TC4表面激光熔覆Ni60基涂層溫度場熱循環(huán)特性數(shù)值模擬研究

趙盛舉，祁文軍，黃艷華，雷靖峰

（新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830008）

TC4鈦合金是一種具有低密度、高比強度、高耐熱性能等特點的金屬，被廣泛應(yīng)用于航空航天和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域[1-6]。TC4鈦合金因其優(yōu)良的綜合性能，是世界上用量最大的兩相鈦合金。作為重要結(jié)構(gòu)件的組成材料，TC4鈦合金的缺點也同樣明顯，表面容易劃傷、咬死，耐磨性能差，并缺乏高溫耐蝕性[7-10]。為此，通過激光熔覆的方法在 TC4鈦合金表面熔覆金屬粉末，以此來增強TC4鈦合金的性能。

激光熔覆是一個相對復(fù)雜的熱力學(xué)過程[11]，在熔覆過程中會受到激光功率、掃描速度、光斑直徑和送粉速度等多個參數(shù)的影響。由于激光熔覆工藝的參數(shù)眾多，且參數(shù)對熔覆質(zhì)量影響復(fù)雜[12]，如果采取實驗的方法，往往需要進行大量的實驗。通過建立精確的激光熔覆有限元模型，研究激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆過程溫度場的影響，為激光熔覆實驗提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，可減少大量的實驗工作，提高研究效率，為激光熔覆的理論研究奠定基礎(chǔ)[13]。

近年來，國內(nèi)外針對激光熔覆數(shù)值模擬已開展一定的研究。Kong等[14]通過建立單道二維瞬態(tài)數(shù)學(xué)計算模型，研究了掃描速度、激光功率和送粉量對熔覆層高度的影響。W.C.Tseng等[15]綜合考慮激光波長、光斑直徑、聚焦條件等因素，建立了激光熔覆熱源的有限元模型，通過相同條件下的工藝實驗，驗證了熱源模型的可靠性。吳東江等[16]在 TC4鈦合金表層熔覆Al2O3材料，建立精確的有限元模型，探究激光熔覆冷卻階段溫度梯度變化規(guī)律以及預(yù)熱對溫度梯度的影響，通過比較熔池形貌及測量熱電偶溫度來驗證仿真模型的可靠性。程成等[17]在 TC11鈦合金表面熔覆立方氮化硼涂層，建立激光熔覆溫度場的有限元模型，分析了激光熔覆工藝參數(shù)對溫度場的影響，以及溫度梯度對涂層質(zhì)量的影響。王志堅等[18]運用ANSYS的APDL語言及生死單元技術(shù)對TC4鈦合金單道熔覆的傳熱模型進行數(shù)值模擬，結(jié)合測溫實驗分析了激光熔池在凝固過程中的熱行為，闡述了激光工藝參數(shù)對熔池凝固傳熱過程的影響。段偉等[19]對鈦合金 TC4激光熔覆過程進行了數(shù)值模擬，分析了不同激光功率和掃描速度下激光熔覆過程中的溫度場及應(yīng)力場，綜合考慮成形質(zhì)量和時間成本，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。

前人通過建立精確的有限元模型對激光熔覆過程進行數(shù)值模擬，研究激光熔覆各工藝參數(shù)對溫度場、應(yīng)力場分布的影響規(guī)律，對激光熔覆理論分析具有較強的指導(dǎo)意義，但未見關(guān)于激光熔覆熱循環(huán)特征的研究報道。在實驗驗證方面，大多以溫度場測試為主，驗證過程較為復(fù)雜，且影響因素較多。本文采用3D高斯熱源分布模型，基于Sysweld軟件平臺，對TC4鈦合金單道激光熔覆過程進行數(shù)值模擬仿真，確定模擬最優(yōu)工藝參數(shù)方案，研究溫度場云圖及其熱循環(huán)特性，提取溫度曲線，獲得熔池形貌，進行激光熔覆實驗驗證。在確定模擬結(jié)果可靠的情況下，結(jié)合SEM 圖，研究了冷卻速度對熔覆層組織的影響。本文采用的驗證方法簡潔直觀，縮短了實驗周期，降低了實驗成本，所研究的模擬方法為激光熔覆過程仿真提供了一種新思路。

1 有限元分析建模

1.1 有限元模型的建立

基體材料為TC4鈦合金，試樣為長150 mm、寬70 mm、高10 mm的長方體。用Visual-Mesh建模，并在基體的中心位置添加熔覆層，熔覆層長度為70 mm，高度和寬度由送粉速度和光斑直徑的參數(shù)確定。

1.2 網(wǎng)格劃分

在Visual-Mesh中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分遵循以下幾點要求：1）基體關(guān)于熔覆層對稱，基體網(wǎng)格對稱劃分；2）為保證熔覆層及其周圍的熱集中區(qū)域能夠得到較為精確的溫度分布，在熱集中區(qū)域劃分較密的網(wǎng)格；3）基體采用四邊形網(wǎng)格（六面體單元），為保證熔覆層溫度分布更加精確，熔覆層采用四邊形-三角形網(wǎng)格（六面體-四面體單元）；4）保證網(wǎng)格的連續(xù)性。網(wǎng)格劃分如圖1所示（由于基體過大，不易觀察網(wǎng)格，只截選熔覆層左右各10 mm部分）。

1.3 組的創(chuàng)建

激光熔覆的過程和焊接過程類似，激光器沿著固定軌跡移動，熔覆粉末及基體。采用Sysweld模擬這一加熱過程，需要在Visual-Mesh中設(shè)置熔覆線、參考線、起始點、結(jié)束點、起始單元、熱交換表面、裝夾條件等。設(shè)置完成后保存為ASC格式的文件。

2 Sysweld求解

2.1 熱源模型的建立

熱源模型的建立會影響激光熔覆數(shù)值模擬計算結(jié)果的準確性，因此本文選擇與實際激光器輸入能量相同的熱源模型。激光熔覆常用的熱源模型主要有2D高斯熱源、3D高斯熱源和雙橢球熱源。根據(jù)實際情況，本文選用3D高斯熱源，如圖2所示。分布函數(shù)為：

式中：Q為能量輸入率；q(x,y,z,t)為t時刻在(x,y,z)位置的熱流量；c為熱源的集中系數(shù)；v為熔覆速度；τ為熱源位置滯后的時間因素。

2.2 材料庫建立

本實驗采用的熔覆材料是Ni60A和Cr3C2的混合粉末，含微量稀土Y2O3。其中Cr3C2粉末是NiCr包覆的金屬陶瓷復(fù)合粉末，兩種粉末的成分見表1、2。在熱源校核和仿真計算時需要調(diào)用相對應(yīng)的材料數(shù)據(jù)庫，因此根據(jù)需要建立Ni60A-50%Cr3C2粉末的數(shù)據(jù)庫。利用Sysweld Toolbox中提供的針對軟件開發(fā)的Material Database Manager材料庫文件生成工具建立材料庫。JMatPro軟件可以較為準確地計算出材料的高溫物理性能，經(jīng)驗證，誤差低于10%[20]。將材料的各成分輸入到JMatPro軟件中，軟件可根據(jù)材料成分生成各項參數(shù)（如圖3所示）。輸入Material Database Manager所需的參數(shù)，最后生成一個mat格式的材料庫文件。

表1 Ni60A粉末的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Ni60A powder

表2 Cr3C2粉末的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of CR3C2 powder

2.3 Welding Wizard設(shè)置

在計算之前，需要設(shè)置 Welding Wizard參數(shù)，Welding Wizard將確定整個模擬過程。先導(dǎo)入已建好的ASC格式模型文件，接著導(dǎo)入熱源，設(shè)置焊接線、參考線、起始單元、起始點、掃描速度、裝夾條件、熱交換邊界等條件。然后運用生死單元法將熔覆層的單元屬性設(shè)置為空，殺死熔覆層單元，在熔覆過程中再賦予熔覆層材料屬性，以此來模擬同步送粉激光熔覆過程，最后保存并計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過查閱文獻[21-22]可知，在激光熔覆主要參數(shù)激光功率、掃描速度、光斑直徑和送粉速度中，光斑直徑和送粉速度主要影響熔覆層的高度和寬度，而對溫度場的分布影響很小。在相同的功率和掃描速度下，設(shè)置不同的光斑直徑和送粉速度，其中光斑直徑通過修改熱源模型設(shè)置，送粉速度通過修改有限元模型設(shè)置，進行仿真計算。對比不同光斑直徑和送粉速度的溫度場云圖發(fā)現(xiàn)，它們的溫度場云圖分布基本相同。因此本文不再分析光斑直徑和送粉速度對激光熔覆溫度場分布的影響，主要分析激光功率和掃描速度對激光熔覆溫度場分布的影響。

3.1 溫度場分布

通過工藝實驗設(shè)定熔覆層成形參數(shù)，熔覆層高度和寬度分別為1.0 mm和2.4 mm（對應(yīng)光斑直徑為2.4 mm，送粉速度為0.8 r/min）。激光功率分別設(shè)置為400、500、600、800、1000 W，掃描速度分別為2、3、4、5 mm/s，熔覆時間由掃描速度決定，冷卻結(jié)束時間為1000 s。基于以上參數(shù)進行仿真模擬實驗，對得到的溫度場云圖分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功率超過600 W時，模擬得到的溫度云圖存在熔池深、熔化區(qū)域超過熔覆層寬度、最高溫度過高等問題，因此舍去600 W以上的實驗方案。模擬400、500、600 W功率下對應(yīng)不同掃描速度的方案，獲得了溫度云圖（如圖4所示），并對其進行分析，圖中紅色區(qū)域為熔化區(qū)，周圍黃色至藍色漸變?yōu)闊嵊绊憛^(qū)。

由圖4可知：當(dāng)激光功率相同時，掃描速度越慢，最高溫度越高；掃描速度越快，最高溫度越低。當(dāng)激光掃描速度相同時，激光功率越大，最高溫度越高；激光功率越小，最高溫度越低。觀察圖4a發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度為2、3 mm/s時，都存在熔化區(qū)域超出熔覆層區(qū)域的情況；當(dāng)掃描速度為4、5 mm/s時，熔化區(qū)域較小，可能造成熔覆層區(qū)域熔化不完全、無法與基體完全結(jié)合、熔覆層脫落等后果。在圖4b、c中，部分掃描速度下同樣出現(xiàn)上述兩種問題。觀察圖4c，由于激光功率較大，熔池成形不好，熱影響區(qū)較大。對比三種功率四種掃描速度的溫度云圖發(fā)現(xiàn)，功率為500 W、掃描速度為4 mm/s時的模擬結(jié)果基本未出現(xiàn)上述兩種問題，因此擬定此方案為最優(yōu)模擬參數(shù)方案。

3.2 激光熔覆熱循環(huán)曲線

熱循環(huán)曲線的研究在熱加工領(lǐng)域中有著重要的意義，可為選擇材料、制定最佳工藝、消除加工缺陷、提高加工質(zhì)量等提供重要的指導(dǎo)[23]。本文根據(jù)擬定的最優(yōu)模擬參數(shù)方案，模擬計算得到溫度云圖，在溫度云圖的熔覆線截面上沿水平方向和垂直方向各選取一組取樣點。為保證提取溫度曲線的準確性，熔覆線的起點和終點都不作為取樣對象，在熔覆線中心位置選擇取樣點。

3.2.1 橫向熱循環(huán)曲線

水平方向取點位置及編號如圖5所示。在熔覆層和基體交界處（結(jié)合區(qū)）取 1個點（圖5中點 4），并向基體方向取3個點（圖5中點1—3，相鄰兩點間距為0.6 mm），向熔覆層方向取2個點（圖5中點5和點6），共6點。取點完畢后，在Sysweld中提取所選取點的溫度曲線，并對其進行分析。

仿真設(shè)置的熔覆層寬度為2.40 mm，6個取樣點的溫度曲線如圖6所示。由圖6可以看出，取樣點3、4、5、6溫度在同一時間達到峰值，1、2點在其后約1 s的時間達到峰值。分析其原因是：4點在結(jié)合區(qū)，5、6點在熔覆層上，均在激光掃描的范圍內(nèi)，3點雖然不在熔覆層上，但和熔覆層距離較小，也受激光輻射影響，所以這 4個取樣點在同一時間溫度達到峰值，而1、2點所在位置超出了激光輻射影響區(qū)域，溫度峰值時間稍有滯后。結(jié)合區(qū)上的4點和熔覆層上5、6點的溫度峰值高于基體和粉末熔點（1700 ℃），基體上1、2、3點的溫度峰值明顯低于1700 ℃，但2點的最高溫度為1000 ℃，高于TC4相變點（(995±15) ℃）。說明在熔覆過程中，熔覆層完全熔化，基體基本未熔化，點2至點4之間為熱影響區(qū)。

從圖6中可以獲得熔覆層4—6點的熱循環(huán)參數(shù)：最高溫度為 2250 ℃，加熱速度約 1650 ℃/s，冷卻速度約 430 ℃/s。根據(jù)2—3點網(wǎng)格間距可知，熱影響區(qū)寬度約為1.2 mm。

3.2.2 縱向熱循環(huán)曲線

垂直方向取樣點的位置及編號如圖7所示。在熔覆層表面中心位置取1點（圖7中點1），然后沿熔池深度方向向下取4個點（圖7中點2—5），共5個點。取點完畢后，在Sysweld中提取所選取點的溫度曲線，并對其進行分析。

5個取樣點的溫度曲線如圖8所示。可以看出，5個取樣點的溫度在同一時間全部達到峰值，取樣點1—4的溫度峰值高于基體和粉末的熔點（1700 ℃），呈熔化狀態(tài)，而點5的溫度峰值未達到1700 ℃，未熔化。由此判定4和5取樣點之間為熔化的邊界。點4已在熔池之內(nèi)，點5在基體上，說明基體部分熔化，并與熔覆層結(jié)合在一起。基體網(wǎng)格模型沿熔池深度方向上的厚度為0.33 mm/格，可以得到熔池的熔深最大值在0.33～0.66 mm之間。結(jié)合圖8，可得熔覆層中心線熱循環(huán)參數(shù)，見表3。

表3 熔覆層中心線熱循環(huán)參數(shù)Tab.3 Thermal cycle parameters of cladding layer center line

4 實驗驗證

4.1 截面形貌與熔池深度對比

為了驗證模擬結(jié)果的正確性，確定模擬結(jié)果與實際實驗結(jié)果的誤差范圍，用上文擬定的最優(yōu)模擬參數(shù)進行激光熔覆實驗。為避免實驗的偶然性，使用同一參數(shù)進行多次實驗，取多次實驗結(jié)果的平均值，并與模擬結(jié)果進行比對。

最優(yōu)模擬參數(shù)方案下，用顯微鏡觀察到的熔覆層的截面形貌如圖9所示，并測量出熔池的深度、熔覆層寬度和高度。由圖9可知，實驗得到的實際熔池深度約為0.50 mm，熔覆層寬度約為2.40 mm，高度約為1.00 mm。有限元模型設(shè)置的熔覆層高度為1.00 mm，寬度為2.40 mm，模擬計算得到的熔池深度為0.33～0.66 mm（當(dāng)增加網(wǎng)格密度時，該值可以更精確），可見熔覆層深度的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。將最優(yōu)模擬參數(shù)方案下模擬計算得到的熔覆層截面圖與實際實驗進行對比，熔覆層截面形貌基本一致（見圖10），驗證了模擬結(jié)果的正確性和方法的有效性。

4.2 熔覆層在不同冷卻速度下的顯微組織

由圖8可以看出，熔覆層不同深度位置的冷卻速度也不相同，熔覆層上表面冷卻速度較快，深度越深，冷卻速度越慢。為了研究冷卻速度對顯微組織的影響，在熔覆層上表面、熔覆層中部和熔池最底部結(jié)合區(qū)，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其顯微組織，得到的3個區(qū)域的顯微組織如圖11所示。熔覆層上表面與空氣接觸，冷卻速度快（冷卻速度約為1200 ℃/s），形成短小的胞晶和樹枝晶，因此熔覆層上表面組織由短小的胞晶、樹枝晶和針狀晶組成。熔覆層中部冷卻速度變慢（冷卻速度約為1000 ℃/s），使胞晶轉(zhuǎn)變成胞狀樹枝晶，因此顯微組織由胞晶和胞狀樹枝晶組成。熔覆層與基體結(jié)合區(qū)組織由垂直于基體的柱狀晶、胞狀晶和平面晶組成，該處冷卻速度約為500 ℃/s。根據(jù)凝固理論對結(jié)合區(qū)進行分析，當(dāng)激光熔覆熔池開始凝固時，由于基體的溫度低，導(dǎo)致溫度梯度較大，此時，凝固速度最小，形成平面晶。隨著溫度梯度減小，凝固速度增大，使成分過冷度增加，在平面晶上長出柱狀晶。在熱影響區(qū)（冷卻速度約為160 ℃/s）出現(xiàn)大量淬火態(tài)的針狀馬氏體[24]。

5 結(jié)論

1）對 TC4鈦合金激光熔覆 Ni60A-50%Cr3C2粉末過程進行數(shù)值模擬仿真可知，最佳工藝參數(shù)為：激光功率500 W，掃描速度4 mm/s。該參數(shù)下，激光熔覆熱循環(huán)的最高溫度約為2750 ℃，最大加熱速度約為2250 ℃/s，最大冷卻速度約1200 ℃/s，熔池最大深度在0.33～0.66mm之間，熱影響區(qū)寬度約為1.2 mm。該參數(shù)下激光熔覆實驗得到的熔覆層截面圖與模擬結(jié)果基本一致，證明了模擬結(jié)果的正確性和方法的有效性。

2）不同的冷卻速度得到的熔覆層組織不同：熔覆層上表面的組織為短小的胞晶和樹枝晶；中部的顯微組織由胞晶和胞狀樹枝晶組成；熔覆層與基體結(jié)合區(qū)的組織由垂直于基體的柱狀晶、胞狀晶和平面晶組成；在熱影響區(qū)出現(xiàn)了大量淬火態(tài)的針狀馬氏體。

3）使用模擬仿真確定最優(yōu)工藝參數(shù)指導(dǎo)激光熔覆實驗，可有效減少實驗次數(shù)，縮短實驗周期，降低實驗成本。數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合是研究激光熔覆及其他熱加工過程的一種有效的方法。