曾 超，徐國強，田青牛

(貴州理工學院航空航天工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

激光熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔敷技術在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法。隨著激光熔覆基礎理論體系的不斷完善，人們更注重激光熔覆過程的理論模型及工業(yè)應用，利用仿真模型對激光熔覆設備與材料的開發(fā)，以及熔覆層缺陷的形成機理與控制方法等方面的研究。TiC顆粒以高硬度、高模量和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，被廣泛應用于航空航天等領域的復合材料制備中。石齊民等[1]通過ANSYS軟件建立了TiC/Inconel 718復合材料激光熔化的仿真模型，掌握了激光熔化溫度變化率與工藝參數(shù)的關系；宋衛(wèi)東等[2]通過迭代法提供真實的物理邊界條件，施加到細胞有限元模型中進行分析，并獲得復合材料的宏觀力學性能；Emamian等[3]通過對激光熔覆下TiC顆粒形態(tài)研究，獲得TiC顆粒形態(tài)與工藝參數(shù)之間的關系；張可敏等[4]通過對激光熔覆下在TC4鈦合金表面原位制備Y2O3顆粒增強Ni/TiC復合涂層進行研究，得出復合涂層內(nèi)的分層現(xiàn)象主要是由激光熔覆過程的快速熔凝和冷卻過程所致；楊光等[5]采用激光覆熔技術在TC4鈦合金的表面上制備耐磨鈦基功能梯度(Ti-FGM)復合涂層,得出TiC顆粒能均勻分布在形成的微觀組織的熔覆方向；張現(xiàn)虎[6]利用激光熔覆技術，制備了原位合成TiC- ZrC復合顆粒增強鎳基熔覆層，得出復合顆粒與基體具有良好的相容性，熔覆層具有高硬度和良好的耐磨性能。其他國內(nèi)外學者也對TiC顆粒增強體復合材料激光熔覆進行了廣泛研究，并取得了豐富的成果[7-9]。

本研究利用ANSYS軟件對不同工藝參數(shù)下TiC/Inconel 718復合材料在激光熔覆過程中的應力場和溫度場進行仿真，并通過對仿真結(jié)果分析得出最佳的仿真工藝參數(shù)。

1 激光熔覆模型有限元仿真設計與建立

1.1 激光熔覆模型的假設

由于激光熔覆涉及到的影響因素太多，為了能夠有針對性地對相關因素研究，本文對激光熔覆溫度場模型提出下列幾點假設：

a.材料各向同性。

b.系統(tǒng)能量無外損。

c.熔池內(nèi)熔液靜止。

1.2 激光熔覆模型材料屬性的確定

材料屬性中合金的密度、比熱容和導熱系數(shù)計算公式為

K=∑nxnKn

(1)

K為該合金的物理特性；xn為合金某組元的質(zhì)量分數(shù)；Kn為相應物理特性，下標n表示合金各組元。本次選用TiC/Inconel 718混合粉末進行研究，當TiC顆粒與Inconel 718粉末的質(zhì)量比為1∶9時，經(jīng)過計算合金熱物性參數(shù)如表1所示。Inconel 718固體的熔點為1 300 ℃，TiC固體的熔點為3 067 ℃。

表1 TiC/Inconel 718(1∶9)的熱物性參數(shù)

利用Jmatpro軟件通過對金屬元素成分的定義，計算TiC/Inconel 718復合材料的相關熱物理參數(shù)。

1.3 模型的建立及網(wǎng)格劃分

所研究的模型是用2個長方疊加得到的對稱幾何結(jié)構，因此所受載荷也是對稱的，為了節(jié)省運算的時間，僅使用ANSYS中對實際結(jié)構的一半進行分析，為了使整體的精度不受到影響，可以將分析結(jié)果映射到整個模型上。如圖1所示，模型通過建立基體和熔覆層后，將兩者部分粘連，使兩者邊界相連又彼此獨立。

所建模型基體材料尺寸為50.0 mm×16.0 mm×6.0 mm，熔覆層材料尺寸為50.0 mm×3.0 mm×0.5 mm。

圖1 對稱結(jié)構分析模型

由于幾何模型并不直接參與求解過程，所以需要對其進行細小化處理，即劃分成為細小的單元，在此之前需要進行劃分網(wǎng)格。

由于激光熔覆對基體材料的影響范圍不是太大，只有靠近熔覆層區(qū)域的基體材料的溫度變化較大，所以對于該區(qū)域的網(wǎng)格劃分更加精細一些，而非是均勻地劃分。實際的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.4 模型邊界條件的施加與熱源加載的確定

劃分好網(wǎng)格之后，接下來對模型施加邊界條件。由于本文采用的是對實際模型的一半進行分析，因此在該分割面施加對稱約束；而接觸面施加熱源密度；其余各面分別施加空氣對流載荷。

激光熔覆模型熱源選用高斯熱源能量分布模型，而激光的有效利用率為0.7(高斯熱源能量分布中間能量大，周圍能量少，接近實際中的激光熔覆效果)，則激光能量密度表達式為

(2)

q(r)為距離熱源中心為r的熱源密度；qm為熱源中心的最大熱流密度；R為激光熱源的光斑半徑；r為取樣點與激光熱源的光斑中心距離。

通過不同時間在一個區(qū)域施加多個細小的載荷來模仿熱源的移動，載荷每次移動的距離決定了仿真的精度，以及影響了結(jié)果是否收斂。

在激光熔覆過程中，不僅是激光直接把熱量傳遞給粉末，粉末也攜帶能量，在實際中與熱源有相同的作用，但其能量主要是通過粉末之間的熱傳導來實現(xiàn)的。熔覆熱源加載示意如圖3所示。

圖3 熔覆熱源加載示意

在粉末加載過程應用ANSYS中的“生死單元法”：激光熔覆開始之前，將熔覆層單元全部“殺死”；激光束行進過程中，根據(jù)計算的不同坐標粉末的溫度值和激光前進順序，依次激活不同部位的單元。激活效果如圖4所示。

圖4 熔覆單元層激活效果

由于對熔覆層截面變化的研究較為困難，故本文主要針對激光熔覆工藝中的激光功率、掃描速度及光斑半徑3個參數(shù)的單因素變化做分析，通過對實驗數(shù)據(jù)整理得到參數(shù)變量如表2所示。

表2 仿真工藝參數(shù)變量

在激光熔覆過程中，隨著熱源中心向前移動，基體和熔覆層不斷吸收并傳導熱量，最高溫度也會逐漸地升高，直到熱源停止加熱。在熔覆開始時，基體和熔覆層的溫度較低，當激光移動到末端，由于溫度升高加劇，溫度變化較大，容易產(chǎn)生應力。為了避免兩端應力的影響，本研究主要對試件的中間部分進行討論。

2 溫度場受工藝參數(shù)的影響

2.1 激光功率對溫度場的影響

不同激光功率下中點光斑中心溫度與溫度變換率隨時間變化情況如圖5所示。由圖5可知，試件中段光斑中心溫度與溫度變化率隨著激光功率的增加而增大，且所有曲線趨勢都相同。當激光功率從150 W增至250 W時，對應的最高溫度、最大加熱速率和最大冷卻速率分別從1 897.61 ℃、1 155.00 ℃/s和1 097.00 ℃/s增至2 925.00 ℃、2 588.55 ℃/s和2 278.21 ℃/s。通過對P=150 W時溫度曲線分析，發(fā)現(xiàn)熔覆層最低溫度達不到材料熔點1 300 ℃，為了保證熔覆的正常進行，不選用其作為激光加工功率。

圖5 不同激光功率下中點光斑中心溫度與溫度變換率變化情況

2.2 激光掃描速度對溫度場的影響

不同掃描速度下中點光斑中心溫度和溫度變化率隨時間的變化情況如圖6所示。

圖6 不同掃描速度下中點光斑中心溫度和溫度變化率變化情況

由圖6可知，試件中段光斑中心溫度隨著掃描速度增大而減小，溫度變化率隨著掃描速度增大而增大。當掃描速度從0.5 mm/s增至2.0 mm/s時，最高溫度從2 926.53 ℃降至2 472.88 ℃，最大加熱速率和最大冷卻速率分別從891.28 ℃/s和551.74 ℃/s升至2 974.40 ℃/s和2 500.07 ℃/s。可以看出，當掃描速度較大時試件溫度變化率較大，易形成局部應力的積累，造成裂紋等加工缺陷，過大的應力累積將會產(chǎn)生開裂、翹曲變形。

2.3 光斑半徑尺寸對溫度場的影響

不同光斑半徑下中點光斑中心溫度及溫度變化率隨時間的變化情況如圖7所示。由圖7可知，試件中段光斑中心溫度和溫度變化率隨著光斑半徑的增大而減小。當光斑半徑從1.5 mm增至3.0 mm時，光斑中心的最高溫度、最大升溫速率和最大冷卻速率分別從2 667.49 ℃、2 322.44 ℃/s和2 039.06 ℃/s降至1 557.01 ℃、539.11 ℃/s和493.64 ℃/s；再結(jié)合高斯熱源的公式，熱源熱流密度沿半徑向中心是成倍增長的，光斑半徑越小熱流密度就越高，試件的局部溫度差異就越大。

圖7 不同光斑半徑下中點光斑中心溫度及溫度變化率變化情況

3 殘余應力受工藝參數(shù)的影響

3.1 激光功率對試件殘余應力的影響

不同功率下基體上表面垂直于掃描方向的應力分布情況如圖8所示。由圖8可知：基體上表面垂直于掃描方向的縱向應力隨著激光功率的增加拉應力逐漸減小，壓應力逐漸增大；當激光功率為200 W時，縱向起始拉應力較大，達到114.02 MPa；當激光功率達到250 W時，其縱向應力主要表現(xiàn)為壓應力。而橫向應力隨著激光功率的增加拉應力和壓應力都相應增大，且其數(shù)值都較為接近。

圖8 不同功率下基體上表面垂直于掃描方向應力分布情況

不同功率下熔覆層上表面垂直于掃描方向應力分布情況如圖9所示。由圖9可知，熔覆層上表面縱向拉應力和橫向拉應力都隨著激光功率的增加而增大，縱向壓應力和橫向壓應力都隨著激光功率的增大而減小。當激光功率為250 W時，縱向和橫向應力都表現(xiàn)為拉應力，且在整個圖像上都為最大拉應力，分別為3 003.70 MPa和680.97 MPa。綜合激光功率對溫度場的分析，激光功率為225 W時相較其他參數(shù)對激光熔覆效果較好，且就溫度場和應力場的曲線趨勢來看，激光功率加工參數(shù)在225 W至250 W之間對于激光熔覆的效果是最佳的。

圖9 不同功率下熔覆層上表面垂直于掃描方向應力分布情況

3.2 掃描速度對試件殘余應力的影響

不同掃描速度下基體上表面垂直于掃描方向的應力分布如圖10所示。由圖10可知：縱向拉應力隨著掃描速度增加而增大，壓應力隨著掃描速度增大而減?。粧呙杷俣葹?.5 mm/s時，其主要表現(xiàn)為壓應力，最大壓應力為503.63 MPa；掃描速度為1.5 mm/s和2.0 mm/s時，2條曲線比較接近，且拉應力都比較大，最大拉應力分別為355.66 MPa和274.41 MPa。而橫向應力拉應力隨著掃描速度的增加而增大，壓應力隨著掃描速度的增大而減小，各曲線在拉應力部分都比較接近；壓應力上，當掃描速度為0.5 mm/s時，最大壓應力達到243.47 MPa。

圖10 不同掃描速度下基體上表面垂直于掃描方向應力分布情況

考慮到不同掃描速度對熔覆層表面應力干擾較大，故在此對熔覆層厚度方向應力進行仿真。如圖11所示，縱向應力隨著掃描速度由0.5 mm/s增至2.0 mm/s，對應的最大拉應力和最大壓應力由2 692.50 MPa和240.87 MPa降至1 853.20 MPa和125.80 MPa。而對于橫向應力，當掃描速度過小時(v=0.5 mm/s)，受拉壓應力較為嚴重，容易影響熔覆的效果，所以在這里將其排除。當掃描速度從1.0 mm/s增至2.0 mm/s時，曲線上對應的橫向應力減??；掃描速度為1.5 mm/s和2.0 mm/s的2條曲線比較接近；掃描速度為1.0 mm/s，其表現(xiàn)的拉應力較大，最大值達到395.92 MPa；結(jié)合掃描速度對溫度場的影響，從整體上看掃描速度為1.0 mm/s對于激光熔覆加工影響較小，且根據(jù)應力曲線趨勢可以看出掃描速度為1.0 mm/s至1.5 mm/s之間必存在最佳掃描速度。

圖11 不同掃描速度下熔覆層厚度方向應力分布情況

3.3 光斑半徑對試件殘余應力的影響

不同光斑半徑下基體上表面垂直于掃描方向應力分布情況如圖12所示。由圖12可知，對于縱向應力，光斑半徑過大時(R=3.0 mm)，應力影響區(qū)域相較其他大得多，在整個方向上都有應力殘余，在此將其排除。隨著光斑半徑由1.5 mm增至2.5 mm，最大壓應力由232.48 MPa降至73.60 MPa；且當光斑半徑為1.5 mm時其主要表現(xiàn)為過大的壓應力，最大壓應力達到241.25 MPa。而橫向應力，當光斑半徑過小時(R=1.5 mm)，主要表現(xiàn)為拉應力，且相較其他拉應力要大很多，可能會在熔覆層橫向上產(chǎn)生裂紋，也將其排除。隨著光斑半徑由2.0 mm增至3.0 mm，相對應的最大壓應力由478.28 MPa降至121.06 MPa；且當光斑半徑為3.0 mm時，其表現(xiàn)的壓應力較小。

不同光斑半徑下熔覆層上表面垂直于掃描方向的應力分布情況如圖13所示。由圖13可知，對于縱向應力，當半徑過小(R=1.5 mm)或半徑過大(R=3.0 mm)時，其對應的拉應力都比較大，前者最大拉應力達到2 462.60 MPa，且其在整個縱向上應力變化過快；后者在整個方向上表現(xiàn)為拉應力；兩者都不利于熔覆。從光斑半徑由2.0 mm增至2.5 mm來看，隨著光斑半徑增大對應的縱向應力減小，且從整個分布規(guī)律來看最佳光斑半徑應在2.5～3.0 mm之間。而橫向應力上半徑過大或過小都對熔覆效果影響較大，在此只討論光斑半徑為2.0～2.5 mm的情況，圖13中兩者曲線在整個方向上大致相同，但R=2.5 mm整體的壓應力要略小于R=2.0 mm。故可以看出光斑半徑在1.5～3.0 mm某一區(qū)域內(nèi)，隨著光斑半徑增大，試件受應力的影響越小。

圖12 不同光斑半徑基體上表面垂直于掃描方向應力分布情況

圖13 不同光斑半徑熔覆層上表面垂直于掃描方向應力分布情況

4 結(jié)束語

利用ANSYS軟件對不同工藝下TiC/Inconel 718復合材料在激光熔覆過程中的應力場和溫度進行仿真實驗。分析得出激光加工功率、掃描速度和光斑半徑的數(shù)值變化分別與溫度、溫度變化率及殘余應力的變化之間存在的規(guī)律，以及當3個參數(shù)較大或較小對熔覆產(chǎn)生的具體影響。并且找到了3個最佳工藝參數(shù)存在的具體范圍：最佳激光加工功率的范圍在225 W與250 W之間；最佳掃描速度的范圍為1.0 mm/s與1.5 mm/s之間；最佳光斑半徑為2.5 mm與3.0 mm之間。