理论计算粉末流与激光光束的相互作用，使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟程序是在流体动力学软件PHOENICS基础上，通过添加源项、边界条件、熔覆层轨迹计算以及激光束和粉末流相互作用等相应模块实现。对钢基底上熔覆钴基合金Stellite6进行模拟所得到的计算结果与实验结果基本一致。     

合金元素对激光熔覆高熵合金涂层影响的研究进展

介绍了激光熔覆高熵合金涂层的硬度、耐蚀性、热稳定性及抗高温氧化性等性能。总结了合金元素对高熵合金涂层性能的影响。阐述了激光熔覆技术制备高熵合金涂层近些年的研究进展,并且指出了该技术制备涂层所存在的问题以及未来展望,以期制备出性能优异的高熵合金涂层。     

激光熔覆温度场的数值模拟研究进展

介绍了激光熔覆温度场的数值模拟现状,结合影响模型建立的几个主要因素,综合分析了现有模型的优点及不足,指出了进一步发展该领域所需完善的几个问题。     

稀土对激光熔覆生物陶瓷涂层强度的影响

测试了激光熔覆生物陶瓷涂层与基体的结合强度、涂层抗弯、抗拉和抗压强度，并计算了弹性模量。结果表明，稀土能够提高涂层与基体的结合强度、抗弯及抗拉强度，但降低了涂层的抗压强度。稀土在激光熔覆条件下充分扩散传质弥散分布于涂层熔池内，分散的稀土颗粒促进晶体形核和成长，细化晶粒，强化涂层。激光熔覆涂层复合材料满足生理条件下的强度要求。     

激光熔覆制备Fe基非晶化涂层的研究进展

从Fe基激光非晶化的材料设计和制备工艺两个方面对激光熔覆制备Fe基非晶层的影响进行了分析和阐述.由于激光熔覆制备非晶涂层的工艺条件与传统的大块非晶制备方法有着很大的不同,所以由此带来了材料设计上的不同思路.另外,对于激光熔覆这种效率较高的制备方法,熔覆层的成形对熔覆层的质量至关重要:熔覆材料的流动性、抗氧化性和均匀性对最后熔覆层中非晶形成比例都有着很大影响.对目前适合激光熔覆制备Fe基非晶层的非晶体系作了详细的描述,包括Fe-Ni-B-Si-V、Fe-Co-Ni-Zr-Si-B及Fe-Zr-Ni-Al-Si-B体系等,其中除了基体Fe之外,主要的组分一般都包括了Ni,B,Si,主要是依据了Inoue的经验三原则来设计,另外考虑到材料熔覆层快速成形和抗氧化性能,加入了大量的可以降低熔点的元素以改善熔池流动性.     

超声振动对激光熔覆涂层组织与性能的影响

目的改善传统激光熔覆涂层中常出现的气孔和裂纹等缺陷,提高涂层整体质量和使用性能。方法首先利用粘接剂将镍包WC合金粉末预置于Q235基体材料上,采用正交试验得到的最优参数(激光功率P=1600 W,光斑直径d=5 mm,扫描速度ν=4 mm/s)进行熔覆试验,整个熔覆过程使用20 kHz的超声波发生器,以空气为载体,向激光熔池中同步施加超声振动,然后分别使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪及万能摩擦磨损试验机(UMT),对涂层的显微组织、元素成分及物相、显微硬度和耐磨性能进行测量分析。结果施加超声振动后涂层的晶粒更加细小,主要由细小等轴晶和少量枝晶组成,涂层中气孔和裂纹明显减少,Cr、Ni、W、C等元素分布趋于均匀,涂层物相主要由固溶体γ-(Ni, Fe)、金属间化合物Ni3Fe、WC、Cr23C6等组成。施加超声振动后涂层平均显微硬度为937HV,与未施加超声振动的涂层相比提高了13%,摩擦系数为0.43,降低了约26%,耐磨性能提高了44%。结论利用空载式超声振动辅助激光熔覆,可使制备出的涂层质量显著改善,微观组织更加致密,硬度、耐磨性得到提升。     

稀土RE对激光熔覆Fe基非晶复合涂层的影响

研究了稀土RE微合金化对激光熔覆Fe38Ni30Si16B14V2(原子分数,%)非晶复合涂层的影响.使用X射线衍射和扫描电镜分析熔覆层物相、组织结构与RE对非晶相形成的影响.结果表明,激光熔覆条件下,稀土RE的微合金化能提高Fe38Ni30Si16B14V2合金的玻璃形成能力,有利于形成非晶涂层.稀土RE的加入改变了非晶合金的结晶体系,稀土RE加入量为1时促进γ-Fe, Ni相的结晶,抑制Fe2B相的结晶;RE为2时,两种相的结晶均受到抑制.稀土RE的微合金化使涂层的显微硬度值降低,涂层的显微硬度沿涂层厚度方向下降.     

激光熔覆齿轮齿面的应力场有限元模拟

主要采用ANSYS软件,考虑曲面对激光功率分布不均的影响,应用有限单元法对熔覆层应力场和残余应力分布进行数值模拟,分析应力的产生和影响过程并与实验结果做对比分析。结论为激光功率越高,送粉速度越快,应力值越大。     

激光熔覆Inconel718合金裂纹分析及裂纹控制研究

目的 针对K418合金表面激光熔覆裂纹萌生、元素偏析等难题,探究裂纹萌生与元素偏析之间的关系,利用后处理工艺进行裂纹的修复及偏析现象的控制。方法 在K418合金表面激光熔覆了Inconel718合金,以基体及熔覆材料的热物性参数和界面元素匹配性为出发点,对熔覆中裂纹的敏感性进行了分析。结果 合金元素的偏析造成了裂纹的萌生与扩展。基体热影响区裂纹的形成与热影响区内析出的块状碳氮化物有关,熔覆层裂纹与枝晶间析出的不规则链状Laves相有关。采用激光重熔工艺对熔覆层进行了后处理,试验结果表明,重熔后的组织致密,晶粒细小均匀,无裂纹及粘粉等明显缺陷。激光重熔减少了基体热影响区及熔覆层中因元素偏析产生的碳氮化物及Laves相的尺寸及数量,重熔后覆层的摩擦因数为0.55,比重熔前下降了49.5%,具有良好的减摩特性;磨损率为3.15×10-4 mm3/(N?mm),比重熔前下降了37.5%,耐磨性能得到提升。结论 激光重熔技术可以愈合K418激光熔覆Inconel718合金的裂纹,并显著降低涂层的元素偏析程度。     

高温合金激光熔覆过程温度场的数值模拟

在考虑高温合金K417G相变潜热、热物性参数随温度变化、对流与辐射总的换热系数随温度变化的条件下，采用有限元软件ANSYS建立了高温合金激光熔覆动态三维温度场模型。结果表明：在激光熔覆的初始阶段和最后阶段温度迅速上升，中间阶段各个节点有基本相同的热循环曲线，只是时间的先后不同；沿激光束扫描方向和与扫描方向垂直的方向都存在极大的温度梯度，温度梯度的存在引起较大的热应力，而热应力的存在是激光熔覆过程易产生裂纹的主要原因。     

激光熔覆过程热力耦合有限元温度场分析

根据激光熔覆的特点，建立了激光熔覆温度场分析模型，对送粉激光熔覆过程温度场进行了有限元分析。分析结果表明，熔覆层最高温度与激光功率、基体预热温度成正比例关系，而最大冷却速率与激光功率、基体预热温度成反比例关系。提高基体预热温度对降低熔点处材料冷却速率效果显著，而提高激光功率对降低熔点处材料冷却速率有一定作用，但效果并不明显。     

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。     

激光熔覆三维温度场数值模型的建立与验证

综合考虑了激光熔覆热液施加，材料传热两方面的自身特点，建立了合理的激光熔覆数值模型，利用有限元法，通过计算模拟，结果表明：所得激光熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻合良好，从而证明了本文数值模型的正确性，为今后各种参数下激光熔覆的温度场模拟提供了一理论基础。     

Fe314合金激光熔覆层的应力分布规律

研究熔覆层应力分布规律对控制裂纹萌生及提高抗疲劳和抗腐蚀等性能至关重要。利用Nd∶YAG固体激光器在45钢基体表面制备了厚度约5mm的Fe314激光熔覆层,利用X射线衍射应力测定仪对熔覆层表层不同位置及其沿深度方向的应力分布情况进行分析,利用金相显微镜观察熔覆层显微组织,利用维氏硬度计对熔覆层硬度分布规律进行分析。研究结果表明:平行激光扫描方向的熔覆层表面应力最大值出现在熔覆层边缘,约为290MPa;垂直激光扫描方向的表面应力最大值出现在熔覆层中心,约为230MPa,由中心向边缘递减,并逐渐由拉应力转变为压应力;深度方向上,平行激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加先保持平稳后不断增大;垂直激光扫描方向的应力随熔覆层深度增加而增大;应力分布主要受热累积效应影响,熔覆层具有与热累积效应对应的金相结构,熔覆层硬度范围为380～450HV0.3,略高于基体。     

激光熔覆成形有限元模拟的研究进展

综述和分析了激光熔覆成形过程中温度场、应力场、熔池流场以及气／粉两相流场等有限元模拟工作的最新研究进展。指出了目前激光熔覆成形有限元模拟中存在的问题，并在此基础上提出了激光熔覆成形有限元模拟的发展方向。