模具磨损表面激光熔覆修复层的数值模拟技术

为解决H13模具钢磨损影响模具使用寿命的问题,利用有限元分析软件对H13模具钢激光熔覆Ni基涂层过程进行了仿真分析。在激光熔覆过程中,经历了快速加热和快速冷却两个热传导过程,其熔覆温度最高可达1 551℃,考察了不同涂层厚度对温度场的影响,得出涂层越厚,温度越低;涂层表面的焊接残余应力以拉应力为主,基材表面则以压应力为主。研究了不同涂层厚度对应力场的影响,得出涂层越厚,残余应力越大。经实验验证,数值模拟计算的模具磨损激光修复温度场与实验值接近,实验得到的焊接熔化区截面图与模拟结果基本一致,实际熔化区宽度1.19 mm、深度0.20 mm,模拟计算的熔化区宽度1.21 mm、深度0.21 mm,证明了模具磨损表面激光熔覆修复层模拟结果的正确性和方法的有效性。     

TC4激光熔覆NiCrCoAlY热循环特性及组织性能

对TC4钛合金激光熔覆NiCrCoAlY涂层的热过程进行数值模拟仿真,探究工艺参数对热循环特性的影响规律,并进行激光熔覆试验验证. 结果表明,当激光扫描速度相同时,激光功率越大,冷却速度越快,两者近似呈线性关系. 当激光功率相同时,随着扫描速度的增大,冷却速度先增大后减小,出现拐点,随着激光功率的增加,冷却速度拐点对应的扫描速度减小. 不同冷却速度得到的涂层组织和性能不同,冷却速度增加将细化晶粒提高涂层硬度,但过大将导致涂层产生缺陷. 最佳工艺参数为激光功率600 W,扫描速度3 mm/s,适宜冷却速度为820 ℃/s.     

表面织构对模具钢激光熔覆层性能的影响分析

目的 减少激光熔覆过程中产生较大的应力和裂纹的现象,提高激光熔覆后模具钢的抗疲劳性能,延长其使用寿命.方法 选取激光功率(800、1000、1200 W)、扫描速度(5、10、20 mm/s)、光斑半径(0.5、0.75、1 mm)作为激光熔覆模拟因素,以残余应力为主要试验指标,进行三因素三水平正交模拟试验,并对试验结果进行信噪比及极差分析,确定最优熔覆参数.在最优熔覆参数下,进行预置织构及无织构的激光熔覆模拟,对比分析两次模拟的熔覆层温度及残余应力分布.在最优参数下进行熔覆加工,验证有效性.结果 正交模拟试验得出最优熔覆参数为:激光功率800 W,扫描速度20 mm/s,光斑半径1 mm.得到最小残余应力平均值为360 MPa.此外,激光功率对残余应力的影响最为显著,其次是光斑半径,对残余应力影响最小的是扫描速度.在最优熔覆参数下,对预制织构的模型进行激光熔覆模拟,得出残余应力平均值为149 MPa.相比较于无织构熔覆模拟,预置织构熔覆模拟的平均应力值降低了大约58.56％.对无织构和有织构模具钢表面进行激光熔覆加工,测量残余应力,验证了该方法的有效性.结论 通过在基体预置表面织构的方法,在保证熔覆温度的前提下,降低了残余应力,最终能达到降低残余应力、减少裂纹产生的目的.     

半导体激光熔覆钴基合金的耐磨性

为了提高纸浆阀门的使用寿命,利用高功率半导体激光器在304不锈钢板上熔覆钴基耐磨涂层。研究了激光工艺对熔覆层性能的影响,对不同温度下熔覆层的耐磨性进行了分析,并与传统手工堆焊涂层进行比较。结果表明,稀释率越高,熔覆层硬度越低,当激光功率为2000 W,扫描速度为20 mm/s时,得到的熔覆层成形好、稀释率小。磨损试验结果表明,100 ℃、200 ℃时的涂层磨损机理主要为磨粒磨损;300 ℃、400 ℃时,发生粘着磨损。由于手工堆焊涂层稀释率高,晶粒粗大,硬度较激光熔覆层低,熔覆层耐磨性优于手工堆焊涂层。     

激光熔覆工艺参数对CBN膜层裂纹率的影响

在TC11表面激光熔覆制备CBN膜层,通过研究激光工艺参数与裂纹率关系,控制熔覆层裂纹的产生。采用正交试验,并利用ANSYS软件平台对温度梯度进行研究,利用SEM、EDS对熔覆层截面形貌和成分进行分析。结果表明：对于熔覆层宏观裂纹,随着激光能量密度的增大,裂纹率明显下降,熔覆层质量变好,在激光能量密度为6×104 J/cm2送粉率为1 r/s时涂层质量较好;随着扫描速度增大时,裂纹率呈上升趋势,在扫描速度为3 mm/s、送粉率为1 r/s时裂纹率较小;随着送粉率增加,裂纹率先增加后减小,在送粉率为2.25 r/s、激光能量密度为3.4×104 J/cm2达到最大。对于熔覆层微观裂纹,随着激光功率增加,裂纹率先减小后增加,激光功率为1 800 W时,裂纹率达到最低;随着扫描速度增加,裂纹率也是先减小再增加,扫描速度为4 mm/s时,裂纹率达到最低。经过SEM与EDS分析,通过调整激光熔覆工艺参数,控制熔覆过程中温度场的温度梯度,进而控制熔覆层的裂纹率,可以获得形貌与组织成分良好的涂层。     

铁基多元陶瓷涂层激光熔覆制备及优化

采用20钢为基材,激光熔覆涂层材料以YD-F625型铁基粉末为基,添加有Ti C、WC和Si C多元陶瓷增强相,通过调整多元陶瓷相中Ti C的比例来获得不同的涂层合金材料,同时选用多组激光功率、扫描速度、粉末厚度等工艺参数进行激光熔覆对比试验,以涂层表面硬度为性能指标,对激光熔覆工艺和涂层材料种类进行优化。通过激光熔覆制备多元陶瓷复合涂层可以使20钢表面的硬度显著提高,其中最优工艺组合为激光功率3000 W、扫描速度280mm/min、预置粉末厚度2.0 mm、Ti C粉末含量为20%时,涂层最高显微硬度可达1100 HV以上,出现在距涂层表面0.05 mm深度处。     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。     

5052铝合金激光熔覆Al-Si合金涂层研究

采用高功率半导体激光器在5052铝合金表面熔覆Al-Si合金涂层。研究了激光熔覆工艺参数(激光的扫描速度和功率)对熔覆层质量的影响。试验结果表明,当激光束功率较高(3 000 W)、扫描速度较快(700 mm/min)时,能熔覆成较为连续的熔覆层,熔覆层与基体为冶金结合,表面硬度高于900 HV0.1。     

铜基体上激光熔覆钴基合金的温度场分析

利用连续波Nd：YAG固体激光在黄铜表面上激光熔覆预置的钴基合金粉末,采用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场进行了模拟。在分析过程中采用三维单元,考虑温度变化对热物理参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,建立了三维有限元模型,得到了熔覆过程中试样表面的温度场分布模拟图。结果表明：温度场模拟等温线呈椭圆形分布,光斑附近等温面较为密集,远离光斑处等温面较稀疏;在其它工艺参数不变的情况下,扫描速度为8 mm/s熔覆过程的稀释率为11.5%,可以获得良好的冶金结合,并进行了试验验证;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速度为6 mm/s和10 mm/s熔覆过程中较为合适的功率分别为2.96 kW和3.82 kW。研究结果对工艺参数的优化和控制熔覆层稀释率提供了借鉴和指导作用。     

选区激光熔化316L扫描特征参数对表面形貌影响

为研究不同扫描特征参数组合对选区激光熔化(selective laser melting,SLM)表面形貌的影响,以316L不锈钢粉末为例,进行介观尺度的单层双道数值模拟研究.基于离散元法建立单层的粉床数值模型.使用流体体积法对粉床受热部分粉末的熔化过程中的熔化、流动和凝固过程进行计算.考虑激光功率、扫描速度和扫描间距3个扫描特征参数,设计并进行正交试验,从熔道形貌特征和熔道宽度2个方面研究所选扫描特征参数对成形件表面的熔道形貌影响.依据数值模拟中的参数进行实际打印及形貌观察试验,验证数值模拟的有效性.结果表明,在313～500 J/m的线能量密度和50～90μm的扫描间距范围内,可以得到平整连续局部缺陷少的熔道形貌,且该区间内的参数组合依次线性对应;对熔道形貌的完整性影响由大到小依次为扫描速度、扫描间距和激光功率.     

激光功率对激光熔覆FeCoNiCr高熵合金涂层组织结构及腐蚀性能的影响EI北大核心CSCD

针对激光熔覆高熵合金涂层的成分设计已有较多探究,但激光工艺参数对涂层结构与性能的影响尚缺乏系统研究。采用激光熔覆技术在316L不锈钢基体表面制备Fe Co Ni Cr高熵合金涂层,系统探究激光功率(1.2~2.0 kW)对Fe Co Ni Cr高熵合金涂层的组织结构以及耐腐蚀性能的影响规律。不同激光功率制备的Fe Co Ni Cr涂层均由典型的单一面心立方结构(FCC)组成,但随着激光功率的增大,涂层逐渐出现择优取向。Fe Co Ni Cr涂层呈现典型的双层组织结构特征,底部为柱状晶,顶部为等轴晶,但随着激光功率增加,顶部等轴晶逐渐向柱状晶转变。随着激光功率的增加,Fe Co Ni Cr涂层混合熵值逐渐下降。Fe Co Ni Cr涂层具有优异的耐腐蚀性能,但随激光功率的增加而逐渐减弱。其中,当功率为1.2 kW时,涂层的自腐蚀电流密度最小,自腐蚀电压最大且涂层表面无腐蚀坑,具有最佳的耐腐蚀性能,优于316L基体以及Stellite6和Ni60等常规激光熔覆涂层。通过优化激光功率获得具有良好耐腐蚀性能的激光熔覆Fe Co Ni Cr高熵合金涂层,可对该类涂层的开发、制备和应用提供一定的理论指导和技术支持。     

316L不锈钢表面激光熔覆钴基合金组织及锌蚀机理

采用半导体激光器在316L不锈钢表面制备钴基合金熔覆层,对激光熔覆层的组织形貌、成分、结构及锌蚀机理进行了系统研究.结果表明,选择优化的激光辐照工艺参数,获得的钴基合金熔覆层表面平整、无裂纹、与基材呈良好的冶金结合.钴基合金熔覆层主要由γ-Co,M₂₃C₆及耐腐蚀性能优异的Laves相Co₃Mo₂Si和少量硬质耐磨相Co₆W₆C组成.在460℃熔融锌中腐蚀试验表明,钴基合金熔覆层的锌蚀机理为选择性腐蚀,熔覆层表层出现一层亮白色腐蚀过渡层,在过渡层内钴基固溶体基体优先发生腐蚀,导致Laves相剥落,从而形成了锌液对钴基合金熔覆层的进一步腐蚀.     

激光熔覆铁基合金涂层的研究进展

激光熔覆技术作为一种先进的材料表面改性技术,具有加工效率高、涂层稀释率低且与基体结合强度高、自动化程度高、环境友好等优点。在各类熔覆材料中,铁基合金在成分上与钢铁材料最为接近,且其成本相对较低,近年来在设备零部件表面强化和再制造领域得到广泛应用。结合国内外最新相关研究成果,从材料体系、工艺参数、外场辅助技术等方面对激光熔覆铁基合金涂层的研究进展进行了综述。总结了熔覆材料的选材依据以及铁基自熔性合金粉末、不锈钢粉末、铁基非晶合金粉末、铁基复合粉末等各类材料的特点和应用。系统讨论了激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率等工艺参数对铁基涂层成形质量和微观组织及性能的影响机制,并介绍了工艺参数优化在高质量熔覆层制备中的应用。同时,论述了超声振动、电磁场、温度场等外场辅助技术在激光熔覆铁基合金涂层中的应用,阐明了外加能场对激光熔覆过程中熔池及凝固组织的作用机理。最后对激光熔覆铁基合金涂层未来的发展方向进行了展望。     

感应熔覆Invar36/Ni60复合涂层的温度场模拟及试验验证

采用有限元方法模拟了感应熔覆Invar36/Ni60复合涂层的温度场,并进行了试验验证,分析了不同工艺参数对温度分布的影响规律,研究了温度分布与涂层质量的关系。模拟结果表明:Invar36/Ni60复合涂层温度场的最高温度出现在基体表层附近,电流密度和电源频率是影响温度场的主要因素,Invar36含量的增加会使涂层温度出现小幅下降,并使涂层内外温度差增大。为提高熔覆成功率并减少裂纹缺陷,涂层内部的温度需控制在1430~1600 ℃,对涂层进行加热时,应选择2.0×10⁷ A/m²或更低一些的电流密度,加热时间控制在24~28 s之间。     

面向盾构机密封跑道修复的激光熔覆Fe基涂层制备工艺

为探究激光熔覆再制造修复工艺对盾构机密封跑道磨痕的修复效果,采用送粉式激光熔覆工艺在42CrMo钢基体表面制备了Fe55铁基自熔合金涂层。基于L₁₆(4³)正交试验探究了激光功率、熔覆速率和搭接率对涂层表面形貌、横截面特征参数、稀释率、显微组织、硬度的影响规律和作用机理。极差分析表明,稀释率随激光功率和熔覆速率的增加均呈上升趋势,其中激光功率对涂层硬度影响最大,最大涂层硬度约为基体硬度的2.15倍。Fe55涂层的摩擦因数较基体明显降低,涂层耐磨性优良,其磨损体积较基体降低1.09×10^-2 mm³,主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损。     

38CrMoAl钢表面激光熔覆Ni基合金工艺研究

利用正交试验法对38CrMoA1钢表面激光熔覆Ni60合金时激光功率、扫描速度和离焦量等工艺参数进行优化,得到熔覆层硬度和耐磨性能较为优良的参数组合,并研究了激光熔覆工艺参数对熔覆层性能的影响.结果表明,选择激光功率2.0 kW,离焦量40 mm,扫描速度6 mm/s作为35CrMoA1钢表面激光熔覆Ni60合金时的工艺参数,熔覆层硬度可以达到880.5 HV,相对耐磨性为2.26.     

Microstructure and Wear Resistance of Laser Cladded Co-based Superalloy Coating

Co-based superalloy coating was prepared on the stainless steel surface by laser cladding.The microstructure,phase constitutes and worn surface morphology of the coating were characterized by optical microscope,scanning electron microscope(SEM)with energy dispersive spectrum(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The ambient temperature sliding friction and wear property of the coating was also tested.The experiments results showed that:the microstructures of the Co-based superalloy coating are"cellular crystal-coarse dendrite-tiny dendrite"in turn from bottom to surface,which consists ofγ-Co solid solution,Fe2Mo and Co7Mo6.The average micro-hardness of the laser cladding is 632 HV,which is 2 times higher than that of 304 stainless steel matrix.The ambient temperature sliding friction and wear property of the laser cladding is about 1～1.5 times in contrast to that of 304 stainless steel matrix.The better wear resistance of the coating is contributed to solution strengthening of Mo,as well as dispersion strengthening of Fe2Mo and Co7Mo6 hard phases.The failure mechanisms of the coating are pitting fatigue abrasion and grain-abrasion.     

17-4PH不锈钢基体激光熔覆制备球形WC/Ni基复合涂层

为了制备高性能耐磨带,提高工件的使用寿命,利用激光宽带熔覆技术在17-4PH不锈钢表面沉积镍基合金做为过渡层,然后熔覆球形WC/Ni基复合涂层。对激光熔覆层分别采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等检测分析手段进行形貌观察、成分分析、物相表征等,并使用MMG-10型摩擦磨损试验机进行涂层耐磨性能测试。研究结果表明,采用激光熔覆技术可制备高质量WC/Ni基复合涂层,碳化钨质量分数达到65%,涂层冶金质量、裂纹尺寸、稀释率等满足技术要求。复合涂层的耐磨性为镍基合金的15倍,但其平均摩擦系数(0.926)高于镍基合金(0.762)。