0 引 言 激光熔覆技术在材料表面改性、产品表面

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1、0引言激光熔覆技术在材料表面改性、产品表面　　0引言　　　　激光熔覆技术在材料表面改性、产品表面修复、提高零部件使用寿命等方面得到广泛的应用[1-3]。但是目前该技术还面临不少难题，如激光熔覆工艺参数选择、熔覆材料的配对和新材料的开发、熔覆层表面和内部的质量问题、熔覆设备的改进等。特别是熔覆层质量的稳定性和可靠性是该项技术迅速推广的主要障碍。目前激光熔覆研究多集中在平面基体上的熔覆，实际应用中熔覆会在各种曲面上进行，比如齿轮轮齿的修复和性能的加强。熔覆层表面平整与否不是判断熔覆层质量好坏的唯一标准，熔覆层有否产生裂纹是一个更重要的指标，裂纹问题也是激光熔覆面临的最大问题。齿轮轮齿曲面激

2、光熔覆过程中裂纹产生的主要原因是熔覆过程中的温度与组织变化所引起的内应力。影响裂纹产生的因素有熔覆层材料物理性能、基体材料物理性能、熔覆层厚度和熔覆工艺等。笔者利用ANSYS对齿轮曲面激光熔覆进行数值模拟，并通过实验验证了模拟结果。　　　　1数值模拟影响因素　　　　1.1建立有限元模型时熔覆层形貌的处理　　熔覆层几何形貌是指单道激光熔覆层横截面内的形状及其特征尺寸，主要以熔覆层高度和熔覆层宽度来描述[4]。影响熔覆层几何形貌的因素众多，经过试验验证，主要影响因素有：激光扫描速度、送粉速率、光斑尺寸、激光功率和离焦量。　　观察熔覆横截面的扫描电镜照片（见图1），表明熔覆层质量较好时的截面

3、都呈抛物线状，采用MATLAB对熔覆层形貌进行拟合。根据熔覆前后能量及质量守恒定理进行计算得出熔覆层高度的估算公式。　　　　1.2数值模拟时对激光功率的处理　　激光熔覆时，通常考虑对实际功率的影响因素有粉末对激光束的遮蔽和激光入射角的影响。除此之外，由于齿轮齿廓是曲面模拟时必须对其引起的激光功率分布不均予以考虑。（fbda;可根据几何关系计算得出[6]。已知激光束入射角度即可得到齿轮齿面任意一点处材料对激光的吸收率[7]。　　相变分析必须考虑材料的潜热，即在相变过程吸收或释放的热量，通过定义材料的焓特性来计入潜热。在ANSYS数值模拟中，焓材料特性为比焓。当比焓在某些材料中不能使用时，

4、可用密度、比热容和物质潜热计算得出。　　　　2实验结果与分析　　　　2.1实验结果及分析　　实验设备采用SLC-20X30D数控激光多功能加工机，配备ROFINDC030激光器、侧向自动送粉器、西门子数控系统和四轴联动数控机床。试验材料采用标准渐开线直齿圆柱齿轮，材料分别为10钢和45钢，齿宽45mm，压力角20°，模数为5，齿数为50。熔覆材料为Ni60自熔性合金粉末，粒度45~105μm。熔覆前齿面用砂纸打磨，扫描时不使用保护气体，熔覆后自然冷却。45钢表面熔覆Ni60的工艺参数见表1。裂纹数单位为条（定义为肉眼可见的宏观裂纹）。实验结果如所示。　　齿轮材料为10钢和

5、45钢时在不同送粉率条件下产生的裂纹条数见表2。粉末为Ni60。其他工艺参数：功率1100m/s。（fm/s，送粉速率4g/min。图4、6、8、10是熔覆层与基体结合处中点位置的应力随时间变化图。图5、7、9、11是端面熔覆层横截面应力场模拟结果。　　比较模拟结果发现，10号钢与Ni60合金粉末匹配组时熔覆层应力值最大，其次是10号钢与1Cr18Ni9Ti粉末匹配组，45号钢与Ni60合金粉末匹配组相对较小。比较图4、5与图10、11可知预热基体后，熔覆层的应力值减小，熔覆层产生裂纹的倾向越小。不同的材料匹配下应力走向趋势是一致的，都是在熔覆层与基体相交的部位产生应力集中，随着冷却时

6、间的推移应力降低并趋于一个定值。对比模拟结果发现不同的材料应力值大小不同，因而产生裂纹的倾向也不同。此外，基体预热后熔覆层应力减小。　　从实验结果可以看出在相同的熔覆工艺参数下10号钢相比45号钢更易产生裂纹，即45号钢与Ni60比10号钢与Ni60材料的匹配性能更佳。模拟结果与实验结果说明材料匹配是影响裂纹产生的重要因素。选择合适的材料匹配能够减少加工过程中的温度梯度，减小熔覆层中应力集中，避免裂纹的产生。此外，基体预热也能减少裂纹的产生。数值模拟对预防熔覆层裂纹产生有一定的指导作用。　　　　3结论　　　　1）对熔覆层形貌尺寸进行了计算，提出了熔覆层高度的估算公式。　　2）数值模拟时

7、除考虑粉末遮蔽、激光入射角对实际功率的影响外，着重提出了曲面引起激光功率分布不均的处理办法。此外，还引入了处理熔覆过程中相变的处理办法。　　3）对不同材料匹配的齿轮激光熔覆进行了模拟，结果表明材料的匹配对熔覆层裂纹有很大的影响。模拟基体预热前后的温度场及应力场，结果表明基体预热也是减少裂纹产生的一种有效手段。中国网提供大量免费硕士,如有业务需求请咨询网站客服人员！　　　　[