激光功率变化对蠕墨铸铁相变硬化热力耦合场的影响

为了防止蠕墨铸铁气门座激光相变硬化缺陷的形成,通过对其热力耦合场进行数值模拟,探究激光功率的变化对气门座温度场和残余应力场的影响,并在模型中考虑了相变潜热和材料性能参数随温度的变化。结果表明:激光相变硬化是一个快速加热和冷却的过程,能够针对材料局部和表面进行硬化和强化;激光功率增加可以提高气门座的峰值温度;气门座截面的温度和周向残余拉应力均呈月牙形分布,峰值均出现在硬化层表面区域;伴随激光功率的增加,相变硬化区域的周向残余拉应力呈上升趋势。基于模拟结果,得到了气门座在不同激光功率下热力耦合场的分布规律,为优化激光参数提供了指导。     

预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响研究

目的 为了突破激光熔凝蠕墨铸铁RuT300气门座裂纹抑制技术的瓶颈,研究了预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响,从而为工程上抑制裂纹的参数优选提供支撑。方法 基于热弹塑性理论,建立了激光熔凝RuT300气门座残余应力场分析的数学物理模型,模型中考虑了预热温度、激光熔凝参数、材料性能参数的变化对残余应力的影响。结果 预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响与熔池冷却速度、峰值温度等密切相关：当预热温度在25~150 ℃时,随着预热温度的升高,冷却速度下降对激光熔凝RuT300气门座热膨胀变形引起的应力降低起主要作用,导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而减小;当预热温度在150~250 ℃时,随着预热温度的升高,峰值温度上升诱发的热膨胀变形加剧所引起的应力增加起主要作用,导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而增大。结论 预热温度的变化影响气门座的冷却速度和峰值温度,而残余应力值的变化是气门座冷却速度和峰值温度等综合影响的结果,通过合理的调控预热温度,可以使激光熔凝RuT300气门座的残余应力值降低到最低,从而减小气门座激光熔凝形成裂纹的倾向。     

激光重熔合成Fe-Al涂层温度场及应力场数值模拟

依据有限元建模思想,采用高斯表面热源,同时考虑相变潜热与温度的关系,应用ABAQUS软件建立了Q235钢基体上激光重熔合成Fe-Al涂层的温度场和应力场计算模型,研究了激光功率和扫描速度对温度场和应力场的影响。结果表明,提高激光功率对增大热影响区深度效果不大,反而会形成较大的熔池而使重熔表面粗糙;与激光功率相比,扫描速度对温度场影响较小;涂层与基体合金化区沿着激光扫描方向的拉应力远大于垂直扫描方向的拉应力;结合界面处的残余应力与扫描速度成正比,与激光功率成反比,且扫描速度对残余应力的影响较激光功率显著。实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场和应力场计算模型是正确和可靠的。     

激光相变硬化在模具表面强化中的应用研究

介绍了激光表面相变硬化加工的特点及应用、材料表面激光相变硬化工艺的研究——激光相变硬化机制、激光相变硬化层的影响因素、激光相变硬化过程的温度场研究、激光相变硬化后残余应力场的研究以及激光相变硬化在模具表面强化中的应用。     

激光相变硬化在模具表面强化中的应用研究

介绍了激光表面相变硬化加工的特点及应用、材料表面激光相变硬化工艺的研究———激光相变硬化机制、激光相变硬化层的影响因素、激光相变硬化过程的温度场研究、激光相变硬化后残余应力场的研究以及激光相变硬化在模具表面强化中的应用     

飞机钛合金接耳孔边激光冲击强化 应力场优化与试验研究

目的 钛合金关键承力接耳孔边疲劳断裂是影响飞机飞行安全的重难点问题,采用激光冲击强化技术对TC4钛合金小孔件进行强化,提高其疲劳寿命。方法 开展TC4钛合金小孔件单点有无填充、多点搭接激光冲击强化有限元数值模拟研究,确定最优强化工艺,并设计带双孔疲劳试样,进行疲劳试验验证。 结果 直径3 mm光斑单点激光冲击强化的有效范围仅为1.9 mm。孔内有填充,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm时,单光斑激光冲击强化孔边残余应力场分布均匀,且不会引入残余拉应力。双面依次强化会使先强化面残余压应力值略高于后强化面。46.5%径向搭接率下,孔边多点搭接激光冲击强化应力场均匀性优于36.5%和56.5%径向搭接率。强化后,试样的疲劳寿命得到提升,提升效果随最大加载力的减小而显著增大。断口分析表明,强化后,孔边裂纹源位置向深度方向移动,疲劳裂纹扩展区的疲劳条带间距明显减小。结论 最优强化工艺为：周向搭接率56.5%,径向搭接率46.5%,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm,孔填充双面同时强化。激光冲击强化在孔边表面引入600~800 MPa的残余压应力,模拟件疲劳寿命提升了6.98%~60.96%。     

基于光束变换的激光相变硬化气门座温度场数值模拟

建立了基于激光光束变换的气门座激光相变硬化温度场数值模拟模型,分析了激光功率、激光加热面积以及激光加热时间对激光相变硬化气门座温度场的影响。结果表明:随着激光功率的增加,气门座峰值温度升高,在激光加载结束时刻,加载区域两侧温度梯度增大。随着激光加热面积的增加,加载区域峰值温度降低,激光加载结束时两侧区域温度升高、温度梯度减小。随着激光加热时间的增加,气门座峰值温度升高,激光加载结束时加载区域两侧温度梯度小幅度增加。     

基于计算机有限元分析的激光冲击强化钛合金疲劳性能研究

基于限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue,建立了激光冲击TC17钛合金标准紧凑拉伸试样及其疲劳裂纹扩展的有限元分析模型。对不同区域下激光冲击强化TC17钛合金后的残余应力分布及疲劳裂纹扩展性能进行分析,进而探讨了残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,激光冲击TC17钛合金经后,试样上下表面处理区域均呈现压应力分布,最大残余压应力达-473 MPa,残余压应力层深度达0.76 mm,同时,表面残余压应力随激光功率密度和冲击区域的增大,逐渐增大并达到饱和。相对于未冲击件,激光冲击使TC17试样疲劳寿命大幅延长,疲劳裂纹扩展速率显著降低;且随冲击区域的增大,疲劳寿命不断延长,表明激光冲击诱导的残余应力场对TC17钛合金疲劳裂纹扩展具有较好的抑制作用。     

激光熔凝强化RuT300收尾凹坑缺陷抑制方法研究

目的 突破气门座激光熔凝收尾凹坑缺陷技术瓶颈。方法 建立激光熔凝强化RuT300的三维瞬态温度场仿真模型,模型中考虑激光吸收率、材料相变潜热及热物性参数的影响,并结合Niyama判据,分析激光熔凝强化RuT300收尾过程激光参数线性变化对收尾凹坑缺陷的影响规律。结果 在激光熔凝收尾过程中,对比未采用激光参数线性变化的收尾方式,采用激光功率线性下降（斜率为–400）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0085增大至0.0097;当斜率由–100减小至–400时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0097;采用激光扫描速度线性上升（斜率为20）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0142;当斜率由5增加至20时, 的最大值由最初的0.0112增大至0.0142。伴随着激光功率线性下降或激光扫描速度线性上升,激光熔凝气门座收尾凹坑有缩减趋势,且伴随着激光功率线性下降过程斜率绝对值或激光扫描速度线性上升过程斜率的增大,收尾凹坑有进一步缩减趋势。实验分析与数值模拟结果基本吻合,说明了模型的有效性。结论 在激光熔凝收尾过程中,采用激光功率线性下降或者激光扫描速度线性上升方法可以抑制收尾的凹坑缺陷,提升气门座的可靠性。     

45钢表面激光重熔温度场数值模拟

根据传热学理论和数值模拟方法研究温度场的分布规律,在考虑了热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素,应用ANSYS有限元软件的参数化设计语言建立了45钢表面激光重熔连续移动三维瞬态温度场有限元模型。结果表明:提高激光功率对增大相变硬化区效果不大,反而形成较大的熔池而使重熔表面粗糙。与激光功率相比,激光扫描速度对试样温度场的影响较小。经过激光重熔后,形成重熔区、相变硬化区和基体三个区域。实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的。通过该计算模型,可以掌握金属表面激光重熔过程加热和冷却规律,为制备高性能表面改性层选择合适的工艺参数提供依据。     

P91管道焊接残余应力数值模拟

Cr-Mo耐热钢最常见的问题是发生于焊接接头热影响区的Ⅳ型裂纹引起的失效,焊接残余应力水平起着重要的作用。本文基于大型有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的焊接应力计算程序,对P91钢焊接接头的残余应力场进行了模拟。研究结果表明:轴向和径向残余应力均呈拉应力状态;焊接残余应力最大值集中在靠近母材的热影响区附近,并且焊接残余应力集中部位与Ⅳ型裂纹的发生位置相一致。     

残余应力对激光修复紧凑拉伸试件疲劳性能的影响

以304不锈钢制作的含裂纹紧凑拉伸试样为研究对象,开展了裂纹尖端激光修复实验研究。基于热力顺序耦合有限元方法,模拟了激光作用后裂纹尖端修复区残余应力的分布情况,并分析了裂纹扩展对应力重分布和塑性区尺寸的影响;同时,得到了考虑残余应力影响的应力强度因子,并由此建立了改进的裂纹扩展速率预测模型以评价修复试件的疲劳性能。最后通过开展疲劳裂纹扩展实验验证了本文模型的有效性。结果表明,裂纹尖端激光修复会使修复区产生残余拉应力,裂纹的扩展会使残余应力场重新分布,并减小裂纹尖端的塑性区尺寸。残余拉应力的存在会增大试件所受载荷的有效应力比,提高疲劳裂纹扩展速率,降低构件的疲劳寿命。     

RuT300气门座激光熔凝温度场数值模拟

建立了激光熔凝气门座的数学物理模型,模型中考虑了材料的热物性参数随温度的变化及材料的相变潜热。结果表明:随激光功率的增加,激光熔凝气门座熔池最高温度升高,且激光熔凝区的深度和宽度增加;随激光扫描速度的提高,激光熔凝气门座的最高温度下降,且熔凝区的深度和宽度减小;随激光光斑半径的增加,激光熔凝气门座的最高温度降低,激光熔凝区深度减小。激光熔凝气门座过程是新熔池形成和已形成的熔池凝固二者同步的过程,由于不同区域温度分布和冷却速度等差异,导致气门座表面熔池形态为彗星拖尾状;且彗星拖尾状随激光功率的增大而增加,彗星拖尾状随扫描速度和激光半径的增加而降低。随激光半径的增加,熔池彗星拖尾的尖形曲率减小。实验与数值模拟结果基本吻合,这说明了模型的有效性。     

基于残余应力分布优化的TBM滚刀刀圈激光熔覆涂层制备工艺研究

目的 为改善TBM(全断面隧道掘进机)涂层刀圈残余应力分布,针对刀圈涂层制备过程中的激光扫描路径开展研究,以优化刀圈涂层及涂层/基材界面的残余应力分布。方法 使用MSC. Marc 2016软件建立了刀圈涂层制备的三维完全热机耦合模型,通过试验验证了模型的准确性,并针对激光熔覆过程中扫描顺序、扫描方向和扫描终点夹角等3个工艺变量开展了应力场分析研究。结果 刀圈表面近涂层区周向/径向残余应力数值计算结果分布趋势与试验基本一致,且在涂层与基材结合的界面处,残余应力梯度达到最大,当激光扫描方向为安装孔到刃顶时,涂层刀圈残余应力的不合理分布得到了明显改善且应力最值显著降低,其中基材部分残余应力最高降低35 MPa,而调整扫描顺序和扫描终点夹角未能有效改善刀圈残余应力的分布及应力最值。结论 通过合理设计熔覆过程中的扫描路线,可以有效改善刀圈涂层的残余应力分布并降低残余应力最值,对延长TBM涂层刀圈服役寿命具有重要的指导意义。     

纤维排布方式对SiC/Ti材料残余应力影响的有限元分析

采用三维有限元法模拟SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面的残余应力分布,分析纤维排列方式对纤维一侧界面残余应力的影响。结果表明,纤维排列方式对纤维一侧界面径向、轴向和周向残余应力均有较大影响,其中纤维六方排列时纤维一侧界面残余应力沿纤维周向分布均匀,且周向残余应力小,不易在界面形成径向裂纹,是较为理想的纤维排列方式。     

Fe-Mn-Si记忆合金激光熔覆层残余应力的数值模拟

为分析Fe-Mn-Si记忆合金熔覆涂层的应力分布情况,利用ANSYS有限元分析软件数值模拟该涂层的温度场及应力场。模拟结果表明,当激光熔覆涂层完全冷却后,其末端基体中间区域的横向残余应力表现为残余压应力;从基体中部向两侧移动,残余压应力逐渐变为残余拉应力;沿激光扫描方向,熔覆涂层的纵向残余应力依次为压应力→拉应力→压应力。     

纤维排布方式对SiC/Ti材料残余应力影响的有限元分析

采用三维有限元法模拟SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面的残余应力分布,分析纤维排列方式对纤维一侧界面残余应力的影响。结果表明,纤维排列方式对纤维一侧界面径向、轴向和周向残余应力均有较大影响,其中纤维六方排列时纤维一侧界面残余应力沿纤维周向分布均匀,且周向残余应力小,不易在界面形成径向裂纹,是较为理想的纤维排列方式。     

曲面基底工件激光熔覆温度场与应力场数值模拟

目的 研究曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况。方法 采用数值模拟的方法模拟激光熔覆及冷却过程中的温度场和应力场。通过Ansys软件,采用高斯热源模型模拟圆环柱曲面基底外表面上的激光熔覆过程。在加工过程中,激光头与基底的相对运动为螺旋运动。分析不同功率和扫描速度对温度场和残余应力的影响,以及应力场随时间的变化和残余应力的分布情况。结果 扫描速度对温度场的影响较大,功率和扫描速度对残余应力无明显直接影响,不同功率和扫描速度的残余应力最大值都出现工件外壁中部。在XZ轴面上的径向应力呈现出漏斗形,四周高,中间低,大部分都在–20～20 MPa,起伏较小;周向应力在XZ轴面对角线方向上呈近似抛物线,两端高,中间低,最高值为100 MPa,最低值为–50 MPa,起伏较大;厚度方向的应力分布呈近似半圆锥三维形状,在Z轴方向上为近似直线,在X轴方向上为近似半抛物线,呈现出一端高、一端低、中间部分逐渐下降的趋势,最高值为110 MPa,最低值为–30 MPa,起伏较大。结论 成功研究了曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况,对曲面基底激光熔覆的工艺参数优化和提高产品质量有一定指导作用。     

基于硬化层深均匀性激光空间能量离散相变硬化蠕墨铸铁的参数适应性和热力耦合场研究

为了突破传统的激光整体相变硬化蠕墨铸铁表面强韧性匹配差等问题,并揭示基于离散激光相变硬化层深均匀性的热力耦合协调响应机理,构建了离散激光相变硬化蠕墨铸铁层深均匀性的热力耦合数学和物理模型。结果表明:优化离散激光在空间的能量比例可以获得均匀离散的相变硬化层深,但会导致激光辐照区域整体热压应力值与残余拉应力值提高;基于离散的激光空间功率密度分配比例只适用于特定的激光参数;伴随激光功率和激光加载时间的增加,需调大离散激光外圈光斑的能量比例以使硬化层能够得到优化,模型截面上较大残余拉应力对应的深度会随着激光参数(激光功率密度、激光加载时间)的增加而增加,激光加载区域的材料表面残余应力值会随着加载时间的延长而降低。     

轴承表面残余应力对滚道接触应力及裂纹扩展速度的影响

强化研磨能在轴承表面产生残余应力,为了研究此残余应力对轴承滚珠滚道接触应力及对轴承裂纹扩展速度的影响,首先从理论上分析了滚珠滚道的接触应力,再利用有限元分析软件分析了残余应力对轴承滚珠滚道接触应力的影响。结果表明:有残余应力和没有残余应力相比的内外套圈接触应力,接触应力增加或减少的量均不超过7.3%,这说明周向(切向)的残余应力对轴承滚道接触应力的影响较小,而轴向的残余应力对滚道接触应力的影响亦如此。最后利用FRANC3D分析了残余应力对裂纹扩展速度的影响,结果表明:残余拉应力增加了裂纹前缘的SIF,残余压应力减少了裂纹前缘的SIF。