45钢多道搭接激光熔覆层的组织与性能

在45钢表面进行了激光搭结熔覆WC-12Co涂层的实验,对复合涂层的组织、硬度等进行了研究.结果表明:激光熔覆区在微观结构上分为熔覆层、熔化区和热影响区.在搭接区出现了较为粗大的组织特征,采用同一激光工艺参数,多道搭接熔覆层的显微硬度降低.多道搭接熔覆产生的重稀释导致涂层中WC硬质相含量明显降低,是造成激光熔覆层硬度下降的主要影响因素.     

送粉多道搭接激光熔覆温度场的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件,对送粉式多道搭接激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟。考虑到材料热物性的非线性特征以及对流换热的边界条件,建立了三维有限元模型;送粉过程及熔覆单元的生长过程采用"生死单元法"来实现。结果表明:在多道搭接激光熔覆过程中,先凝固的熔覆道对后续搭接熔覆道有预热作用,两者之间存在一个初始温度差;在熔覆层中,搭接区的温度高于其它区域,存在重熔现象;熔覆层每道熔池节点的热循环曲线呈现周期性变化且基本相似;熔覆层易出现端部效应问题;熔覆层中上部温度梯度沿激光扫面方向水平分布,下部与扫描方向垂直分布,在基体与熔覆层交界处温度梯度出现突变和最大值,是裂纹高发区。     

激光熔覆镍基碳化铬与镍基碳化钨涂层对比研究

对激光熔覆镍基碳化钨与镍基碳化铬涂层组织性能进行了研究.结果表明,激光熔覆镍基碳化铬涂层搭接区与非搭接区组织有较大区别,搭接区涂层主要由MxCy相组成,非搭接区出现许多菱状硬质CrxCy碳化物;激光熔覆搭接方式对镍基碳化钨组织影响不大.镍基碳化铬涂层平均显微硬度为920 HV0.2,比镍基碳化钨硬度约低180 HV0.2,多道搭接对镍基碳化钨硬度影响不大,但镍基碳化铬的平均硬度下降为800 HV0.2.单道激光熔覆镍基碳化铬涂层耐磨性要高于多道搭接激光熔覆;但不同搭接方式激光熔覆碳化钨的涂层耐磨性相差不大.单道激光熔覆涂层耐腐蚀性比多道搭接激光熔覆涂层耐腐蚀性好,同含量下镍基碳化铬的耐腐蚀性比镍基碳化钨好.     

1Cr17Ni2不锈钢表面激光熔覆层的微观组织和性能研究

在1Cr17Ni2不锈钢表在进行激光熔覆.分析了激光熔覆单道熔覆层热裂纹形成机理以及微观组织分布特征;对熔覆层多道多层搭接进行了实验,采用优化的工艺参数堆覆制造了无裂纹、气孔等缺陷的致密薄壁件试样,对试样横截面微观组织特征和硬度分布规律进行了分析.分析表明,激光熔覆组织成分均匀,组织致密、具有快速熔凝组织特征并且性能优...     

多道激光熔覆温度场的有限元数值模拟

分析了激光熔覆过程中温度场的主要影响因素,在主要考虑边界条件和热源数据的基础上,建立了送粉式激光熔覆多道搭接情况下温度场的有限元计算模型,并对板材上搭接三道熔覆层的熔覆温度场进行了三维数值模拟,得到了每道熔覆层上中心点的温度变化规律.结果表明,在激光熔覆过程中每道熔覆层中心点上的温度随时间延长呈锯齿状变化,且每个中心点所能达到的最高温度并不相同.此外,搭接情况下,熔覆层中心点每次升温前的最低温度是随着熔覆顺序的进行而逐渐升高的,且升高趋势类似于抛物线.此计算结果合理,为研究应力场和应变场的变化规律打下基础.     

钢表面激光搭接熔覆镍基纳米WC/Co复合涂层的显微组织

采用CO2激光在45钢表面制备镍基纳米WC/Co复合熔覆层,在激光单道熔覆的基础上进行激光搭接熔覆.通过SEM、XRD、EDS以及显微硬度测试,分别对激光单道及搭接熔覆层的显微组织、物相、成分及硬度进行比较研究.结果表明:选择合适的激光熔覆工艺,可以在45钢表面获得基本上消除了裂纹和孔洞,并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合熔覆层及其搭接熔覆层.熔覆层的物相为γ(Fe-Ni)基体上分布着以WC、W2C为主的碳化物相.其中激光单道、搭接熔覆层显微硬度分别为779.3～1315.O HVO.1、600.3～1560.O HV0.1.尽管单道及搭接熔覆层中碳化物的种类不变,但其形态和分布有较明显差异,搭接熔覆层较单道熔覆层中碳化物形态多样性及分布不均匀性更大一些.无论激光单道或搭接熔覆层中,都存在含相当数量的粒度≤100 nm的纳米颗粒,分析认为这些纳米颗粒最有可能为WC、W2C为主的碳化物,对于熔覆层的抗裂止裂起了关键的纳米效应作用.本文研究的结果对重要零部件的较大面积局部表面改性或修复再制造的工程应用具有重要的探索意义.     

激光熔覆Ni基合金耐磨性能

为了有效延长材料和设备的使用寿命、改善其表面状态,使其性能更好地发挥;探讨激光扫描速度对熔覆层耐磨性的影响;对比单道和大面积激光熔覆层的耐磨性。采用CO2激光器及LASERCELL-1005六轴六联动三维激光加工机床在40Cr钢上进行激光熔覆处理。利用X射线衍射仪、显微硬度计、磨料磨损试验机等设备对熔覆层硬度、耐磨性能进行研究。结果表明:激光熔覆层的显微硬度HK在4200～17792MPa之间;随扫描速度的的增加,激光熔覆涂层的最高硬度及耐磨性呈现先升高后降低的趋势;大面积激光熔覆层的硬度、耐磨性能不及单道激光熔覆层,原因在于大面积激光熔覆过程中受到重复加热的影响,易使硬度下降并产生裂纹;多层叠加熔覆涂层的硬度及耐磨性能优于多道搭接熔覆涂层。     

激光搭接再重叠扫描熔覆镍基纳米WC/Co层的显微组织

采用CO2激光在45钢表面制备镍基纳米WC/Co熔覆层.使用搭接再重叠扫描工艺,突破了单道激光熔覆处理区域较窄的局限性以及搭接熔覆层中的碳化物形态多样性和分布不均匀性较大的缺陷.搭接再重叠扫描层硬度不下降且不出现新的裂纹和孔洞,这使大面积激光熔覆的实际应用成为可能.研究结果表明,搭接再重叠扫描的熔覆层中仍然存在相当数量的粒度≤100 nm的碳化物颗粒,其纳米效应对该熔覆层的抗裂止裂起了重要作用.     

激光单道与多道熔覆Ni Cr3C2复合涂层的组织及硬度

对激光单道与多道搭接熔覆Ni+Cr3C2 复合涂层的组织、硬度及其影响因素进行了研究。在6 0mm× 1 0mm× 1 0mm(多道熔覆 )和 6 0mm× 2 0mm× 1 0mm(单道熔覆 )两种 45钢基材试样上 ,采用同一激光处理工艺参数 (P =1 7kW ,Vs=5mm·s- 1 ,D =3mm)熔覆同一涂层材料 (Ni + 50 %Cr3C2 ) ,涂层的成分、组织随搭接工艺不同 ( 0和 0 5搭接率 )而发生变化 ,使单道与多道熔覆层的显微硬度分别为1 1 0 0～ 1 2 0 0HV和 380～ 480HV。多道搭接熔覆产生的重稀释导致涂层中的硬质相数量明显少于单道熔覆层 ,是造成涂层硬度下降的主要影响因素。对激光熔池的凝固速率以及“二次加热”产生的熔道退火效应对涂层硬度的影响进行了分析。     

工艺路径对多层多道激光熔覆残余应力的影响

采用盲孔法测量Q345钢块表面多层多道激光熔覆Co基涂层的残余应力,研究了熔覆工艺路径对激光熔覆残余应力的影响.结果表明,平行焊道方向的残余应力远大于垂直焊道方向的应力,且均为拉应力;增加激光熔覆层单层厚度,熔覆层及试板背部基材残余应力明显增大.与两层熔覆层激光焊道平行叠加的熔覆路径相比,采用两层熔覆层垂直交叉的熔覆工艺路径,降低了熔覆层的残余应力,采用分区熔覆且每个区域各熔覆层垂直交叉堆焊的熔覆工艺路径,熔覆层残余应力水平最低;熔覆前对试板进行2 mm的预弯变形对涂层残余应力影响不明显,但显著降低了试件背面的残余应力.     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

宽带激光熔覆非晶合金涂层界面组织结构

目的提高材料的表面性能和开拓非晶涂层的应用。方法将Fe-Cr-Si-P非晶态合金粉末预涂覆于304L不锈钢基材表面,采用宽带激光熔覆技术制备非晶涂层。通过光学显微镜和扫描电镜分析涂层的微观组织结构和界面组织特征。采用FLUENT软件建立宽带激光熔覆的流场模型,并模拟激光熔池内的流场分布。结果涂层组织具有明显的分层结构,涂层界面区为平面晶和外延树枝晶,涂层中部区域为大面积非晶区,涂层表面为等轴树枝晶,且界面外延生长层的高度随激光扫描速度的增大而减小。激光熔池的流动为对流机制,熔体流动速度在熔池中部出现了低谷,最大速度出现在熔池表面,在熔池下部流体也会出现一个速度峰值。峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小。结论宽带激光熔覆的Fe-Cr-Si-P涂层由非晶和树枝晶结晶相组成,涂层组织为分层结构。熔池底部峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小,且与外延生长层厚度的实测距离基本吻合。建立了激光工艺参数与外延生长层厚度的关系模型,为宽带激光熔覆大面积非晶涂层的可控制备提供了理论依据。     

电火花沉积钨涂层的温度场和残余应力有限元模拟

目的 通过模拟钢基体表面电火花沉积钨涂层过程中的熔池区域温度场变化及其残余应力分布,以便更好地理解电火花沉积钨涂层的工艺过程,得到钨涂层成膜过程中的温度场分布和残余应力形成机制.方法 采用电极低速旋转与上下点动相结合的电火花沉积工艺,由点到线、再到面的沉积顺序,在钢基体表面均匀制备抗烧蚀钨涂层.同时,采用ANSYS仿真...     

激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展

简述了激光熔覆熔池的受力,包括表面张力、黏性剪力、重力以及保护气压力等,并从组织生长和熔池流淌对熔覆层的形成机理作了简要分析。同时,对激光熔覆仿真模拟中采用的不同热源模型的能量分布规律和方程进行了归纳,包括表面高斯热源、表面环形热源、高斯体热源、椭圆球热源、组合体热源等。在此基础上,分类评述了近年来国内外激光熔覆熔池温度场及流场的数值模拟方面的研究进展,并分析了各种热源模型的优势及不足,总结了不同热源的适用环境及获得的温度场、流场分布规律。此外,对熔池自由液面的研究方法进行了总结,归纳了温度场流场数值模拟模型的验证方法。同时,针对激光熔覆熔池数值模拟研究存在的问题,分别从数值模型、边界条件等方面进行了归纳,最后对其未来的发展方向进行了展望。     

3D finite element modeling of the thermally induced residual stress in the hybrid laser/arc welding of lap joint

In this study, a three-dimensional (3D) finite element model is developed to investigate thermally induced stress field during hybrid laser–gas tungsten arc welding (GTAW) process. In the hybrid welding case, we focus on the GTAW process sharing common molten pool with laser beam and playing an augment role in the hybrid welding system. An experiment-based thermal analysis is performed to obtain the temperature history, which then is applied to the mechanical (stress) analysis. A modified material model is used to consider the influence of face-to-face contact between the top and bottom metal sheets in the thermo-mechanical analysis of welding lap joints. Results show that the normal stress components prevail in the weld zone during hybrid welding process, and maximum thermal stress exceeding the yield point of material exists at the heat affected zone (HAZ) near the weld pool. Increasing the welding speed causes the penetration and width of weld bead to decrease, and the thermal stress concentration at the welded joint is also reduced accordingly. After welding and cooling down, longitudinal tensile stress (SZ) and transverse compressive stress (SX) are retained in the formed weld, and the higher longitudinal compressive stress exists around the weld bead. In addition, a series of experiments are performed to validate the numerical results, and a qualitative agreement is achieved. Compared to the welded joint obtained by GTAW and laser welding alone, the residual stress concentration in the weld joint obtained by hybrid laser–GTAW is the minimal one.     

X80管线钢多道激光-MIG复合焊残余应力分析

采用试验和数值模拟结合的方法对X80管线钢多道激光-MIG复合焊焊接过程的温度场和焊接残余应力场进行了研究,分析了激光功率对复合焊接头的显微组织、温度分布和残余应力分布的影响规律. 结果表明,激光功率增加,熔池最高温度明显上升,焊后冷却速度下降;粗晶热影响区组织中粒状贝氏体、针状铁素体增加,条状贝氏体减少. X80管线钢激光-MIG复合焊接头残余应力水平较高,纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的拉应力峰值均出现在焊缝区. 激光功率在2.0 ~ 3.5 kW范围时,等效残余应力、纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的峰值随着激光功率增加均出现下降趋势. 但激光功率从3.5 kW上升至4.0 kW时,各应力的峰值有所上升.     

感应洛伦兹力对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响

为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响,建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布;施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。     

激光熔覆制备高熵合金涂层研究进展

激光熔覆具有加热和冷却速度快、稀释度低(<5％)、热影响区小以及可以对表面性质进行精准调整等优点,是当今工业应用较为广泛的表面改性技术之一.利用激光熔覆技术制备高熵合金涂层,既能保证涂层具有简单的相结构和优异的性能,又可使涂层与基体之间获得良好的冶金结合.主要对激光熔覆制备高熵合金涂层的设计准则、性能及提高机理、凝固行为以及数值模拟的研究进行阐述.首先从设计理论方面对高熵合金进行概念阐述,由熵和吉布斯自由能可知,通过增加主元(至少5个)和位形熵来设计元素组成,通过吉布斯自由能控制相的稳定性.其次,对涂层的性能提高机理分类总结,其中高熵合金的四大效应与激光熔覆快冷快热的特点相结合是涂层性能提高的主要原因.此外,还阐述了激光熔覆过程中熔池的凝固行为,包括凝固过程中的晶粒生长方式和液相分离现象,以及其他因素引起的凝固行为变化.之后,对粉末流动特性、熔池温度场和熔覆层性能的数值模拟以及这些模型的缺陷进行综述与分析.最后,总结与展望激光熔覆制备高熵合金涂层研究的发展前景与应用方向.     

T15高速钢异质材料激光熔覆过程的多相流模型

激光熔覆过程中熔池的演变包含能量输入、质量添加、高温金属液体流动、金属熔化凝固以及材料扩散等复杂过程。基于多相流理论,建立了T15高速钢在42CrMo基板上激光熔覆的物质传输模型。其中,质量添加与能量输入过程采用添加在熔池表面单元的源项模拟,而气液界面的捕捉则采用了CLSVOF方法。通过试验获得的熔覆层关键形貌参数,被用来验证数值模型的有效性。结果表明,T15高速钢由于其自身含有较高的硫含量,在激光熔覆熔池中,在Marangoni力的驱动下具有明显内向流动的特征。高温液体向下流动,形成较大的熔深。以熔覆层高度、深度、稀释率等3个形貌参数为比较依据,验证了异质材料激光熔覆的多相流模型,在不同工艺参数组合下试验值与仿真值均具有较好的一致性,证明了该模型可准确反映激光熔覆过程熔池内的微流动与物质传输行为。