激光表面重熔、熔覆温度场的研究评述

介绍了激光重熔、熔覆温度场的研究现状,叙述了较为典型的二维、三维稳态和非稳态传热模型,简要分析了各模型中考虑的因素,以及从该模型出发所得到的结果与实际情况的比较.根据已有研究所得到的结论,简要讨论了影响模型建立的几个主要因素:1) 热源特征;2) 表面吸收系数;3) 熔池中流体的流动;4) 相变潜热;5) 激光工艺参数,熔池表面形貌等对模型建立的影响.全文通过对以上问题的讨论,为激光与材料相互作用的强瞬态物理过程研究,零件表面裂纹等缺陷激光修复工艺措施的制定提供了理论指导.(PE8)     

铁路车辆车钩再制造激光表面熔覆温度场有限元分析

激光表面熔覆作为一种再制造技术手段被应用于零件表面的修复和强化.针对以激光表面熔覆为主要工艺的铁路货车易磨损零部件车钩的再制造,以有限元方法模拟熔覆过程中熔覆区和基体的温度场.在研究激光表面熔覆数值模拟的热源模型、相变潜热以及网格划分等相关技术的基础上,模拟分析激光束与圆柱内孔表面不同夹角时,预置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆温度场变化,进行对比.模拟结果符合激光表面熔覆的基本规律,可应用于车钩再制造过程中的激光表面熔覆工艺的预估与设计.     

纳秒脉冲激光熔覆温度场计算及薄膜飞溅机制分析

实验上采用磁控溅射在铀、不锈钢、铝基底上分别沉积钼、铌、铝等薄膜后采用纳秒激光熔覆,薄膜发生飞溅,未能形成熔覆层。针对这一问题,采用有限元方法分析了脉冲激光作用的温度场,并对瞬时热膨胀造成薄膜垂直于表面的运动进行了分析。计算以及分析结果表明:由于界面热阻,纳秒激光熔覆薄膜与基底存在较大的温度差,在本例计算铝薄膜与基底温差超过450℃。瞬时热膨胀导致薄膜具有向外的速度以及动能。当薄膜动能大于拉伸断裂所需要克服的弹性以及塑性变形能量,薄膜将发生飞溅。理论分析还表明存在一个临界的光束尺寸,当光束小于该尺寸,薄膜不会发生飞溅,熔覆能够发生,对于准分子激光,光束尺寸达微米量级薄膜不会飞溅。     

基于温度场评估的激光熔覆顺序决策方法研究

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法,采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析,并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法,即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场,根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明,取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV,620.58HV,623.34HV,680.09HV,673.58HV和683.01HV,变形均值为0.9722mm和0.6458mm;评估选择法有最均匀的温度场,熔池周围有最大的温度梯度,其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度,同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。     

激光熔覆过程温度场的数值模拟

为描述预置粉Nd:YAG激光熔覆过程中温度场的变化规律,建立了三维预置粉激光熔覆物理模型,通过自行编程,利用三维表格施加高斯激光热流密度载荷,实现载荷的空间分布与时间移动,在ANSYS软件中模拟计算了预置粉Nd:YAG激光熔覆过程温度场.模拟结果表明光斑中心处温度最高,为2.8×10 3℃,并以光斑为中心逐层降低,等温线近似椭圆形,椭圆中心位于光斑后方.光斑点的升温变化率、降温变化率、热梯度分别为7×10 3℃/s、5×10 3℃/s、2×10 6W/(m2·s).这些结果数据为激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

7050铝合金表面Al/Ti激光熔覆工艺实验及温度场模拟分析

在7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体,通过3因素3水平正交试验得知当激光功率为1.5 k W,扫描速度为150 mm/min,离焦量为50 mm时熔覆层质量最优。模拟计算得到正交试验工艺参数下的光斑中心最高温度值,并利用极差分析得到:正交试验因素对中心点最高温度值影响程度从大到小的顺序是扫描速度V,激光功率P和离焦量S。通过对9组试样熔池尺寸及不同位置点温度随时间变化趋势分析可以得到,试样前端结合较差是由于熔覆过程中基体熔池深度较小,不足以使基体与熔覆材料很好地结合;而后端都出现的不同程度的变形和烧蚀,是末端温度急剧积累引起的。通过分析Al/Ti熔覆层的金相组织可知,熔覆层组织以胞状树枝晶为主,且分布均匀细密。     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

激光熔覆热影响区及残余应力分布特性研究

采用三维有限元分析方法对16MnR钢激光熔覆Ni-Cr-B-Si合金粉末过程进行了仿真分析,得到了不同激光熔覆参数(激光功率、扫描速度、光斑直径)下的温度场及残余应力分布。采用两种方法来判断最优的激光熔覆工艺参数:1)利用正交试验的直观分析法对基体材料热影响区深度进行进一步分析以获得最优参数;2)利用最大残余拉应力和材料断裂强度的比值来选择最优参数。两种方法得到的最优激光熔覆参数相同。     

激光熔覆K418高温合金温度场的数值模拟

采用ANSYS有限元软件对K418高温合金激光熔覆过程中的温度场进行了计算,得到了激光熔覆层中心温度的变化规律.结果表明,熔覆层中心温度表现出明显的快速熔凝特征,熔覆层中心温度与激光功率成正比,与扫描速度成反比.计算结果为优化K418高温合金激光熔覆工艺参数提供了理论依据.     

铝合金表面激光熔覆的新进展

本文总结了铝合金表面激光熔覆的特点,阐明了激光熔覆的合金体系及工艺方法,分析了各种熔覆层及界面的组织特征及性能,提出了铝合金激光表面熔覆存在的主要问题及改进途径.     

激光熔覆参数对灰铸铁激光熔覆层裂纹的影响

通过调整激光熔覆工艺参数 ,对灰铸铁激光熔覆层裂纹问题的研究 ,发现表层裂纹率随激光扫描速度或激光功率的增加有最低值。结合激光熔覆工艺参数 ,分析了残余拉伸应力的变化 ,熔覆层树状晶的结晶方向及渗碳体组织长度和粗细程度的改变 ,同时也分析了珠光体的形态及分布与离异共晶的有无 ,解析了不同激光熔覆工艺参数形成不同裂纹率的原因。     

斜齿轮轴齿面激光熔覆过程中温度场的数值分析

对某汽轮机滑油泵转子的斜齿轮轴齿面的激光熔覆过程进行了研究,利用有限元软件ANSYS对其温度场进行了数值分析。结果表明,在齿面激光熔覆过程中,激光能量输入产生的热量大量集中在轮齿内部,且在熔覆层与齿根结合部位等温线分布比较密集,导致在轮齿内部出现较大的温度梯度,且激光输入产生的热量可对相邻轮齿产生预热的效果;计算结果还表明,越靠近齿顶,等温线越深入基体,若将轮齿的侧面和顶部同时熔覆,极易造成齿顶的过度熔化而塌陷。根据计算结果,提出了齿侧与齿顶分步熔覆的工艺,通过实际熔覆实验,在轮齿表面获得了连续、完整的熔覆层。     

铸铁件激光熔覆NiCuFeBSi合金组织及力学性能

针对灰铸铁激光熔覆的白口组织和开裂问题,研究了NiCuFeBSi合金材料及基体预热工艺对白口组织控制的影响,评价了合金力学性能。结果表明,NiCuFeBSi合金熔覆层界面白口组织宽度较小,基体预热温度升高时,白口组织呈现分散、断续状分布。半熔化区由于白口组织存在,显微硬度在此区达到峰值,向界面两侧呈递减趋势;NiCuFeBSi合金抗拉强度较高,横向抗拉强度大于纵向,其与HT250的对接试样抗拉强度受热影响区强度下降影响,强度小于NiCuFeBSi合金和HT250。熔覆层拉伸断裂机制为解理断裂为主、解理与准解理混合型断裂。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

基于温度场模拟的激光熔覆生物陶瓷涂层工艺参数选择

根据激光熔覆生物陶瓷涂层的特点,选择二维带状热源模型,研究计算了材料物理性能在不同温度下的变化曲线,并建立温度场模型。将实验制备的涂层从涂层外观、显微硬度、涂层与基体的结合强度、涂层物相等方面对比模拟结果与实验结果,从而论证模型的可靠性。根据模拟结果可得:激光功率与扫描速度均会影响熔池深度,且激光功率的影响大于扫描速度;根据模拟的变化趋势分析,选择的激光熔覆的工艺参数为功率P=1700 W,扫描速度V=165 mm/min。模拟预测了不同涂层厚度、工艺参数条件下的熔池深度。     

激光熔覆添加碳化钨的镍基合金应力状况研究

在20Cr2NiSiW基体上熔覆添加碳化钨的镍基合金．对熔覆层的应力状态进行了分析。未预热的熔覆层存在热应力的残余应力峰值700MPa．和相变应力的残余应力峰值850MPa。熔覆件整体的熔前预热和熔后保温。可以改善熔覆层的应力分布。消除部分热应力和相变应力，残余应力也有所降低。虽然仍呈现熔覆层受拉应力，热影响区受压应力的状态．但热应力的峰值降到510MPa．热应力峰也从表面移到了熔覆层的中部。界面的相变拉应力峰被消除．得到了应力分布状态较好的激光熔覆层。在未预热的熔覆层内，先共晶的奥氏体枝晶的生长，从界面开始逆温度梯度方向定向生长．直到熔覆层的表面。而在预热的熔覆层内．先共晶的奥氏体的生长方向变为从熔池的四周垂直于熔池的边界生长．到熔覆层的中部结束。     

球墨铸铁的镍基合金环形光斑激光熔敷

利用环形光斑复合镜对千瓦级横流ＣＯ_２激光器光束进行变换,使光束由圆形变换为环形,用该光束对发动机曲轴常用材料──球墨铸铁进行了镍基合金激光熔敷,阐明了激光熔敷工艺、熔敷层组织结构及硬度特点,并在废弃曲轴上进行了初步试验。     

激光熔覆与合金化层的缺陷产生及其防止

论述了激光熔覆与合金化层缺陷的产生原因及其控制方法。