李燕樂 潘忠濤 戚小霞 崔維強 陳健 李方義

摘要：

為研究不同熱處理工藝對激光熔覆殘余應(yīng)力的調(diào)控作用，利用ANSYS有限元分析軟件建立了熱力耦合模型，對不同溫度（22～900 ℃）的熔覆前預(yù)熱處理、不同溫度（200～1000 ℃）的熔覆后退火處理以及熔覆前后協(xié)同熱處理條件下的激光熔覆316L不銹鋼溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：預(yù)熱對熔池溫度影響最大，熔池溫度隨預(yù)熱溫度的增高而增高;退火處理對激光熔覆殘余應(yīng)力的改善效果最好，800 ℃退火處理可使殘余應(yīng)力減小約50%，其次是熔覆前后協(xié)同熱處理，可使殘余應(yīng)力減小約35%，預(yù)熱處理對激光熔覆殘余應(yīng)力有一定改善，其中預(yù)熱500 ℃可使殘余應(yīng)力減小約20%。

關(guān)鍵詞：316L不銹鋼；激光熔覆；熱處理；數(shù)值模擬；殘余應(yīng)力

中圖分類號：U270

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.010

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effect of Heat Treatment on Temperature and Stress Distribution during

Laser Cladding of 316L Steels

LI Yanle1? PAN Zhongtao1? QI Xiaoxia1? CUI Weiqiang1? CHEN Jian2? LI Fangyi1

1.Key Laboratory of Efficient and Clean Machinery Manufacturing，Ministry of Education，School of

Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，250061

2.China Railway 14th? Bureau Group Corporation Limited，Jinan，250101

Abstract： In order to study the control effectiveness of different heat treatment processes on the residual stress of laser cladding， a thermo-mechanics coupling model was established by using ANSYS finite element analysis software. The temperature and stress fields during the laser cladding of 316L stainless steel were simulated under the conditions of preheating（22～900 ℃） before cladding， annealing treatment（200～1000 ℃） after cladding and combined heat treatment before and after cladding. The results show that preheating has the greatest influence on the temperature of molten pool. The temperature of the molten pool increases with the increase of the preheating temperature. Annealing treatment has the best effect on improving the residual stress of laser cladding， and the residual stress is reduced by about 50% at 800 ℃. Comparatively， followed by preheating and annealing treatment， the residual stress is reduced by about 35%. In addition， preheating treatment may also effectively adjust the residual stress， with a reduction of 20% at 500 ℃.

Key words： 316L stainless steel; laser cladding; heat treatment; numerical simulation; residual stress

收稿日期：20230925

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52275495）；泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程專項經(jīng)費（tscx202306015）

0? 引言

激光熔覆（laser cladding）是一種表面改性技術(shù)，采用高能激光束對熔覆層和基體同時加熱，使熔覆層材料與部分基體共同熔化并快速冷卻，從而在基材表面獲得良好冶金結(jié)合的優(yōu)質(zhì)涂層。激光熔覆具有冷卻快、涂層稀釋率低、變形小、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，可顯著改善基體表面耐磨、耐蝕及抗氧化等特性，因而得到廣泛應(yīng)用［1-4］。殘余應(yīng)力是影響激光熔覆成形質(zhì)量最重要的因素之一，熔覆層裂紋、耐磨損性、抗腐蝕性等都和殘余應(yīng)力分布密切相關(guān)。WANG等［5］通過減小涂層中的殘余應(yīng)力，避免了硬面涂層中的裂紋產(chǎn)生；張?zhí)靹偟龋?］的研究表明，涂層中應(yīng)力集中的區(qū)域出現(xiàn)裂紋的幾率較大；ZHU等［7］和郭華鋒等［8］發(fā)現(xiàn)，一定的殘余壓應(yīng)力有利于涂層耐磨性的提高；CRUZ等［9］通過研究發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力抑制了SLM 316L不銹鋼的薄膜生長，降低了再鈍化動力學(xué)，提高了316L不銹鋼的抗點蝕性。因此，對殘余應(yīng)力的分布和調(diào)控進(jìn)行研究，消除或改善應(yīng)力分布情況，對提高熔覆層的性能具有非常重要的現(xiàn)實意義。

激光熔覆殘余應(yīng)力與激光熔覆工藝參數(shù)［10］、掃描策略［11］和后處理方法［12］密切相關(guān)。目前，對激光熔覆殘余應(yīng)力的調(diào)控研究多是基于優(yōu)化工藝參數(shù)的數(shù)值模擬研究。VUNDRU等［13］利用ABAQUS建立了CPM9V粉末在H13工具鋼表面激光熔覆的熱力耦合模型，對殘余應(yīng)力進(jìn)行分析后確定了減小拉應(yīng)力的最佳熔覆工藝參數(shù)。王麗芳等［14］利用ANSYS建立了單層熔覆模型，探究了工藝參數(shù)對熔覆層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明，掃描速度及激光功率對殘余應(yīng)力的影響最大。MENG等［15］建立了順序耦合模型，在不同工藝參數(shù)和掃描策略下實現(xiàn)對Inconel718合金激光增材制造中溫度場和應(yīng)力場的模擬，結(jié)果表明，較小的激光功率、較大的掃描速度以及合理的掃描策略可有效避免熔覆中的應(yīng)力集中。

此外，一些學(xué)者還對預(yù)熱條件下的激光熔覆進(jìn)行了數(shù)值模擬。古昭昭［16］對同軸送粉激光熔覆的溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行了模擬，研究表明，預(yù)熱可明顯改善殘余應(yīng)力分布。趙元［17］開展了曲率葉片激光熔覆修復(fù)的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，基體預(yù)熱溫度從220 ℃提高到420 ℃時，變曲率葉片熔覆層的兩類應(yīng)力皆呈下降趨勢。蔡春波等［18］利用SYSWELD建立了三維有限元模型，對不同預(yù)熱溫度下激光熔覆鐵基涂層的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同預(yù)熱溫度下溫度場和組織轉(zhuǎn)變的變化規(guī)律，研究冷卻速度和組織轉(zhuǎn)變對殘余應(yīng)力場的影響。

熱處理工藝對激光熔覆316L溫度場與應(yīng)力場的影響規(guī)律——李燕樂? 潘忠濤? 戚小霞等

中國機械工程 第35卷 第4期 2024年4月

盡管一些學(xué)者已經(jīng)利用數(shù)值模擬的方法對激光熔覆殘余應(yīng)力的調(diào)控進(jìn)行了研究，但大多是通過優(yōu)化工藝參數(shù)或預(yù)熱處理來調(diào)控殘余應(yīng)力，關(guān)于通過熔覆后熱處理及熔覆前后協(xié)同熱處理工藝來調(diào)控殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬缺乏研究。基于此，本文建立了三維熱彈塑性模型，通過熱力耦合數(shù)值模擬，對不同熱處理工藝對激光熔覆溫度場、應(yīng)力場的影響規(guī)律進(jìn)行研究。通過對比熔覆前預(yù)熱處理、熔覆后退火處理及熔覆前后協(xié)同熱處理工藝對激光熔覆殘余應(yīng)力的影響，探索調(diào)控激光熔覆殘余應(yīng)力的最優(yōu)熱處理工藝。

1? 有限元建模與實驗方法

1.1? 激光熔覆有限元模型的建立

激光熔覆過程中，在高能激光束的照射下，光斑區(qū)域及其周圍的基材被迅速加熱形成熔池并產(chǎn)生彈塑性變形，熔池與周圍基材產(chǎn)生極大的溫度梯度，由于材料在不同溫度下熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強度等力學(xué)性能存在差異，溫度梯度導(dǎo)致不均勻的膨脹收縮，故而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

利用ANSYS軟件對激光熔覆溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬時，由于溫度場對應(yīng)力場有很大影響，而應(yīng)力場對溫度場的影響很小［19］，因此建立了順序熱力耦合模型。先利用APDL命令流對模型施加高斯熱源，對溫度場進(jìn)行計算，獲得節(jié)點溫度數(shù)據(jù)，然后利用ANSYS軟件中的單元轉(zhuǎn)換功能將模型中的熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，并設(shè)定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)邊界條件，將溫度場節(jié)點數(shù)據(jù)加載到模型之中，由此得到激光熔覆應(yīng)力場的有限元模型，進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力場的計算，得到激光熔覆殘余應(yīng)力場的分布。

1.1.1? 幾何建模及網(wǎng)格劃分

單道單層激光熔覆有限元模型如圖1所示，基體尺寸為40 mm×30 mm×8 mm，熔覆層尺寸為30 mm×2 mm×0.5 mm。熔覆區(qū)域溫度變化劇烈，溫度梯度及應(yīng)力較大，為確保計算結(jié)果，模型采用六面體梯度網(wǎng)格，即越靠近熔覆層，網(wǎng)格越密集，如圖1所示，模型的單元和節(jié)點總數(shù)分別為14 520和66 373。模型自由度約束采用三點固定法，對A點施加X、Y、Z方向約束，B點施加X、Y方向約束，C點施加Z方向約束。

為進(jìn)一步分析模型溫度場與應(yīng)力場的空間分布規(guī)律，在模型上設(shè)置了不同的分析節(jié)點和分析路徑。如圖1所示，于熔覆層與基體的連接處沿激光掃描方向設(shè)置X1（0.01，0，0）、X2（0.02，0，0）、X3（0.03，0，0）共3個節(jié)點；于基體上表面沿橫向設(shè)置Y1（0.02，0，0）、Y2（0.02，-0.001，0）、Y3（0.02，-0.005，0）共3個節(jié)點；熔覆中部沿厚度方向設(shè)置Z1（0.02，0，0.0005）、Z2（0.02，0，0.000 25）、Z3（0.02，0，0）、Z4（0.02，0，-0.000 25）、Z5（0.02，0，-0.0005）共5個節(jié)點。為研究不同位置的殘余應(yīng)力分布情況，設(shè)置了4條路徑，如圖1所示。由于熔覆層沿激光掃描方向會形成較大的縱向殘余應(yīng)力，因此路徑1與路徑2均沿激光掃描方向設(shè)置。路徑1設(shè)置在熔覆層與基體結(jié)合處，這是因為熔覆層和基體采用的是不同的材料，其彈性模量、熱膨脹系數(shù)等材料特性存在差異，容易發(fā)生應(yīng)力集中。路徑2設(shè)置在熔覆層上表面，目的是研究熔覆層表面處的應(yīng)力分布。由于垂直于激光掃描方向的溫度梯度最大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也相應(yīng)很大，因此沿橫向設(shè)置的路徑3與沿厚度方向設(shè)置的路徑4均垂直于激光掃描方向。由于熔覆層與基體的結(jié)合處容易發(fā)生應(yīng)力集中，增大了裂紋生成的可能性，因此所選路徑主要設(shè)在此處，可以很好地反映整個模型的應(yīng)力分布特點［15，20-21］。

根據(jù)文獻(xiàn)［22-23］，結(jié)合Jmatpro材料模擬軟件，獲得了基體45鋼和熔覆材料316L隨溫度變化的材料熱物性參數(shù)，如圖2所示。

1.1.2? 移動熱源加載

由于激光熱源具有一定的穿透深度［20，24］，故激光熔覆模擬中采用高斯分布的體熱源模型［25-27］，該模型可以很好地描述激光熱功率密度沿高度方向衰減的空間分布特點，表達(dá)式為［24，28］

Q=6ηPππR3exp（-3r2R2）（1）

r2=（x-x0-vt）2+（y-y0）2+（z-z0）2（2）

式中，Q為熱流密度；η為激光吸收率，一般取0.25～0.6［21，28-29］，本文取0.45；P為激光功率；R為光斑半徑；r為空間內(nèi)任意一點至光斑中心的距離；x0、y0、z0為激光掃描的起始坐標(biāo)；v為激光的移動速度；t為時間。

在激光熔覆過程溫度場的計算中，通過有限元模型的熱對流模塊和熱輻射模塊在模型表面施加熱對流和熱輻射，對流傳熱系數(shù)為10 W/（m2·K），接近自然對流，輻射率為0.4。

1.1.3? 熱處理工藝參數(shù)

激光熔覆數(shù)值模擬的基本工藝參數(shù)為：激光功率1200 W，掃描速度5 mm/s，熱源半徑1.5 mm。熱處理的工藝參數(shù)由熱處理方式、預(yù)熱溫度、退火溫度3個因素組成，如表1所示，本文共進(jìn)行了9組預(yù)熱處理、5組退火處理以及2組協(xié)同處理工藝條件下的激光熔覆數(shù)值模擬。

1.2? 激光熔覆實驗方法

為了驗證有限元模型的有效性，利用與數(shù)值模擬相同的工藝參數(shù)（激光功率1200 W，掃描速度5 mm/s，熱源半徑1.5 mm）進(jìn)行熔覆實驗，將仿真溫度場橫截面和實驗熔池形貌尺寸進(jìn)行對比。實驗采用同軸送粉激光熔覆設(shè)備，實驗原理如圖3所示。基體選用尺寸為40 mm×30 mm×8 mm的45鋼板，其化學(xué)成分如表2所示，熔覆層選用316L不銹鋼粉末，粒徑45～106 μm，化學(xué)成分如表2所示。熔覆前對基體表面進(jìn)行砂紙打磨后用酒精和丙酮去除油污，再與粉末一并烘干處理，熔覆完成后，用電火花線切割機將試樣切割為5 mm×5 mm×8 mm的樣塊，對熔覆層截面進(jìn)行研磨和拋光，拋光后的樣塊用無水乙醇洗凈并吹干后放入配置好的氯化鐵金相腐蝕液（95 mL濃鹽酸+3 mL過氧化氫+7.5 g三氯化鐵），腐蝕液完全浸濕樣塊，腐蝕表面5～10 s后用無水乙醇對腐蝕后的樣塊表面進(jìn)行沖洗，然后用金相顯微鏡觀察涂層的截面形貌。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 溫度場分布

2.1.1? 模型驗證

圖4所示為數(shù)值模擬得到的未進(jìn)行熱處理時單道激光熔覆在3 s時刻的溫度場。激光照射位置形成橢球形熔池，等溫線在沿激光掃描方向較為密集，在凝固方向上逐漸稀疏，隨著熱源在X軸方向上不斷移動，熔池不斷向前推移。45鋼與316L的熔點分別為1450 ℃和1370 ℃，熔池的溫度高于基體與熔覆層的熔點，因此二者可以達(dá)到冶金結(jié)合。

圖5所示為仿真溫度場橫截面和實驗獲得的熔池橫截面，熔覆層橫截面可劃分為熔覆區(qū)（CZ）、基體熔化區(qū)（MZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和基體（SZ）［30-31］。圖5a所示為試件橫截面的金相組織，在金相顯微鏡下測得熔覆區(qū)高度H=0.46 mm，基體熔化區(qū)高度h=0.64 mm，熔池高度H1=1.1 mm，熔池寬度W1=2.3 mm，熱影響區(qū)寬度WHAZ1=2.93 mm。圖5b所示為模型橫截面溫度場，溫度高于1450 ℃的部分形成熔池，溫度900～1450 ℃的部分為熱影響區(qū)，提取截面上的熔池尺寸輪廓線可得模型熔池高度H2=1.2 mm，熔池寬度W2=2.2 mm，熱影響區(qū)寬度WHAZ2=2.9 mm。模擬與實驗所得熔池的尺寸吻合較好，驗證了模型的準(zhǔn)確性［15，30］。實際熔覆過程中熔池存在流動性，因此實驗熔池截面呈拋物線形，而模擬時未考慮熔池的流動性［32-33］，

因此模擬熔池橫截面形貌與實驗熔池的拋物線形略有差別。另外，MENG等［15］在對Inconel718合金激光增材制造中溫度場和應(yīng)力場的模擬中，將單道熔覆實驗熔池的橫截面與熔池橫截面的模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證后，測試了熔覆層表面的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的平均誤差為7.26%，最大誤差為21%。CHEN等［33］在研究搭接率和掃描策略對選擇性激光熔化殘余應(yīng)力的影響時，將熔池橫截面的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行驗證后，將模擬和實驗中獲得的殘余應(yīng)力進(jìn)行了比較，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)具有相同的趨勢，殘余應(yīng)力平均誤差小于10%，最大誤差小于20%。研究結(jié)果表明殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，說明經(jīng)過熔池橫截面驗證后的模型殘余應(yīng)力模擬是可靠的，反映了該方法的準(zhǔn)確性。

2.1.2? 熔覆過程溫度分布

圖6a為熔覆層與基體連接處沿激光掃描方向3個節(jié)點（X1、X2、X3） 的溫度時間曲線。熔覆時熔池沿掃描方向不斷移動，熱源經(jīng)過時溫度迅速升高達(dá)到峰值，熱源經(jīng)過后溫度迅速降低，表現(xiàn)為瞬態(tài)非線性變化曲線。X1、X2、X3節(jié)點的溫度峰值分別為2633 ℃、2695 ℃、2703 ℃，由于熔覆過程熱量的累積導(dǎo)致后續(xù)節(jié)點的溫度高于前面節(jié)點的溫度。同時，由于熔覆速度較快，時間較短，熱累積較小，不同節(jié)點的溫度峰值差別不大。圖6b為基體上表面沿橫向的3個節(jié)點（Y1、Y2、Y3）的溫度時間曲線。3 s時熱源中心到達(dá)Y1節(jié)點，Y1節(jié)點溫度最高達(dá)到2695 ℃，Y2、Y3節(jié)點的溫度峰值逐漸減小，Y3節(jié)點的溫度峰值在150 ℃以下，說明此處激光的熱影響作用已不太明顯，與激光熔覆熱影響區(qū)較小的特點相吻合。圖6c為熔覆中部沿厚度方向的5個節(jié)點（Z1、Z2、Z3、Z4、Z5）的溫度時間曲線。熔覆層上表面的Z1節(jié)點的溫度最高，達(dá)到3206 ℃，Z2、Z3、Z4、Z5節(jié)點溫度峰值逐漸降低但都在1750 ℃以上，可以達(dá)到冶金結(jié)合。

這里分析了無熱處理時熔覆過程中各節(jié)點溫度隨時間的變化，預(yù)熱及退火熱處理工藝下各節(jié)點熔覆過程中的溫度變化趨勢及分布特點與此相似，不再贅述。

2.1.3? 熱處理工藝對溫度的影響

圖7展示了預(yù)熱處理500 ℃及退火800 ℃處理時掃描道中部熔池內(nèi)部Z4節(jié)點的溫度歷程。無預(yù)熱處理時，Z4節(jié)點溫度受激光掃描后從室溫22 ℃急劇上升，3 s時達(dá)到峰值2290 ℃，6 s時熔覆完成，隨后溫度逐漸降低，自然冷卻至3600 s時降至24.9 ℃。熔覆前進(jìn)行500 ℃預(yù)熱處理時，Z4節(jié)點溫度受激光掃描后從500 ℃急劇上升，3 s時達(dá)到峰值2788 ℃，6 s時熔覆完成，自然冷卻至3600 s時降至43 ℃。熔覆后進(jìn)行800 ℃退火處理時，Z4節(jié)點在3600～21 600 s內(nèi)溫度保持800 ℃不變，21 600 s后開始進(jìn)行自然冷卻，25 200 s時（冷卻1 h）溫度降至51.5 ℃。總體來看，熔覆完成前，由于持續(xù)的激光熱量輸入，溫度下降速率較慢，6 s時熔覆完成，由于不再有熱量輸入，溫度驟降，隨著與環(huán)境溫差的減小，冷卻速率又變得緩慢。另外，預(yù)熱處理使Z4點溫度峰值高于無預(yù)熱的熔覆溫度峰值，且冷卻速率有所減緩，退火處理是熔覆后處理，因此對熔覆過程中的溫度沒有影響。此處只分析了500 ℃預(yù)熱處理及800 ℃退火處理兩種熱處理工藝參數(shù)對Z4節(jié)點的溫度歷程的影響，其他溫度的熱處理工藝參數(shù)下該節(jié)點的溫度雖略有差異，但溫度歷史趨勢一致，不再贅述。

2.2? 應(yīng)力場分析

激光熔覆結(jié)束后冷卻至室溫的殘余應(yīng)力對熔覆層質(zhì)量有重要影響，因此本節(jié)重點對激光熔覆殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，采用仿真模型的等效應(yīng)力（von Mises應(yīng)力）來評估［34-35］。

2.2.1? 單道熔覆應(yīng)力場分布

圖8所示為激光加熱結(jié)束后，自然冷卻至室溫時刻的殘余應(yīng)力分布。對于等效應(yīng)力，由圖8a可以看出，除了起始和末端熔覆層上表面的殘余應(yīng)力較小外，整個熔覆層存在很大的殘余應(yīng)力。對于X方向（縱向）應(yīng)力，由圖8b可知，熔覆層及其下方區(qū)域存較大的拉應(yīng)力（600 MPa左右），再下方是應(yīng)力較小的壓應(yīng)力區(qū)域，在激光加熱結(jié)束冷卻的過程中，由于熔覆層收縮受到周圍基體的約束，導(dǎo)致在X方向上產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，下方由于平衡原理會產(chǎn)生壓應(yīng)力。對于Y方向（橫向）應(yīng)力，如圖8c所示，熔覆層和基體結(jié)合位置及其附近存在拉應(yīng)力（360 MPa左右），下方為壓應(yīng)力。對于Z方向（厚度方向）應(yīng)力，如圖8d所示，由于熔覆層在厚度方向上成形高度較小，因此受到的收縮阻力較小，使得熔覆層在厚度方向的殘余應(yīng)力很?。ㄐ∮?00 MPa），同時在熔覆層下方實體存在較小的壓應(yīng)力。通過對比各方向殘余應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，X方向應(yīng)力明顯大于Y方向和Z方向應(yīng)力，即沿掃描方向殘余應(yīng)力最大，這是因為沿X方向（激光掃描方向）熔覆層塑性拉伸變形遠(yuǎn)大于其他兩個方向，因此，單道熔覆的等效應(yīng)力分布受到X方向應(yīng)力的影響最大。圖中部分區(qū)域的殘余應(yīng)力超過了材料的屈服強度，一方面是激光熔覆過程中極高的溫度梯度導(dǎo)致了大殘余應(yīng)力；另一方面是因為模擬中材料發(fā)生理想彈塑性行為導(dǎo)致材料發(fā)生加工硬化，使得材料的屈服強度隨塑性變形的增大而增大［20，36-37］。

圖9為采集各條路徑的von Mises應(yīng)力（σvon）得到的各路徑殘余應(yīng)力分布曲線。圖9a所示為路徑1即沿激光掃描方向熔覆層與基體連接處的等效應(yīng)力，由于熔覆層在冷卻收縮時會受到周圍實體的強烈約束，整個掃描道（5 mm

通過分析發(fā)現(xiàn)，沿著掃描方向的路徑1和路徑2的殘余應(yīng)力分布較為均勻，但在開始和結(jié)束位置有應(yīng)力突變，在橫向，路徑3的殘余應(yīng)力在熔覆層邊界位置突然增大，厚度方向上路徑4的殘余應(yīng)力主要集中在熔覆區(qū)域（距離基體底部8 mm處）。4條路徑的最大殘余應(yīng)力均出現(xiàn)在熔覆層和基體的連接處，一是由于熔池冷卻過程中體積收縮受到基體的約束，導(dǎo)致應(yīng)力集中，二是由于熔覆層和基體材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等熱物性存在差異導(dǎo)致的應(yīng)力集中。因此，熔覆層與基體的連接處易發(fā)生開裂等缺陷。

2.2.2? 不同預(yù)熱溫度下的應(yīng)力分布

激光熔覆具有快熱快冷的特點，熔池附近的溫度梯度非常大，基體預(yù)熱可保溫緩冷，是減小殘余應(yīng)力、減少裂紋的有效的手段。通過數(shù)值模擬得到了不同預(yù)熱條件下的殘余應(yīng)力分布，圖10為各路徑在不同預(yù)熱溫度θ0下的殘余應(yīng)力曲線。如圖10a所示，在不同預(yù)熱溫度下，路徑1即沿激光掃描方向熔覆層與基體連接處的殘余應(yīng)力相較于未預(yù)熱熔覆均出現(xiàn)不同程度的減小。不預(yù)熱或預(yù)熱溫度在100～400 ℃時，路徑1在熔覆末端位置（X=35 mm）的殘余應(yīng)力最大；預(yù)熱溫度在500～900 ℃時路徑1上熔覆起始與末端位置的殘余應(yīng)力改善效果明顯好于熔覆中段，熔覆末端的殘余應(yīng)力已不再是整個熔覆路徑的最大應(yīng)力，熔覆起始與末端位置的殘余應(yīng)力明顯小于熔覆中段位置的殘余應(yīng)力，這有助于提高熔覆起始及末端位置的熔覆質(zhì)量。如圖10b所示，預(yù)熱后路徑2即熔覆層上表面的殘余應(yīng)力變化不大。如圖10c所示，預(yù)熱后路徑3即沿橫向基體上表面的殘余應(yīng)力減小幅度也比較明顯，預(yù)熱溫度22～200 ℃時，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)兩側(cè)突變高于中間，300～600 ℃時，熔覆區(qū)域殘余應(yīng)力明顯減小且分布趨于均衡，700～900 ℃時，預(yù)熱帶來的過大熱輸入量導(dǎo)致熔覆層與基體結(jié)合處中部

殘余應(yīng)力出現(xiàn)突增。如圖10d所示，從路徑4即厚度方向上熔覆中部觀察到，預(yù)熱后基體殘余應(yīng)力明顯減小且分布更加均衡。由不同預(yù)熱溫度下各路徑的殘余應(yīng)力分布可見，預(yù)熱處理減小了熔覆過程中熔覆層和基體間的溫度梯度，從而減小了殘余應(yīng)力。以路徑1為例，如圖11所示，預(yù)熱500 ℃時殘余應(yīng)力（470 MPa）比不預(yù)熱時的殘余應(yīng)力（570 Pa）減小了約20%。

2.2.3? 不同退火溫度下的應(yīng)力分布

通過數(shù)值模擬得到了不同退火溫度下各路徑的殘余應(yīng)力分布，如圖12所示。由圖12a可知，退火后路徑1即沿激光掃描方向熔覆層與基體連接處的殘余應(yīng)力減小，其減小的幅度隨著退火溫度的增高而逐漸增大，其中退火溫度在800～1000 ℃時效果最好。由圖12b可知，退火后路徑2即熔覆層上表面的殘余應(yīng)力變化不大。由圖12c可知，退火處理使路徑3即沿橫向方向基體上表面的殘余應(yīng)力減小，減小的幅度隨著退火溫度的增高而逐漸增大，退火溫度在800～1000 ℃時效果最好，殘余應(yīng)力可減小50%左右。由圖12d路徑4即厚度方向上的熔覆中部位置觀察到，退火后基體殘余應(yīng)力的改善效果要好于熔覆層，特別是退火溫度800～1000 ℃時，結(jié)合處殘余應(yīng)力由500 MPa減小至290 MPa。將不同退火溫度下熔覆道中間節(jié)點Y1（0.02，0，0）的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖13所示，800 ℃退火處理時殘余應(yīng)力約為275 MPa，比沒有退火時Y1節(jié)點的最大值535 MPa減小了約50%。與預(yù)熱處理相比，退火處理屬于熔覆后處理，熱量輸入不參與熔覆過程中的熱力耦合，因此并不改變殘余應(yīng)力的分布趨勢，但整體上減小了殘余應(yīng)力，且效果非常明顯。退火溫度800 ℃以上時，殘余應(yīng)力的改善作用與800 ℃時相差別不大，考慮到溫度越高對設(shè)備要求越高， 800 ℃可作為最佳的退火溫度。

2.2.4? 協(xié)同熱處理下的應(yīng)力分布

圖14為不同熱處理工藝下各路徑的殘余應(yīng)

力曲線。由圖14a可知，預(yù)熱退火協(xié)同熱處理時，路徑1即沿激光掃描方向熔覆層與基體連接處的殘余應(yīng)力可減小35%～40%；由圖14b可見，協(xié)同熱處理對路徑2即沿激光掃描方向熔覆層上表面殘余應(yīng)力改善不明顯；由圖14c可知，預(yù)熱退火協(xié)同熱處理使路徑3即橫向方向上基體上表面的殘余應(yīng)力減小40%左右；由圖14d可知，協(xié)同熱處理對基體及熔覆層與基體的連接處的殘余應(yīng)力改善效果要好于熔覆層。

由不同熱處理工藝下各路徑殘余應(yīng)力分布可知，熔覆前預(yù)熱處理、熔覆后退火處理、熔覆前后協(xié)同熱處理對殘余應(yīng)力都有不同程度的改善，只進(jìn)行熔覆后退火處理的殘余應(yīng)力最小，其次是熔覆前后協(xié)同處理，第三是只進(jìn)行熔覆前預(yù)熱處理。因為預(yù)熱處理雖然會減小溫度梯度，降低熔池冷卻速度，一定程度上減小殘余應(yīng)力，但預(yù)熱帶來的熱積累會增加熱應(yīng)力。因此激光熔覆殘余應(yīng)力調(diào)控的最優(yōu)熱處理工藝為熔覆后800～1000 ℃退火處理，沒有條件退火處理的，可進(jìn)行500 ℃預(yù)熱處理，確定熔覆后進(jìn)行退火處理的，不需要預(yù)熱處理。

3? 結(jié)論

本文研究了不同熱處理工藝對激光熔覆殘余應(yīng)力的調(diào)控作用，建立了熱力耦合的三維熱彈塑性模型，實現(xiàn)了熔覆前預(yù)熱處理、熔覆后退火處理、熔覆前后協(xié)同熱處理工藝條件下316L激光熔覆溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬，并采用多路徑方法研究分析了不同熱處理工藝對熔覆層溫度和應(yīng)力分布的影響。主要結(jié)論如下：

（1）激光熔覆過程中熔池溫度主要受工藝參數(shù)影響，熱處理工藝并不影響熔覆過程的溫度變化趨勢，但熔覆層的溫度峰值隨預(yù)熱溫度的升高而升高，同時，預(yù)熱處理能有效減慢冷卻速率，冷卻時間延長了0.5～1 h。

（2）熔覆前預(yù)熱處理、熔覆后退火處理及熔覆前后協(xié)同熱處理工藝均可有效減小熔覆殘余應(yīng)力，其中退火處理效果最好，其次是預(yù)熱退火協(xié)同熱處理。熔覆前預(yù)熱處理中，采用500℃時效果最好，殘余應(yīng)力可減小20%左右；熔覆后退火處理中，退火溫度800～1000 ℃時效果最好，殘余應(yīng)力可減小50%左右，為最優(yōu)熱處理工藝；采用熔覆前預(yù)熱處理和熔覆后退火協(xié)同處理，殘余應(yīng)力可減小35%左右。

（3）對比不同路徑殘余應(yīng)力分布，沿激光掃描方向的路徑1、路徑2的殘余應(yīng)力較為均勻，但在熔覆開始和結(jié)束處有應(yīng)力集中，橫向方向的路徑3殘余應(yīng)力變化幅度最大，在熔覆層邊界位置應(yīng)力集中明顯。在熱處理工藝下，路徑1、路徑3的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，熔覆層與基體搭接處的殘余應(yīng)力可減小40%以上，應(yīng)力分布更加均衡，有利于防止結(jié)合區(qū)域裂紋的產(chǎn)生。

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（編輯? 袁興玲）

作者簡介：

李燕樂，男，1989年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為柔性復(fù)合成形技術(shù)、綠色制造與再制造。E-mail： yanle.li@sdu.edu.cn。

李方義（通信作者），男，1969年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為綠色設(shè)計、綠色制造與再制造。