微锻造作用下激光熔覆实验研究与建模分析

摘要

激光熔覆是利用高能束激光热源辐射熔覆层和基材表面，使之熔化并迅速凝固，从而显著改善基材性能的一种新的工艺方法。由于熔覆层和基材的物理特性不一样，激光熔覆过程中必然产生热应力，其形态表现为拉应力。熔覆层表面在拉应力的作用下出现裂纹，严重影响了激光熔覆试件的质量。大大限制了激光熔覆工艺在企业中推广应用及批量工作生产。 消除激光熔覆裂纹通常有三种方法： (1)通过减小温度梯度来减少激光熔覆开裂倾向； (2)通过往熔覆材料中添加增韧、增塑元素； (3)通过超声波震动的方法，来控制裂纹的产生。 本论文结合国家自然科学基金资助项目“超声微塑变锻调控高能束熔覆层开裂行为与磨损特性”(N0.50775106)，尝试研究一种全新的消除激光熔覆裂纹的工艺方法，即微锻造作用消除激光熔覆裂纹。其基本原理是：熔覆层裂纹是激光熔覆热应力，即拉应力作用的结果，如果能减少熔覆层拉应力或转变拉应力为压应力，则能够达到消除熔覆层裂纹的目的。本文研究在激光熔覆的同时进行微锻造作用熔覆层，则熔覆层表面发生微塑性变形，原来熔覆层的拉应力转变为压应力，即可消除激光熔覆裂纹。 本文通过自制的微锻造实验平台，对激光熔覆裂纹进行了实物研究，并对实验结果进行了金相显微镜观察、X射线衍射法应力测试与对比分析，证明了微锻造作用对消除激光熔覆层裂纹有明显的作用。 本文根据热力学理论、冲击动力学理论、弹塑性力学理论，把微锻造作用下激光熔覆实验的整个过程分成三个阶段，分别建立各自的数学模型，即激光熔覆温度场数学模型、激光熔覆热应力场数学模型、微锻造作用下激光熔覆层弹塑性区应力加载/卸载数学模型，并将各自数学模型计算的结果进行一维近似叠加，由此可以得到整个模型最终应力结果。在理论上证明微锻造消除激光熔覆层裂纹的可行性。 同时本文利用ANSYS对微锻造作用下激光熔覆实验的整个过程建模并进行有限元分析，利用间接耦合法求出了激光熔覆层热应力，采用冲击-接触模型求出微锻造作用时熔覆层应力情况，将所得的计算结果与前文数学模型所求结果相比较，即可以得到一个比较符合实际工况的理论模型。 总之，本文通过实验与建模分析了激光熔覆中熔覆层的应力类型，阐明了熔覆层裂纹的形成机理；同时对试件进行预热和对熔覆层微锻造处理，从机理和数学模型两个方面论证了对熔覆层进行微锻造可以减少或消除熔覆层的拉应力，控制熔覆层裂纹。