激光重熔超音速火焰噴涂Cr3C2-25%CrNi層的數(shù)值分析及實驗驗證

陳華勇,高 森,鄧琦林

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海200240)

超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)焰流速度高,涂層結(jié)合強度較好,適于噴涂碳化物等易氧化粉末材料,如 Cr3C2-NiCr、WC-Co等[1]。但噴涂速度高導(dǎo)致粗顆粒在噴涂過程中熔化不充分,超音速噴涂涂層與基體的結(jié)合主要是機械結(jié)合,化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)常處于非平衡狀態(tài),影響了涂層部分使用性能[2]。激光重熔作為一種將激光和熱處理技術(shù)相結(jié)合的表面工程技術(shù),充分利用了激光束能量高、集中度好的特點,可有效地改變材料的表面性能,使之達(dá)到耐磨、抗腐蝕、耐沖蝕、抗高溫氧化等多種性能,且能保證涂層與基體的冶金結(jié)合[3]。因而,可將兩種技術(shù)結(jié)合起來,互相補充,以改善表面涂層性能。Cr3C2-25%NiCr金屬/陶瓷復(fù)合材料,具有高溫穩(wěn)定性和抗高溫氧化性,廣泛應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動機渦輪葉片耐高溫沖蝕磨損涂層、連鑄連軋軋輥表面高溫耐磨涂層等[4]。近年來,有學(xué)者對激光重熔Cr3C2-25%NiCr等離子噴涂涂層進(jìn)行了研究,并取得了許多成果[4-6];然而,對超音速噴涂Cr3C2-25%NiCr層進(jìn)行激光重熔后的組織結(jié)構(gòu)和性能的研究相對較少。

合理的激光重熔工藝參數(shù)可避免涂層材料被過度熔化的基體所稀釋,從而保證了涂層材料原有的性能,如高硬度、高耐磨性等[7]。由于激光重熔熔池內(nèi)冶金動力學(xué)的復(fù)雜性,獲得合理的激光重熔工藝、減少或者避免激光對表面產(chǎn)生的不利影響并不容易。用實驗方法來測量熔池內(nèi)熔體的流動和溫度、應(yīng)力分布以及熔池表面粉末、熔池、光束的相互作用及表面形狀的形成雖然有效,但實施起來不僅非常困難,在費用上也相當(dāng)昂貴[8]。伴隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用、理論分析及數(shù)值計算的完善和發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)也越來越多地應(yīng)用在材料科學(xué)領(lǐng)域,使得對激光重熔、激光熔覆的研究不斷深入。

利用大型有限元分析軟件ANSYS,建立三維動態(tài)溫度場計算模型,對不同工藝參數(shù)下激光重熔HVOF涂層過程進(jìn)行了模擬仿真,試驗驗證模型的有效性,從而優(yōu)化激光重熔的工藝參數(shù)。

1 溫度場仿真模擬

激光重熔過程中會產(chǎn)生熱傳導(dǎo)、熱輻射、金屬的熔化和凝固、熱應(yīng)力和應(yīng)變等現(xiàn)象。在解決問題的過程中,由于邊界條件的不同、計算方法的限制、動態(tài)過程的復(fù)雜性等原因,在使用ANSYSY12.0建立激光重熔有限元分析模型時,必須進(jìn)行一定的簡化[8]。本文將研究對象表面假定為平面,經(jīng)典的傳熱理論適用于激光與材料的相互作用;考慮重熔過程中的熱傳導(dǎo)、輻射、對流以及相變潛熱;忽略基體材料與HVOF涂層的混合;忽略基體材料對激光能量的吸收;由于部分材料熱物理參數(shù)難以獲得,則忽略溫度對密度的影響;由于激光加熱的時間極短,忽略熔池內(nèi)液體流動對溫度的影響。為便于試驗驗證,基體和HVOF涂層均采用實驗室現(xiàn)有材料,316L不銹鋼作為基體,北京礦冶研究總院產(chǎn)的KF-70球形燒結(jié)態(tài)噴涂粉末 Cr3C2-25%NiCr作為HVOF層。兩種材料的化學(xué)成分和熱物理參數(shù)見有關(guān)文獻(xiàn)[1-2,9]。

為了提高運算效率,僅對在多種工藝參數(shù)下進(jìn)行單道激光重熔過程進(jìn)行仿真模擬,不考慮搭接以及前后兩道之間的影響。如圖1所示,基體尺寸為30 mm×30 mm×4 mm,HVOF涂層尺寸為30 mm×30 mm×0.4 mm,激光功率密度在光斑范圍內(nèi)服從高斯分布,相關(guān)的推導(dǎo)和計算可參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]。激光以速度v作用于板材中部且沿x方向,并在進(jìn)入板材和離開板材的時候,各掃描一段距離,以符合實際狀況下的激光掃描。分析中采用熱-結(jié)構(gòu)耦合單元中的三維熱分析單元Solid 70,具有8個節(jié)點,每個節(jié)點都只有溫度自由度。在激光掃描區(qū),既有激光熱流輸入,又有板料表面與周圍環(huán)境的對流,而對流與熱流密度不能同時施加在一個表面上,因而需要在加熱區(qū)引入表面效應(yīng)單元Surface 152。將熱流密度加到Solid70單元上,而將對流載荷施加到Surface 152單元上。

圖1 激光重熔HVOF涂層示意圖

激光熱源移動是激光重熔有限元模型的關(guān)鍵,它是依靠分步循環(huán)加載實現(xiàn)的。在加載過程中,隨著時間推移將連續(xù)移動的熱源離散到一個個載荷,當(dāng)載荷步足夠小時,就相當(dāng)于熱源的移動,通過多載荷步按時間步長關(guān)系施加給模型,能模擬真實熱源的移動;施加下一步載荷的同時刪除上一步施加的載荷[10]。應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計語言APDL的循環(huán)語句實現(xiàn)熱源移動,開發(fā)相應(yīng)的APDL程序。為了便于對比研究激光重熔工藝參數(shù)對溫度場分布的影響,使用表1所示的工藝參數(shù)。

表1 激光重熔的工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

激光工藝參數(shù)不但影響重熔層的深度和寬度等宏觀尺寸,也影響重熔層的微觀組織和性能。光斑直徑d、激光功率P和掃描速度v是其中最重要的3個工藝參數(shù),直接關(guān)系到噴涂層吸收能量的大小,進(jìn)而影響其微觀組織和性能,因此必須綜合考慮。如圖2所示,對不同的工藝參數(shù)組合下得到的模擬仿真結(jié)果,提取一系列不同點的溫度場數(shù)值,分析掃描速度和激光功率對熔池深度和寬度的影響,研究激光重熔與超音速火焰噴涂各自的特點,進(jìn)而得到優(yōu)化的工藝參數(shù)。

圖2 不同工藝參數(shù)下,提取溫度仿真值的點的位置示意圖

2.1 掃描速度對溫度場分布的影響

在激光功率為2.2 kW的情況下,研究掃描速度對溫度場的影響。圖3是激光功率和光斑直徑相同,改變掃描速度、各個參考點溫度場隨時間變化的曲線?？梢?掃描速度對涂層溫度分布的影響非常大。對于 P2點來說,掃描速度 v=300 mm/min時,溫度達(dá)到最大值的時間約為4.14 s;而當(dāng)掃描速度v=500 mm/min時,溫度達(dá)到最大值的時間是2.6 s;其他各點也有相同的規(guī)律。這表明,在相同的層深處,隨著速度的增加,涂層或基體達(dá)到溫度最大值所需要的時間逐漸減少。這主要是由于經(jīng)過激光掃描后,涂層由于熱量富集而迅速升溫,掃描速度越快,表面溫度的增加也越快,達(dá)到最大值所需的時間越短。

圖3 不同掃描速度下,各個參考點的溫度值時間歷程變化

曲線也顯示,隨著掃描速度的增大,掃描時間變短,在同一時刻各參考點的溫度值降低。這是因為當(dāng)光斑直徑和熱噴涂涂層厚度一定時,較低的掃描速度增加了加熱時間,使涂層吸收到更多的能量,最終增加了熔池深度。圖3a是在整個激光重熔的過程中,仿真模擬得到P3點的最高溫度為3 039.99℃,而P1點的最高溫度僅為2 519.20℃。其原因在于,激光掃描時先經(jīng)過P1點,其前方是導(dǎo)熱性能非常好的冷態(tài)金屬材料,因而能快速將獲得的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳播出去;當(dāng)激光掃描到終點P3的時候,基體和涂層材料已被預(yù)熱,其前方是導(dǎo)熱性較差的空氣,熱量不能及時傳導(dǎo)出去,在終點處積聚,導(dǎo)致溫度在短時間內(nèi)急劇上升。這也就解釋了激光重熔、激光熔覆過程中,掃描結(jié)束端的熔池總是比進(jìn)入端的熔池深的現(xiàn)象。因此我們在使用上述兩種工藝的時候必須考慮這種情況,以防止出現(xiàn)零件燒損、氣化等現(xiàn)象。對一些尺寸精度要求較高的零件進(jìn)行激光淬火或激光修復(fù)時,可將掃描速度由勻速變?yōu)樽兯?比如先加速后減速的方式,或者對立兩邊同時進(jìn)行掃描,或者幾種方式綜合使用,也許可有效地改善能量局部積聚的情況。目前對這些方式的研究還比較少。

2.2 激光功率對溫度場的影響

在光斑直徑為5 mm、掃描速度300 mm/min情況下,研究激光功率大小對溫度場分布的影響。對于同一個參考點來說,隨著激光功率的增大,溫度的最大值也隨之增大。如圖4所示,由 Y=width/2橫斷面提取的P2～P10點溫度場分布數(shù)值時間歷程變化趨勢一致,涂層溫度均隨激光功率的增加而增加,且激光功率的大小對涂層達(dá)到溫度最大值的時間并無明顯影響。當(dāng)激光功率由1.8 kW增加到2.4 kW時,P2點溫度模擬的最大值由2 333.44℃上升到3 101.38℃,而結(jié)束點P3更是上升到3 688.38℃,幾乎達(dá)到了材料的涂層材料的氣化閾值。在試驗中,常能觀察到熔池內(nèi)金屬溶液有“飛濺”現(xiàn)象,這可能是由于溫度過高,導(dǎo)致涂層材料中的雜質(zhì)、等離子體等飛離熔池。隨著激光功率的增大,輸入到HVOF涂層的能量密度增大,熔體溫度升高,基體熔化增多,使激光重熔層稀釋嚴(yán)重,極大影響了涂層的使用性能。

圖4 不同激光功率下,各個參考點的溫度值時間歷程變化

3 試驗驗證

按照溫度場仿真模擬過程制備尺寸為30 mm×30 mm×4 mm的基體,使用超音速火焰噴涂的方法得到約0.4 mm的涂層;并采用輸出額定功率3 kW、HJ-3000橫流CO2激光器,對HVOF層進(jìn)行重熔處理,采用表1中試樣1對應(yīng)的工藝參數(shù)。試樣經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后,在金相顯微鏡(OM)下觀察組織形貌,并測定涂層到基體的微觀硬度。

在溫度場有限元模擬結(jié)果中,提取得到某點溫度場隨時間變化的最大值,如該值超過了材料的熔點,則代表該處材料熔化再結(jié)晶。利用此方法,由圖6可得到代表熔池深度的云圖曲線(316L不銹鋼的熔點在1 375～1 450℃之間)。將計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比,見圖7。熔池界面為月牙形,實際熔池深度要比計算結(jié)果的略大一些。這是因為仿真分析時沒有把實際狀況下,激光加熱材料的深度等因素考慮進(jìn)去。但熔池形貌和深度基本吻合,證明仿真模型是有效的。

圖5是激光重熔HVOF層后的表面形貌。圖上方是激光掃描進(jìn)入端,下方是激光掃描結(jié)束端。結(jié)束端的熔池深度要比進(jìn)入端的深,月牙形也更大一些。由此驗證了2.1中的結(jié)論。

圖8是掃描速度為300 mm/min、功率為2.4 kW的工藝參數(shù)下,試樣width/2橫斷面處的金相組織微觀形貌和硬度值。從圖8a可看出,HVOF層經(jīng)激光重熔后,涂層與基體結(jié)合緊密,涂層內(nèi)孔隙消失,致密性得到很大改善,涂層與基體的結(jié)合是冶金結(jié)合,而因此采用激光重熔的方法可有效改善超音速火焰噴涂層的致密性以及與基體結(jié)合的牢固性。

圖8b顯示基體的硬度值較低,涂層的硬度值較高,但兩者之間并沒有顯著過渡區(qū)。橫坐標(biāo)顯示,高硬度區(qū)的寬度明顯多于 0.5 mm,但由前述可知HVOF涂層厚度約為0.4 mm,說明高硬度區(qū)得到了擴展。根據(jù)激光功率和掃描速度對溫度場分布的影響,掃描速度越小或者功率越大,HVOF涂層在重熔過程中獲得的能量就越大,基體熔化越多,就會有較多的基體材料進(jìn)入涂層,造成涂層稀釋,降低了涂層的整體硬度。但涂層材料與基體材料混合區(qū)的硬度明顯大于基體,使高硬度區(qū)得到了擴展。出現(xiàn)如圖6所示的硬度分布曲線。這同時說明溫度場仿真模型是有效的,能很好地預(yù)測試驗結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)利用ANSYS軟件建立了激光重熔HVOF層的有限元模型,并進(jìn)行了溫度場的仿真模擬,考察了激光重熔工藝參數(shù)對溫度場分布以及涂層質(zhì)量的影響,并進(jìn)行了實驗驗證。實驗證明該模型是正確有效的。

(2)增大功率、降低掃描速度都將使溫度上升,熔池深度增加,但也會引起基體材料對涂層的稀釋,降低涂層整體硬度。

(3)激光重熔能有效改善涂層致密性,且重熔層與基體的結(jié)合屬于冶金結(jié)合。

(4)單向勻速掃描會引起能量在掃描結(jié)束端積聚,因而在激光重熔、激光熔覆過程中,必須考慮掃描初始端和結(jié)束端的溫差,避免因過燒、氣化等導(dǎo)致零件失效?？刹捎秒p向同時掃描、變速掃描等方式改善成形的質(zhì)量。

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