【硕士论文】铝合金激光熔覆金属基复合材料及数值模拟.pdf

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1、沈阳工业大学硕士学位论文摘要铝合金由于密度小、塑性好、耐腐蚀性能优异、易于加工成形等特点被广泛应用于各个领域。但由于其存在强度低、耐磨性差的缺陷，限制了其应用范围。激光熔覆技术可显著提高材料表面的综合性能，目前，在激光熔覆工艺的实施过程中主要通过试验和经验来确定激光加工工艺参数，铝合金激光熔覆过程温度场数值模拟，对激光辐照工艺参数的选择和优化具有重要的意义。本文采用2kW连续波Nd：YAG激光加工系统，在6061铝合金表面激光熔覆SiC√舢金属基复合材料，运用有限元法，对激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟和试验验证。在模

2、拟计算过程中材料热物性随温度变化而改变，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，通过APDL二次开发语言实现移动热源的加载和卸载；建立了激光熔覆瞬态温度分布数学模型，并划分了合适的网格，解决了熔覆热源移动的数学模拟问题。通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题。分析了激光加工工艺参数对温度场的影响，系统地论述了激光熔覆过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对熔覆过程中产生的温度场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ANSYS软件为平台的激光熔覆温度场的模拟分析方法。采用扫描电子显微镜和x射线衍射仪对6

3、061铝合金表面SiCp／A1激光熔覆层的组织、结构进行了分析检测，并针对具体的模拟结果进行了试验验证。本文建立的三维激光熔覆温度场的动态模拟分析方法，为优化铝合金激光熔覆工艺参数，提供了理论依据和指导。研究表明：激光辐照工艺参数决定了试样表面峰值温度以及温度梯度的分布，激光熔覆过程中熔池中心温度与激光扫描速度、光斑半径成反比，与激光功率成正比。激光扫描速度对熔池内的温度梯度影响较小，而激光输出功率及光斑半径则对熔池内温度梯度影响较大。模拟结果与验证试验基本吻合，6061铝合金表面激光熔覆SiCa,／A!复合涂层的最佳工

4、艺参数为：激光输出功率1200W，扫描速度5mm／s，激光辐照光斑半径1．25mm。关键词：激光熔覆，数值模拟，有限元，温度场沈阳工业大学硕士学位论文1绪论1．1前言铝在地壳内含量仅次于氧和硅，资源很丰富。由于铝合金(包括铝基复合材料)具有密度小、热膨胀系数低、比强度高、导热和导电性好、反光性强、无磁性、耐蚀性及成型性好等优点，因此在光学精密仪器、汽车车身、航空航天器结构等诸多方面得到了广泛应用。但它同时也存在硬度较低、摩擦系数高、磨损大，容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐磨性差等问题，这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。

5、人们采用热处理或非热处理等方法来增强铝及其合金的强度，葱而进一步扩大了其应用范围。但整体增强铝合金往往又使铝合金的脆性增强，因此人们开始关注铝合金表面强化问题【⋯。常用的铝合金表面改性技术有阳极氧化、稀土转化膜、等离子微弧氧化、离子注入、激光表面强化等151。前几种方法虽能有效的改善铝合金的性能，但获得的强化层较薄(仅有几百个微米)，其强化层与基体之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，容易产生开裂、脱落。激光表面强化技术是70年代后随着大功率激光器的发展而迅速兴起的一门新兴技术。通过激光处理，可以提高铝合金的耐

6、磨性、耐蚀性和耐热性，细化铝合金的表层组织，改变铝合金的表面结构，在铝合金表面引入高硬度、高耐蚀性及高熔点的元素，可形成表面性能优异的强化层。这一强化层与基体之间属冶金结合，结合力强，不易开裂、脱落，且在整个强化处理过程中无污染产生。因此，激光表面强化是提高铝合金表面性能的有效方法。铝合金激光表面强化技术主要包括激光表面合金化、激光冲击硬化、激光重熔、激光熔覆等多种工艺。激光熔覆技术是激光表面强化工艺中发展最迅速、最具有广泛应用前景的工艺方法之一。1．2铝合金表面激光熔覆技术1．2．1激光熔覆工艺方法、材料体系及特点激光

7、熔覆原名Lasercladding，又称Laserhardfacing或激光涂覆，从1984年开始统称为激光熔覆嘲。激光熔覆技术是指在被涂覆基体表面，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释率极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化铝合金激光熔覆金属基复合材料及数值模拟及电气化特性等的工艺方法。铝合金表面激光熔覆所用激光束的工作方式主要有固定激光束方式和振荡激光束方式，激光器功率有2kW、4kw、5kW及10kW不等，均成功地

8、获得了一定性能的熔覆层川。对铝合金进行表面熔覆时激光功率的选择尚无统一的标准，一方面要根据设备的实际能力，另一方面要恰当地协调激光熔覆各工艺参数之间的搭配关系，控制好输入熔覆材料中的激光能量密度。铝合金表面激光熔覆所需控制的工艺参数与钢和铸铁等材料激光熔覆时所需控制工艺参数基本相同，主要包括：激光束功率、光斑尺寸、光