激光熔覆成形組織特征及裂紋控制技術(shù)研究.pdf

1、激光熔覆成形技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)集快速原型制造技術(shù)及激光熔覆表面改性技術(shù)于一體,可實現(xiàn)三維近終形全密度金屬零件的直接制造而無需工模具,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用有限元數(shù)值模擬、試驗研究和理論分析相結(jié)合的方法,對激光熔覆成形瞬態(tài)溫度場、組織特征、開裂機(jī)理和裂紋控制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,對于減少和消除激光熔覆成形裂紋、促進(jìn)該技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用具有一定的理論價值和實際意義。
　　 采用參數(shù)化編程

2、建立了送粉激光熔覆成形三維瞬態(tài)溫度場有限元模型并對其進(jìn)行了較為全面的數(shù)值模擬研究,得到了激光熔覆成形過程溫度場分布、溫度梯度及冷卻速率的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明,激光熔覆成形具有極高的溫度梯度和冷卻速率,分別達(dá)到105-106℃/m和103-104℃/s。熔覆層和基體上點(diǎn)的溫度場呈周期性的動態(tài)變化,不同位置的點(diǎn)表現(xiàn)出不同的熱循環(huán)特征,熔覆層兩端溫度較高,具有明顯的“端部效應(yīng)”。通過模擬獲得了同一熔覆層內(nèi)和成形零件不同高度節(jié)點(diǎn)的溫度時間歷程

3、曲線、溫度分布、冷卻速率以及不同方向的溫度梯度變化趨勢;研究了激光功率和掃描速度對熔覆層冷卻速率特別是熔池固液界面冷卻速率的影響,為激光熔覆成形組織和裂紋形成機(jī)理的研究提供了理論依據(jù)。在激光熔覆成形溫度場模擬中引入激光輸入能量調(diào)節(jié)策略,以獲得均勻的溫度場,提高激光熔覆成形質(zhì)量,減小熔覆開裂傾向。
　　 對激光熔覆成形316L不銹鋼組織特征進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究,采用溫度場數(shù)值模擬結(jié)果和快速凝固理論對其形成機(jī)理進(jìn)行了分析。激光熔覆成

4、形316L不銹鋼組織主要由生長方向和長度不一的細(xì)長柱狀樹枝晶組成,柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變CET組織形態(tài)選擇模型分析表明,在每一熔覆層頂部的類等軸晶組織實際為幾乎平行于掃描方向生長的轉(zhuǎn)向柱狀晶組織,轉(zhuǎn)向?qū)雍穸入S激光功率的增加和掃描速度的減小而增加,在適宜的工藝參數(shù)下,可得到完全外延生長的組織。熔覆層組織細(xì)小、致密,樹枝晶平均一次臂間距在6-15μm之間。熔覆層成分分布較為均勻,沿著樹枝晶生長方向和垂直于晶軸方向的組織偏析都很小。熔覆層與基體之

5、間以及熔覆層之間呈冶金結(jié)合,無明顯的氣孔和裂紋等缺陷。
　　 通過對激光熔覆成形開裂試驗現(xiàn)象和熔覆層宏觀形貌觀察,OM、SEM顯微組織觀察,EDX成分分析及XRD物相分析等手段,結(jié)合溫度場和應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果對激光熔覆成形開裂行為和裂紋形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究,提出了激光熔覆成形開裂的判據(jù),為激光熔覆成形裂紋的控制提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明,激光熔覆成形裂紋與合金粉末的成分、材料自身的物理特性、凝固特性及凝固組織等密切相關(guān)

6、,不同材料表現(xiàn)出不同的開裂特征,裂紋的形成機(jī)理也有所不同。激光熔覆成形裂紋是組織應(yīng)力、熱應(yīng)力及拘束應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。平行于掃描方向的拉應(yīng)力及應(yīng)變值最大,故多數(shù)裂紋垂直于掃描速度方向擴(kuò)展。激光熔覆成形裂紋主要有熱裂紋和冷裂紋兩種。凝固過程晶間液膜分離、熔覆層低塑性是開裂的充分條件,而熔覆層拉應(yīng)力是裂紋形成的直接因為。裂紋的萌生和發(fā)展是由于熔覆層的內(nèi)應(yīng)力超過材料的塑性儲備而產(chǎn)生的。
　　 提出將超聲振動引入激光熔覆成形過程并研究了

7、其對激光熔覆成形組織和裂紋的影響。通過超聲振動減少縮孔和氣泡,改善并均勻化激光熔覆成形組織,降低殘余應(yīng)力,有效降低了熔覆層開裂幾率。通過基體預(yù)熱和保溫緩冷處理降低熔覆層溫度梯度和熔池邊緣的冷卻速率,從而減少裂紋的產(chǎn)生；提出通過基體材料的優(yōu)選和合金粉末的匹配、引入過渡層、添加稀土元素等來提高粉末材料的塑韌性和抗開裂能力、凈化晶界和改善激光熔覆成形組織,減少開裂傾向,試驗表明稀土最佳含量為0.4％-0.8％。同時,通過激光功率密度、熔覆層厚