不锈钢表面多道激光熔覆Ni基涂层的应力场分析及数值模拟

论文摘要

不锈钢是21世纪实现社会可持续发展的绿色材料。激光熔覆是通过高能密度的激光光束使得熔覆粉末颗粒与基材相互作用,生成冶金化学反应熔池,是当今发展较快的一种材料表面改性技术。本文以1Cr18Ni9Ti不锈钢为研究对象,从激光熔覆材料体系、激光熔覆工艺优化、熔覆层裂纹形成及控制、多道激光熔覆的物理模型和激光熔覆过程数值模拟等方面进行了系统研究。XRD分析结果表明,熔覆层除(Fe, Ni)固溶体外,还含有CrNiFeC、Cu3.8Ni化合物和W2C、WC、FeW3C、Ni2Si、Fe3Ni3B等硬质相。熔覆层试样的扫描电镜(SEM)发现,枝晶问存在大量形状不一辐射状的WC及原位自生成W2C颗粒,以环状、片状等大小、形状不一颗粒富集于(Fe,Ni)固溶体织构网状边界上,W2C、WC、FeW3C、Ni2Si、Fe3Ni3B等硬质相在晶界富集,造成成分偏析。EDAX检测出熔覆层主要含有Si、Cr、Mn、C、Cu、Fe、Ni、W。显微硬度测试结果表明,不同熔覆层显微硬度均明显高于基体(基体硬度约为176HV)。双道熔覆层中第二道CZ区最高,达到650 HV,较基体提高了3倍。CZ区上部稍低于CZ区中部。BZ区显微硬度在280～440 HV范围。HAZ区比基材硬度高,最高达到324 HV。单道和多道激光熔覆过程温度场数值模拟分析结果表明,单道温度最大值位于光斑中心处,温度达到3786℃,随预热温度和激光功萃增加最高温度值和最大冷却速率增加,但从整体来说对冷却速率影响不大。多道第一道熔覆层从中部到末端温度值仍达到2028℃,末端温度值为1622℃。搭接区温度值达到1217℃,实现对第一道部分重新熔化。基材热影响区的温度达到811℃。多道激光熔覆过程应力应变场数值模拟分析结果表明,应力最大值出现在搭接区的心部、第一道熔覆层光斑中心和第二道基材热影响区,其值分别为488 MPa、237 MPa和833MPa。总应变最大值出现在第二道熔覆层边缘与基材结合处,其值约达到0.030 m,其次到熔覆层中部,热影响区总应变值达到了0.0032 m。进行不同区域残余应力分析,熔覆层处于拉应力状态,基材处于压应力状态。拉应力最大值出现在搭接区,其值为1178 MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 激光熔覆及其应用
• 1.2.1 激光熔覆工艺控制
• 1.2.2 激光熔覆材料体系
• 1.2.3 激光熔覆技术应用
• 1.3 激光熔覆层裂纹形成及控制
• 1.4 激光熔覆过程数值模拟的研究进展
• 1.4.1 国外研究进展
• 1.4.2 国内研究进展
• 1.5 研究目的和主要内容
• 第二章 激光熔覆过程中的有限元法
• 2.1 热传导问题
• 2.2 弹塑性理论
• 2.2.1 屈服准则
• 2.2.2 强化条件
• 2.2.3 弹塑性增量理论有限元解法
• 2.3 热力耦合分析
• 2.4 ANSYS软件概述
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光熔覆过程的温度场
• 3.1 实验材料及工艺
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 熔覆工艺及设备
• 3.1.3 性能表征方法
• 3.2 边界条件及相变影响
• 3.2.1 边界条件与假设
• 3.2.2 相变影响
• 3.3 计算方法
• 3.4 激光熔覆层温度场
• 3.4.1 单道激光熔覆层温度场
• 3.4.2 多道激光熔覆层温度场
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光熔覆过程的应力场
• 4.1 材料参数设置
• 4.2 激光熔覆层应力应变分析
• 4.2.1 多道激光熔覆层应力分析
• 4.2.2 多道激光熔覆层应变分析
• 4.2.3 多道激光熔覆层残余应力分析
• 4.2.4 熔覆层裂纹形成机理
• 4.2.5 熔覆层开裂影响因素及防止措施
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文