激光熔覆多層涂層溫度場的數(shù)值模擬

孫越 張兆林 劉欣 牛安平 楊堅 盧茂奇 韓立梅

摘要：基于ANSYS生死單元技術(shù)，建立了多層激光熔覆三維有限元分析模型，獲得多層激光熔覆溫度場的分布規(guī)律，同時分析預(yù)熱溫度對激光熔覆熱循環(huán)的影響。試驗結(jié)果表明，平行于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)加熱速度較快，降溫速度緩慢;垂直于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)，距離熔覆層中心越近，加熱速度和冷卻速度越大。y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度;熱輸入保持不變時，隨著預(yù)熱溫度的升高，加熱速度變化較小，峰值溫度升高，相變溫度以上停留時間變長，但高溫停留時間變化不大。預(yù)熱溫度為200 ℃時，t8/5約為未預(yù)熱下的3.2倍，預(yù)熱可以減小熔覆層開裂傾向，有效降低涂層應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;溫度場;ANSYS生死單元;預(yù)熱;殘余應(yīng)力

中圖分類號：TG456.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0061-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.11

0 ? ?前言

目前激光熔覆技術(shù)在表面工程、機(jī)械修復(fù)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。它是利用高能束熱源同時對熔覆材料和基體表面進(jìn)行加熱熔化，并快速凝固，從而實現(xiàn)熔覆層與基體的冶金結(jié)合[2]。激光熔覆涂層的性能取決于熔覆材料，常見的熔覆材料有鐵基、鈷基、鎳基以及陶瓷粉末等。由于熔覆過程中熔覆材料和基體材料之間存在著巨大的熱物性差異，因此熔覆層制備過程中極易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這也是導(dǎo)致熔覆層開裂的直接原因[3-4]，限制了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。殘余應(yīng)力主要來自熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力，其中熱應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)作用，熱應(yīng)力是當(dāng)材料受熱或冷卻時因材料的溫度梯度造成的。因此，研究熔覆過程中的溫度場對控制熔覆層的開裂具有重要的意義。

文中采用ANSYS“ 生死單元 ”技術(shù)研究了多層激光熔覆溫度場中節(jié)點(diǎn)熱循環(huán)和溫度梯度的變化規(guī)律，分析了預(yù)熱溫度對熔覆熱循環(huán)的影響，旨在為激光熔覆成形工藝提供理論基礎(chǔ)與現(xiàn)實依據(jù)。

1 建立模型

1.1 熔覆材料的物理參數(shù)及熔覆工藝參數(shù)

模擬過程中選取12Cr1MoV鋼為基體材料，316L不銹鋼為涂層材料，與溫度變化相關(guān)的參數(shù)（線膨脹系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)）如表 1所示。其他參數(shù)為：激光功率1 000 W，激光半徑1.5 mm，掃描速度4 mm/s，吸收系數(shù)0.6，初始溫度20 ℃。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

目前主要的熱源模式包括Rosonthal解析模式、高斯函數(shù)的熱流分布、半球狀熱源分布函數(shù)、橢球形熱源分布函數(shù)和雙橢球形熱源分布函數(shù)[5]。高斯分布熱源具有中間能量高而邊緣能量低的分布特點(diǎn)，與實際熔覆過程中的熱源近似相同，因此文中采用高斯熱源作為熱源模型，如圖1所示。

距離熱源中心任意一點(diǎn)的熱源密度為

q （r）=qmexp （-3r2/R2）

熔覆過程中加熱溫度高、高溫停留時間短、冷卻速度快，隨著熱源的移動，溫度場隨時間和空間劇烈變化。因此，材料的熱物理性能隨溫度劇烈變化，其熱傳導(dǎo)問題的控制方程為：

式中 ρ、c和λ分別為材料的密度、比熱容和熱導(dǎo)率，均為溫度T的函數(shù); Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度。

綜合考慮熱流和換熱兩種邊界條件，在模擬計算時，將有限元模型周圍表面定義為換熱邊界條件，通過隨溫度變化的散熱系數(shù)（mpdata，hf）施加到模型上，模型中激光功率為1 200 W，熱源半徑為1.5 mm，換熱系數(shù)為30 W/ （m2·℃）。模擬過程中第一道涂層沿著x軸正方向進(jìn)行熔覆，第二道涂層沿著x軸負(fù)方向進(jìn)行熔覆，熔覆過程中先“ 殺死 ”涂層單元，單元的激活通過SFE，HFLUX命令，隨著熱源的移動涂層逐漸被激活，從而模擬熔覆過程。

1.3 幾何模型及網(wǎng)格的建立

采用Solid70單元建立3D幾何模型，模型尺寸為120 mm×80 mm×6 mm，熔覆層高度為6 mm，每層3 mm。

幾何形狀和載荷分布關(guān)于熔覆層中心處x-z平面對稱。網(wǎng)格劃分時對熔覆層和結(jié)合處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，長度方向上的單元網(wǎng)格長度定義為4 mm，熔覆層高度方向上劃分為2層網(wǎng)格高度為3 mm，網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 多層熔覆溫度場模擬結(jié)果及分析

2.1 熔覆溫度場分布特征

在多層熔覆模擬過程中，采用ANSYS生死單元技術(shù)模擬熔覆過程。不預(yù)熱時不同時刻熔覆層溫度場的分布如圖3所示，每層熔覆時間30 s。

對比圖3a、3b可知，熔覆第二層金屬時激光熱源會對第一層熔覆金屬產(chǎn)生回火作用，同時溫度場分布具有不對稱性，這是因為異種材料的物理性能差異導(dǎo)致溫度梯度不同。圖3d為定義路徑上的溫度分布曲線，在距離表面3.7 mm時節(jié)點(diǎn)溫度降至1 500 ℃以下，實際熔覆層高度為3 mm，說明熔覆層的稀釋率約為0.7 mm，與激光熔覆低稀釋率特點(diǎn)相符合，從而進(jìn)一步驗證了模型的準(zhǔn)確性。

2.2 不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

選取垂直于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)A、B、C，平行于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)D、E、F、G、H，節(jié)點(diǎn)分布如圖4所示，通過ANSYS后處理器提取繪制不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，如圖5所示。

由圖5可知，各節(jié)點(diǎn)處升溫速度較快，降溫速度較為平緩。分析原因為：加熱時熱源直接照射節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致溫度驟熱升高，熱源經(jīng)過該點(diǎn)向前移動時會對熔覆層重復(fù)加熱導(dǎo)致溫度下降緩慢。同時，每條曲線都出現(xiàn)2次峰值，且后一次峰值大于前一次，這是因為熔覆第二層金屬時節(jié)點(diǎn)再次吸收能量，溫度進(jìn)一步升高。不同節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線最大峰值均在2 000 ℃左右，可確?；w和熔覆材料充分加熱熔化，以保證基體和熔覆層形成良好的冶金結(jié)合。

由圖5還可知，平行于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)其熱循環(huán)變化規(guī)律相同，垂直于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)其熱循環(huán)存在差異，距離熔覆層中心越近的節(jié)點(diǎn)加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大，該現(xiàn)象與激光熔覆熱量集中、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)相吻合。

2.3 節(jié)點(diǎn)溫度梯度曲線

溫度梯度影響著熔覆層的結(jié)晶方向及冷卻凝固過程，因此研究溫度梯度在熔池內(nèi)的分布對于研究熔覆層組織及形成機(jī)制具有重要意義[6]。

圖6a為x方向的溫度梯度變化曲線，觀察可知x方向上表面節(jié)點(diǎn)的溫度梯度高于熔覆層結(jié)合處的溫度梯度。圖6b為y方向的溫度梯度變化曲線，觀察可知y方向表面節(jié)點(diǎn)的溫度梯度低于熔覆層結(jié)合處的溫度梯度，同時y方向結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度，反映出y方向的應(yīng)力大于x方向的應(yīng)力。模型模擬過程中熱源沿x方向進(jìn)行移動，熔覆層沿y方向結(jié)晶，y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)即熔覆層與基體熔合處節(jié)點(diǎn)，當(dāng)y方向節(jié)點(diǎn)處溫度梯度（即應(yīng)力）高于一定值時容易導(dǎo)致熔覆涂層的開裂。因此，節(jié)點(diǎn)的溫度梯度是溫度場模擬過程中的重要物理量。

3 預(yù)熱溫度對熱循環(huán)曲線及等效應(yīng)力的影響

不同預(yù)熱溫度下節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖7所示，預(yù)熱溫度分別為100 ℃、200 ℃。由圖7可知，隨著預(yù)熱溫度升高，熱曲線峰值溫度升高，1 100 ℃以上的高溫區(qū)域3條曲線停留時間無明顯差異，但相變點(diǎn)以上預(yù)熱溫度為200 ℃時停留時間最長，相變點(diǎn)以上長時間的停留是有利于奧氏體均勻化的，因此預(yù)熱溫度為200 ℃時的預(yù)熱效果最佳。

觀察圖7可知，不同預(yù)熱溫度下加熱速度無明顯變化，但冷卻速度存在較大差異。為研究冷卻速度，選擇焊接參數(shù)t8/5對熔覆層冷卻速度進(jìn)行分析，如表2所示。

由表2可知，預(yù)熱溫度為200 ℃時的t8/5參數(shù)約為未預(yù)熱條件下熔覆層的3.2倍，預(yù)熱效果最佳。由于激光熔覆材料和基體熱物性存在差異，因此較大的冷卻速度必然增加基體和涂層間的應(yīng)力，導(dǎo)致熔覆層應(yīng)力開裂傾向增大，對基材材料進(jìn)行預(yù)熱處理可降低冷卻速度，減小溫度梯度。

采用熱應(yīng)力耦合方法對涂層進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，z、x方向位移限制設(shè)置為0，提取熔覆10 s時涂層的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。20 ℃未預(yù)熱涂層的等效應(yīng)力為4.87×108 Pa，100 ℃預(yù)熱條件下涂層的等效應(yīng)力為4.57×108 Pa，200℃預(yù)熱條件下涂層的等效應(yīng)力為4.11×108 Pa。通過模擬分析可知，預(yù)熱基體能夠有效地減小涂層中的應(yīng)力，減小涂層開裂的傾向。

4 結(jié)論

（1）多層熔覆時后一層熔覆會對上一層起到回火作用，后續(xù)熔覆時溫度場分布云圖呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。

（2）平行于熱源移動方向的節(jié)點(diǎn)溫度循環(huán)曲線變化規(guī)律相同;垂直于熱源移動方向，距離熔覆層中心越近的節(jié)點(diǎn)加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大。

（3）y方向的結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度大于x方向上結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的溫度梯度，當(dāng)y方向（即垂直于熱源移動平面）節(jié)點(diǎn)處溫度梯度高于一定值時易導(dǎo)致熔覆層開裂。

（4）預(yù)熱溫度對熱循環(huán)曲線影響較大。熱輸入保持不變時，隨著預(yù)熱溫度的升高，加熱速度變化較小，峰值溫度升高，相變溫度以上停留時間變長，但高溫停留時間變化不大。預(yù)熱溫度200 ℃時t8/5參數(shù)約為未預(yù)熱下的3.2倍，預(yù)熱基體材料可以減小熔覆層的開裂傾向。

參考文獻(xiàn)：

Zhang H，Zou Y，Zou Z D，et al. Microstructure and proper-ties of Fe-based composite coating by laser cladding Fe-Ti-V-Cr-C-CeO2 powder[J]. Opt. Laser. Technol.，2015（65）：119-125.

張維平，劉文艷.激光熔覆陶瓷涂層綜述[J].表面技術(shù)，2001（30）：30-32.

高永健，張世堂，鄧智昌，等.激光熔覆高溫自潤滑復(fù)層的裂紋成因與控制[J].中國表面工程，201l，24（4）：13-18.

Pilloz M，Pelletier J M，Vannes A B. Residual stresses induced by laser coatings：phenomenological analysis and predictions[J]. Journal of Materials Science，1992，27（5）：1240-1244.

程久歡. 焊接熱源模型的研究進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2004，33（1）：13-17.

曾驥.加筋板結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)報方法研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)，2004.