曲軸用42CrMo鋼激光重熔數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證*

李新凱，孫佳泉，胡露瑤，鐘 盛，廖 茜，呂汝金，魏德強(qiáng)

（1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.桂林旅游學(xué)院，桂林 541004；3.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537000）

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件之一，以航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為例，曲軸需在高速變載工況下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，惡劣工作環(huán)境對(duì)曲軸性能提出較高要求。為降低軸徑連桿表面磨損，需對(duì)其表面進(jìn)行淬火和磨削處理，以提升曲軸表面硬度和質(zhì)量。然而，經(jīng)復(fù)合處理工藝后曲軸表面會(huì)出現(xiàn)部分微裂紋，造成產(chǎn)品報(bào)廢和經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，需尋求一種新的工藝方法來(lái)滿(mǎn)足曲軸對(duì)于表面硬度和質(zhì)量需求。

激光重熔是一種新型表面處理技術(shù)，驟熱急冷機(jī)制下的熱作用過(guò)程可快速實(shí)現(xiàn)金屬材料表面的強(qiáng)化。并且通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)控熔池內(nèi)部流動(dòng)情況，可實(shí)現(xiàn)試樣表面質(zhì)量的降低[2]。然而，激光重熔作用時(shí)間短，很難直接觀測(cè)熔池流動(dòng)情況，重熔層厚度和表面粗糙度多通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)與預(yù)測(cè)[3]。為研究激光重熔過(guò)程中熔池流動(dòng)這一核心難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行深入研究[4]。張偉康[5]和Zhang[6]等建立激光拋光表面形貌的二維瞬態(tài)模型，并通過(guò)主要頻率合成輪廓曲線(xiàn)用于微起伏幾何模型的建立。模擬發(fā)現(xiàn)激光拋光過(guò)程中，粗糙表面在驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生流動(dòng)，微凸起熔融后流向低洼處，進(jìn)而降低表面起伏程度。通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型所預(yù)測(cè)熔池深度與實(shí)際誤差為7.5%。Ma 等[7]利用有限元分析法建立了一個(gè)二維軸對(duì)稱(chēng)的瞬態(tài)模型，研究了激光對(duì)Marangoni 效應(yīng)的作用機(jī)制。模型耦合了傳熱和流體流動(dòng)，邊界驅(qū)動(dòng)力為熱毛細(xì)力，通過(guò)分析單個(gè)脈沖時(shí)間下的變化規(guī)律，求解出溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，還得到了自由表面輪廓的演化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光脈沖時(shí)間越長(zhǎng)熔池流動(dòng)越劇烈，當(dāng)脈寬為0.66 μs 時(shí)，Ti6Al4V 合金熱毛細(xì)力產(chǎn)生的變形最小。

目前，激光重熔模擬方面研究，一方面，部分學(xué)者將幾何模型中加工面簡(jiǎn)化為平面；另一方面，將激光熱源設(shè)定為固定式[8–9]?；诖?，本文創(chuàng)新性地將激光重熔技術(shù)引入曲軸加工領(lǐng)域，通過(guò)探究移動(dòng)熱源對(duì)高度擬合原始型面熱作用過(guò)程，分析熔池自由表面形貌演變規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析模型準(zhǔn)確性與激光重熔技術(shù)對(duì)曲軸表面處理的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用42CrMo 鋼作為試驗(yàn)用原材料，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為C 0.41%、Si 0.18%、Mn 0.55%、Cr 1.16%、Mo 0.18%、P 0.01%、S 0.01% 和Fe（余量）。試驗(yàn)前使用線(xiàn)切割機(jī)床將所購(gòu)原材料加工成邊長(zhǎng)為40 mm 的正方體試塊，原始表面Ra值為（4.3±0.2）μm。激光重熔前，用無(wú)水乙醇擦拭試樣表面并風(fēng)干，以去除表面污漬，排除材料表面對(duì)重熔效果影響[10]。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用連續(xù)光纖激光器進(jìn)行研究，設(shè)備原理如圖1所示。激光加工過(guò)程中采用連續(xù)模式輸入，激光器可在z軸垂直運(yùn)動(dòng)，載臺(tái)可沿x–y軸移動(dòng)。激光加工過(guò)程中，試樣處于氬氣保護(hù)氣氛中，抑制表面氧化。

圖1 激光重熔加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser remelting processing

采用VK–X200 型激光共聚焦顯微鏡對(duì)于拋光前后表面形貌進(jìn)行觀測(cè)與測(cè)量，該激光共聚焦顯微鏡在平面方向能夠達(dá)到1 nm 的分辨率，在高度方向能夠達(dá)到0.5 nm 的分辨率，能以非接觸方式測(cè)量出表面的三維形貌數(shù)據(jù)。采用HDX–1000TM型顯微硬度計(jì)測(cè)量拋光層硬度，測(cè)量過(guò)程中施加載荷9.8 N，加載時(shí)間為15 s。

2 42CrMo鋼激光表面重熔有限元模擬

2.1 幾何模型的建立

為探究42CrMo 鋼在激光表面重熔作用下，表面熔池流動(dòng)和形貌演變規(guī)律，建立二維仿真模型進(jìn)行研究。激光作用下42CrMo 鋼仿真模型如圖2所示，在激光光斑作用下，試樣表面會(huì)形成半橢圓狀熔池。邊界1 為初始輪廓線(xiàn)，該輪廓線(xiàn)提取自銑削加工后42CrMo 鋼表面，以此提升仿真模型擬合程度。邊界2、邊界3 和邊界4 為熔池設(shè)定邊界，相關(guān)邊界條件在后續(xù)表1 中進(jìn)行賦值。幾何模型尺寸為1580 μm×500 μm。為模擬過(guò)程中合理匹配運(yùn)算量，并減少仿真過(guò)程因網(wǎng)格反轉(zhuǎn)而出現(xiàn)不收斂的問(wèn)題，對(duì)表層熔池變化較為劇烈的部分（距表面0～50 μm）進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

表1 邊界條件設(shè)定Table 1 Boundary condition setting

圖2 激光重熔仿真模型示意圖與邊界條件設(shè)定Fig.2 Schematic diagram of laser remelting simulation model and boundary condition setting

2.2 材料熱物性

激光重熔過(guò)程中，表層經(jīng)歷了加熱、熔化、冷卻和凝固系列熱作用過(guò)程，因熔池流動(dòng)模擬為溫度連續(xù)變化過(guò)程，溫度變化極大，期間材料的屬性會(huì)隨溫度產(chǎn)生較大變化。如材料密度、動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等，在對(duì)熔池流動(dòng)的分析中需考慮溫度對(duì)其影響。因此，需對(duì)上述42CrMo 鋼熱物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與求解，根據(jù)所測(cè)42CrMo 鋼實(shí)際元素比例在JMatPro 中求解得出，如圖3所示（部分點(diǎn)劃線(xiàn)因間距過(guò)小，兩點(diǎn)之間連線(xiàn)未顯示）。最后將相關(guān)熱物性參數(shù)以差值形式導(dǎo)入COMSOL中。

2.3 控制方程

激光重熔過(guò)程中表層溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)均受能量方程的影響，所涉及的導(dǎo)熱項(xiàng)由傅里葉方程進(jìn)行求解。

式中，p為熔池內(nèi)部壓強(qiáng)；I為單位矩陣。熔池流動(dòng)受重力影響，式（3）中ρg為熔融金屬的重力分量[11]。激光加工過(guò)程中，熱源呈高斯分布，超出光斑區(qū)域能量密度為0，由此得出熱源數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Q 為激光熱流密度；P為激光功率；r為激光下束半徑；v 為加工速度。

2.4 邊界條件

基于上述分析，為獲得激光重熔的過(guò)程，需有相應(yīng)邊界條件。可將計(jì)算閾中的邊界分為兩個(gè)類(lèi)型：（1）基體與真空域的氣/液自由界面；（2）剩余3 個(gè)界面（包含2 個(gè)側(cè)面和1 個(gè)底面）。

試樣邊界1、邊界2、邊界4 在真空內(nèi)存在熱輻射作用，其表達(dá)式為

激光重熔時(shí)表面形貌演變受毛細(xì)力和熱毛細(xì)力影響，其中毛細(xì)力作用于曲面法向，熱毛細(xì)力作用于曲面切向。邊界2、邊界3 和邊界4不發(fā)生形變，邊界1 是自由形變的表面，熔池頂部自由表面的應(yīng)力σ為

式中，σn為法向應(yīng)力，由毛細(xì)力產(chǎn)生，向上的法向應(yīng)力σn可由自由曲面的曲率κ得出，

曲率κ可定義為單位法向量n=（n1+n2）的散度[12]。

式中，σt為曲面上的切向應(yīng)力，由熱毛細(xì)力產(chǎn)生[13–14]，其數(shù)值的大小取決于切向方向的溫度梯度。

式中， ΔtT是沿切向的溫度梯度；γ是表面張力，可由式（12）得出[15]。

由增值變換為幅值，?Tγ/?TT的正負(fù)值對(duì)熔池內(nèi)部的流動(dòng)影響較大。

式（11）～（13）中，ai為硫含量；Aγ為恒定的表面張力梯度；ΓS為表面過(guò)飽和度；k1為熵的影響因素；γm為純金屬熔點(diǎn)時(shí)表面張力；ΔH0為標(biāo)準(zhǔn)吸收熱；R為通用氣體常數(shù)。

仿真過(guò)程中表面形貌起伏變化受變形自由網(wǎng)格控制，模型整體為自由變形狀態(tài)，為保證模型邊界的穩(wěn)定，需對(duì)邊界進(jìn)行約束。邊界1 的變形狀態(tài)由式（13）得出，系統(tǒng)設(shè)定時(shí)可將該式轉(zhuǎn)換為式（14）進(jìn)行錄入，邊界2 和邊界3 水平方向不發(fā)生位移，邊界條件設(shè)定為dx=0，邊界4 水平和縱向均不發(fā)生位移，邊界條件設(shè)定為dx=dy=0。

3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)分析

為探究激光重熔作用下42CrMo鋼表層熔池流動(dòng)和形貌演變規(guī)律，選擇4 組參數(shù)進(jìn)行仿真研究。其中掃描速度和光斑直徑為固定值，分別為300 mm/s 和600 μm，激光功率分別為150 W、200 W、250 W 和300 W。因不同功率下熔池內(nèi)部流動(dòng)情況較為相似，針對(duì)激光功率為250 W 參數(shù)下仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析。

3.1 激光作用下熔池流動(dòng)規(guī)律

圖4 為激光功率250 W 時(shí)，不同時(shí)刻下42CrMo 鋼表層固–液相演變圖，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合?，紅色區(qū)域?yàn)楣滔?，液固相線(xiàn)之間區(qū)域?yàn)楣台C液混合區(qū)。熔池內(nèi)部箭頭為速度場(chǎng)，工件向右移動(dòng)。原始輪廓仍顯示于熔池上部，便于對(duì)比熔化前后表面形貌演變規(guī)律。圖4 中，TL為液相線(xiàn)溫度，TS為固相線(xiàn)溫度。

圖4 不同時(shí)刻下42CrMo 鋼熔池流動(dòng)和形貌演變仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of flow and morphology evolution in 42CrMo steel melt pool at different time

當(dāng)t=4 ms 時(shí)，試樣表面峰值溫度高于熔化溫度。熔池深度約為45 μm，原始的起伏輪廓被消除以形成微凸的熔池。在激光下束區(qū)兩側(cè)，熔池內(nèi)部形成方向相反的渦流，液態(tài)金屬向中心聚集，表面呈微凸起。熔池內(nèi)部最大流速達(dá)0.267 m/s。

當(dāng)t=19 ms 時(shí)，熔池溫度進(jìn)一步升高，流速加快，中心區(qū)域的流動(dòng)規(guī)律與前期相同。熔池深度進(jìn)一步增至約100 μm，激光下束區(qū)兩側(cè)形成相互影響的4 組渦流。熔池內(nèi)部流速隨之加快，最大可達(dá)0.539 m/s。在內(nèi)壁作用下形成回流。熔融金屬堆積在熔池尾部，表面呈現(xiàn)“S”形。

當(dāng)t=52 ms 時(shí)，激光完成區(qū)域加工，熔池開(kāi)始冷卻凝固，固液相線(xiàn)向表面移動(dòng)。熔池內(nèi)部流速快速減小，表面形貌趨于穩(wěn)定。

3.2 表面粗糙度擬合分析

為探究熔池流動(dòng)模型與實(shí)際加工擬合程度，分別針對(duì)4 組參數(shù)下仿真與試驗(yàn)所得粗糙度進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，其中放大圖為P=250 W 重熔邊界三維形貌。圖5 中Raexp為試驗(yàn)表面粗糙度；Raobs為模擬表面粗糙度；e為兩者之間相對(duì)誤差。其計(jì)算公式為

由圖5 可知，隨著激光功率的增大，42CrMo 鋼粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且粗糙度均小于原始Ra值（4.3±0.2） μm。仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值之間擬合程度較高，e值基本低于10%，且隨著功率增大逐漸由負(fù)值轉(zhuǎn)向正值。這是由于仿真所選區(qū)域有限，實(shí)際加工過(guò)程中42CrMo鋼試樣隨著激光作用時(shí)間的增大，能量逐漸積累，熔池流動(dòng)更加充分[16]。當(dāng)功率較小時(shí)，這種差值將被放大。因此功率較小時(shí)，仿真值均大于實(shí)際測(cè)量值。

由圖5 中三維形貌圖可見(jiàn)，原始試樣起伏較大，經(jīng)重熔處理后表面較為光滑，無(wú)明顯凹坑等缺陷，表面粗糙度Ra值降至0.54 μm。由此可見(jiàn)，激光重熔具有一定拋光效果，通過(guò)改變工藝參數(shù)，調(diào)控熔池內(nèi)部流速，可達(dá)到曲軸對(duì)于表面粗糙度Ra值為1.1 μm 的需求。

3.3 強(qiáng)化層厚度與顯微硬度

根據(jù)熔池流動(dòng)仿真結(jié)果可知，42CrMo 鋼表層在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)發(fā)生固–液–固連續(xù)轉(zhuǎn)變，該過(guò)程類(lèi)似表面淬火，試樣表面硬度會(huì)得到顯著提升[17]。為探究激光重熔對(duì)42CrMo鋼硬度提升效果，并驗(yàn)證仿真模型所預(yù)測(cè)強(qiáng)化層厚度結(jié)果，對(duì)4 組參數(shù)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，其中放大圖為P=300 W 試樣截面。

42CrMo 鋼在激光重熔作用下，表面可分為重熔區(qū)和熱影響區(qū)。在顯微硬度所測(cè)結(jié)果中，42CrMo 鋼原始硬度約為290HV0.1，而重熔區(qū)和熱影響區(qū)硬度均高于原始基體硬度。因此，在激光重熔作用下42CrMo鋼表面具有復(fù)合強(qiáng)化效果。當(dāng)激光功率分別為150 W、200 W、250 W 和300 W 時(shí)，分別測(cè)得42CrMo 鋼強(qiáng)化層厚度為150 μm、247 μm、285 μm 和331 μm。相對(duì)仿真結(jié)果所得137 μm、240 μm、279 μm 和328 μm 較為吻合。由此可見(jiàn)，上述熔池流動(dòng)仿真模型在表面形貌和熔池深度兩方面均與實(shí)際值相差較小，預(yù)測(cè)效果良好。

由顯微硬度測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，不同功率下試樣表面硬度均達(dá)650HV0.1以上，滿(mǎn)足曲軸表面所需580HV 的工藝需求。表層硬度均呈現(xiàn)先平穩(wěn)后快速降低的趨勢(shì)，而表層高硬度區(qū)與熔融層厚度相吻合。由圖6 中截面圖可見(jiàn)，半橢圓形頂部晶粒細(xì)小，而中部和底部晶粒相對(duì)粗大且出現(xiàn)未溶鐵素體。結(jié)合文獻(xiàn)[11]研究結(jié)果可知，熔融層溫度梯度較大，在驟熱急冷作用下形成細(xì)小針狀馬氏體；熱影響區(qū)溫度未達(dá)熔點(diǎn)，該區(qū)域主要是回火索氏體。在激光重熔過(guò)程中，熔池淺、冷卻速度快，組織顯著細(xì)化，相應(yīng)區(qū)域的硬度較原始基體高。

綜上所述，42CrMo 鋼經(jīng)激光重熔后，表面硬度得到大幅提升，達(dá)到曲軸對(duì)實(shí)際工況需求。

4 結(jié)論

（1）激光功率250 W 時(shí)，隨著加工時(shí)間的增加，熔池內(nèi)部流速先變大后減小，表面輪廓由微凸起向“S”形轉(zhuǎn)變，最后區(qū)域平緩，達(dá)到降低表面粗糙度的效果。

（2）激光重熔42CrMo 鋼熔池流動(dòng)模型與實(shí)際加工結(jié)果較為吻合，誤差基本低于10%。4 組參數(shù)下表面粗糙度Ra值最低降至0.54 μm，達(dá)到曲軸工況需求。

（3）經(jīng)激光重熔處理后，42CrMo鋼表面硬度顯著升高，達(dá)650HV0.1以上，具有復(fù)合強(qiáng)化效果。