柴油机曲轴裂纹激光熔覆修复材料选择的仿真研究.pdf

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1、第28卷第3期徐州工程学院学报(自然科学版)2013年9月V01．28No．3JournalofXuzhouInstituteofTechnology(NaturalSciencesEdition)Sep．2013柴油机曲轴裂纹激光熔覆修复材料选择的仿真研究任会芳，任家隆，王青仙(江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003)摘要：针对因裂纹而导致失效的曲轴进行激光熔覆再制造，讨论了激光熔覆技术的具体工艺流程和工艺环境及激光熔覆材料的选择；运用ANSYS分析软件对修复后的零件进行温度场与应力场、3种熔覆层的残余应力的仿真分析，研究

2、铁基、钴基、镍基自熔性合金粉末熔覆材料的修复结果，确定了基体材料45钢的曲轴单拐裂纹的最佳熔覆材料．关键词：激光熔覆；裂纹；有限元；热应力；残余应力中图分类号：TG174．44文献标志码：A文章编号：1674—358X(2013)03-0069—04激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，是一种对裂纹极为敏感的工艺，近年来受到广泛的关注与研究，并得到了一定的应用口]．然而，由于激光熔覆过程中材料熔化、凝固和冷却都是在极短时间内进行的，熔覆材料与基体材料存在热物性差异导致熔覆层中存在残余应力，而残余应力的存在会使熔覆层自身产生裂纹；此

3、外，由于热应力的存在，会影响熔覆材料与基体材料的结合程度，进而降低了修复效果与质量．本文通过建立2105曲轴的一个单拐(基体材料为45钢)，采用激光熔覆技术对与曲柄臂成45。的曲轴过渡拐角处的裂纹进行不同熔覆材料仿真修复研究，从而确定最佳熔覆材料．1熔覆材料的选择熔覆材料、基材的成分和性能以及激光熔覆的工艺参数都在很大程度上决定了熔覆层的质量和性能．选择基体材料45钢作为仿真研究对象，其熔点是1350℃．1．1热膨胀系数的匹配熔覆层与基材的热膨胀系数间的差异对熔覆层的结合强度、抗热震性能以及抗开裂性能均有一定的影响，尤其是热膨胀系数

4、差异产生的热应力对熔覆层产生裂纹程度的影响更为明显．熔覆层材料与曲轴基材热膨胀系数的匹配关系表达式为：2(1一)／(E·AT)<：△d<：l(1一)／(E·AT)，(1)式中：、分别为熔覆层与基材的抗拉强度，△a为熔覆层与基材两者的热膨胀系数差，△T为熔覆温度与室温的差值，E、分别为熔覆层的弹性模量和泊松比．式(1)表明熔覆层的热膨胀系数有一定范围，超出式中的范围易在基材表面形成残余拉应力，甚至造成熔覆层与基材的开裂．1．2熔点的匹配熔覆材料与基体材料的熔点差异不宜过大，否则会使冶金结合效果变差．若熔覆材料熔点过高，加热时熔覆材料熔

5、化少，覆层表面粗糙度高且基体表层过烧，严重污染熔覆层；相反，熔覆材料熔点过低，熔覆层易发生过烧，且与基体间产生孑L洞和夹杂．相关材料分析表明：铁基自熔性合金粉末与基体成分相近，熔覆层与基体界面结合牢固但由于其熔层内气孔夹渣较多，主要适用于基体材料为铸铁和低碳钢；镍基自熔性合金粉末熔点低，自熔性好，具有良好的耐热和抗氧化功能；钴基自熔性合金粉末的合金元素主要是Ni、C、Cr和铁等，其中Ni元素可以降低钴基合金涂层的热膨胀系数，减少合金的熔化温度区间，有效防止涂层裂纹产生，提高熔覆合金对基体的润湿性．收稿日期：2O13一O6—18作者简

6、介：任会芳(1987一)，女，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为绿色制造技术．任家隆(1951一)，男，江苏镇江人，教授，硕士生导师，主要从事绿色制造技术研究·69·徐州工程学院学报(自然科学版)2013年第3期本文选用钴基自熔性合金粉末Co50、铁基自熔性合金粉末Fe5、镍基自熔性合金粉末Ni60作为熔覆材料进行比较研究．／2激光熔覆仿真技术修复工艺的确定厂激光熔覆工艺流程采用同步式_2]，其工艺流程为：基材熔覆表面预处理一送料激光熔化一后热处理．激光熔覆前，需进行预热处理，降低修复零件的温度梯度．熔覆工艺结束后进行后热处理，消除

7、残余应力，有效抑制熔覆层的开裂．2．1稀释率稀释率是激光熔覆过程中，基体材料熔化而进入熔覆层导致熔覆层成分发生改变的程度，与激光工艺参数(激光功率P、扫描速度、送粉速率、光斑尺寸及预热温度)有关．应该在保证冶金结合程度的前提下，合理选择工艺参数来降低稀释率，本文根据熔覆层化学成分的变化计算稀释率，表达式为：叩一Pr(5+z一)+(s+z一z)’(2)式中：叩为稀释率，P，为熔覆层合金的密度，为基体材料的密度z、，分别为熔覆合金、基体材料和熔覆层合金中元素的质量分数．2．2温度场的分布在熔覆过程中温度场的分布直接影响熔池内的对流和传热

8、，影响其凝固过程和成分的均匀性，进而影响熔覆层的组织性能[4]．激光在熔覆过程中与材料的交互作用时间极短，而加热速度又极快，所以激光加热时熔池温度场的分布主要是依据热传导偏微分方程、并附以具体的边界条件、通过计算而得出的．表达式(三维