TC4鈦合金激光熔覆路徑選擇數值模擬研究

梁廣冰, 朱錦洪, 尹丹青, 周楊凱, 馬 寧, 張柯柯

(河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊以及使用溫度范圍寬等優異性能，能夠進行零件成形、焊接和機械加工，在航空、汽車、海洋工程和生物醫療等領域得到廣泛應用[1-4]。

激光熔覆在工業生產中應用十分廣泛，但激光熔覆涂層生產過程中由于局部熱作用的影響，容易產生熱應力集中、變形和熱裂紋形成及擴展，導致表面熔覆涂層開裂，這是目前激光熔覆技術工業化的主要障礙之一[5]。激光熔覆裂紋及殘余應力方面的研究主要分為兩種：一種為進行激光熔覆試驗，并通過盲孔法、壓痕法和超聲波法等方法[6]對熔覆涂層殘余應力進行測量，再通過顯微分析方法對裂紋的形態和斷口成分進行分析[7]。例如，文獻[8]提高了鋼軌的疲勞壽命，在工件上熔覆馬氏體不銹鋼，并采用盲孔法以及中子衍射技術測量了鋼軌熔覆涂層的殘余應力狀態。文獻[9]利用激光熔覆技術在工件表面制備鐵基合金熔覆涂層，采用顯微分析方法研究了激光熔覆FeCrBSi鐵基合金涂層中裂紋的形態和斷口成分，分析了復合熔覆涂層中裂紋的形成機理。另一種為通過數值模擬技術，建立合適的激光熔覆模型，對熔覆過程中的溫度場和應力分布進行了模擬，通過模擬結果深入分析熔覆過程的應力及裂紋產生。例如，文獻[10]基于熱-力間接耦合非線性有限元分析，研究了激光功率和掃描速度對溫度場和應力場分布規律的影響；文獻[11]建立了多層激光熔覆H13工具鋼的熱-力耦合有限元模型，并在不同的工藝條件下表征了殘余應力沿截面的演化規律，確定了減緩拉伸殘余應力的最佳工藝條件。

現有激光熔覆數值模擬研究工作大多針對激光熔覆過程溫度場和應力場，鮮有激光熔覆過程中裂紋產生過程的數值模擬研究。擴展有限元方法(extended finite element method, XFEM)[12]為解決激光熔覆裂紋問題提供了有力的理論支持。對于給定材料，合適的工藝參數對避免激光熔覆裂紋的產生極為重要，除此之外，不同的熔覆路徑下熔覆涂層的熱循環過程、殘余應力和裂紋產生傾向均有不同。因此，本文對直線單向熔覆、直線往復熔覆和對稱往復熔覆3種不同熔覆路徑下，TC4鈦合金激光熔覆溫度場、應力場以及裂紋擴展過程進行模擬，為實際生產中TC4鈦合金激光熔覆涂層的熔覆路徑選擇提供理論依據。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元數值模型

激光熔覆基體模型尺寸為300 mm×300 mm×42 mm，熔覆涂層厚度4 mm、長度201.6 mm、寬度72 mm，單道熔覆寬度8 mm，搭接率50%，并對模型進行有限元網格的劃分。根據激光熔覆的特點，同時考慮計算時間和計算精度，靠近焊縫中心位置的網格劃分較密集，遠離焊縫處網格劃分較稀疏，有限元網格模型如圖1所示。

圖1 有限元網格模型

1.2 材料屬性參數

在模擬計算中，材料特性參數對激光熔覆模擬過程和結果分析的準確性有重要影響。激光熔覆數值模擬計算常用材料參數包括密度、比熱容、熱導率、線膨脹系數、彈性模量、屈服強度和泊松比等。文中TC4鈦合金熱物理性能數據根據文獻[13-15]所得。TC4鈦合金熱物理性能隨溫度變化情況見表1。

表1 TC4鈦合金熱物理性能隨溫度變化情況

1.3 熱源選擇

圖2為激光熔覆雙橢球熱源分布模型，激光熔覆過程中，由于激光束加熱和冷卻的速度不同，激光束前方的加熱區域比后方的加熱區域小，因此，選擇符合實際情況的雙橢球熱源分布模型。

圖2 激光熔覆雙橢球熱源分布模型[16]

雙橢球熱源分布模型均勻分布在一定半徑和一定高度的倒圓錐體內，以描述熱源在熔深方向的分布，由前、后兩個1/4橢球組成。前、后半部分橢球內熱源分布為：

(1)

其中：qf和qr分別為前、后半橢球體內的熱流分布；af和ar分別為前、后半橢球的半軸；bh和ch分別為前、后半橢球的另外兩個半軸；兩橢球的這兩個短半軸分別相等；ff和fr分別為前、后半橢球體內熱輸入的份額，ff+fr=1。

合適的激光熔覆工藝參數是獲得質量良好的熔覆涂層的前提，本文根據文獻[17]的試驗結果選擇了適用于TC4鈦合金的激光熔覆工藝參數，激光功率為1 200 W，掃描速度為6 mm/s。

1.4 熔覆路徑設置

圖3為3種不同熔覆路徑對激光熔覆過程溫度場、應力場及裂紋形成的影響。圖3a為實際中應用較多的直線單向熔覆(路徑a)，其特點為路徑簡單，容易實現編程處理，但其每道熔覆完成后需要移動到下一道熔覆起點，熔覆過程不連續。圖3b為直線往復熔覆(路徑b)，熔覆路徑呈“S”形，其與路徑a相比減少了熔覆過程所需時間，提高了熔覆效率，但由于相鄰兩道熔覆間隔時間較短，后一道熔覆由于前一道的殘留熱量而使溫度升高。圖3c為對稱往復熔覆(路徑c)，熔覆路徑關于熔覆涂層中心點對稱，由于相鄰兩道熔覆位置距離較遠，且熔覆方向相反，可以避免局部溫度梯度過大。

(a) 直線單向熔覆 (b) 直線往復熔覆 (c) 對稱往復熔覆

2 數值模擬結果與分析

2.1 溫度場分析

激光熔覆涂層開裂是由非平衡加熱、冷卻過程中產生的殘余應力造成的，因此，激光熔覆熱過程模擬是進行激光熔覆應力變形及裂紋數值模擬的前提。圖4為3種不同熔覆路徑下熔覆涂層表面不同時間的溫度分布云圖。如圖4a、圖4d和圖4g所示，熔覆過程初期(t=50 s)時，熔池呈橢圓形，此時受到熱影響的區域較小，相對于熔池前的區域，熔池后的區域等溫線梯度較小。圖4b、圖4e和圖4h為熔覆過程進行至一半(t=300 s)時溫度場分布，路徑a與路徑b受熱影響的區域較為一致，路徑c受熱影響的區域面積較大，幾乎覆蓋整個熔覆涂層。圖4c、圖4f和圖4i為熔覆過程將要結束(t=600 s)時溫度場分布，路徑a與路徑b由于熔覆初始階段的熔覆道已經冷卻至較低溫度，因此熔覆涂層初始區域等溫線較為稀疏，路徑c由于是對稱往復熔覆，其最后一道熔覆位于熔覆涂層中部，因此其等溫線分布較為對稱。

(a)直線單向熔覆初期；(b)直線單向熔覆中期；(c)直線單向熔覆末期；(d)直線往復熔覆初期；(e)直線往復熔覆中期；(f)直線往復熔覆末期；(g)對稱往復熔覆初期；(h)對稱往復熔覆中期；(i)對稱往復熔覆末期。

圖5為3種不同路徑熔覆涂層表面中心點的溫度變化曲線。從圖5中可以看出：每一條溫度變化曲線均由一個主峰和若干次峰組成，熔覆開始時刻由于受到前若干道熔覆的熱影響，中心點經歷了幾次溫度較低的熱循環，之后溫度迅速升高并達到主峰最大值，這是由于激光熔覆熱源經過熔覆涂層表面中心點所產生的熱作用所致。通過溫度下降時的斜率可以判斷冷卻速率小于加熱速率，這是由于合金凝固過程中會釋放結晶潛熱，這個過程符合激光熔覆工藝快熱快冷的特點[18]。路徑a和路徑b主峰均出現在320 s附近，且主峰兩側的次峰關于主峰對稱，這是由于路徑a和路徑b熔覆道的排列順序相同，使得中心點在這兩種路徑下所受的熱影響相似。路徑c主峰出現在560 s附近，且后兩個峰最大溫度明顯較高，這是由于路徑c最后兩道熔覆位于中心點兩側，受到激光熱源近距離的熱影響所致。結合圖4可知：路徑a、b、c熔池表面最高溫度分別為2 647.88 ℃、2 948.92 ℃和2 755.02 ℃，與文獻[19]中模擬結果基本一致。由于TC4鈦合金熔點為1 500～1 649 ℃[20]，可以保證3種路徑下熔覆材料均能夠完全熔化，并與基體形成良好的冶金結合。對于熔覆涂層表面中心點，由于相鄰兩道熔覆之間幾乎沒有時間間隔，這導致前一道熔覆的余溫較高，使得路徑b的最高溫度高于路徑a約300 ℃。路徑c在熔覆前期熔覆道之間距離較大，且距離中線點較遠，但熔覆最后兩道相距時間較短，這使得路徑c最高溫度介于路徑a和路徑b之間。

圖5 不同路徑熔覆涂層表面中心點的溫度變化曲線

2.2 裂紋及應力分析

圖6為熔覆過程結束后經過200 min冷卻，熔覆涂層溫度達到室溫時殘余應力分布云圖，圖6中殘余應力為Von-Mises等效應力，均為正值，即均為拉應力。從圖6中可以看出：3種熔覆路徑均出現了裂紋。使用數值模擬軟件中的距離測量工具對裂紋擴展距離進行測量，路徑a在熔覆涂層左側產生了3條垂直于熔覆方向的裂紋，裂紋擴展距離約51 mm；路徑b在熔覆涂層中部產生了1條與熔覆方向呈45°的裂紋，裂紋擴展距離約79 mm；路徑c在熔覆涂層右側產生了1條垂直于熔覆方向的裂紋，裂紋擴展距離約37 mm。激光熔覆裂紋主要以熱裂紋為主[21]。由于激光熔覆冷卻過程中熔覆金屬由液態轉變為固態體積收縮時遇到基體的束縛，從而產生熱應力，熱應力一旦釋放就會形成裂紋[22]。路徑a和路徑b殘余應力分布關于y方向對稱，最大殘余應力分別為948 MPa和970 MPa，最大殘余應力出現在熔覆最后一道區域，且越靠近熔覆涂層最后一道殘余應力越大，熔覆結束后由于對流換熱和輻射換熱的雙重作用，熔覆涂層溫度下降，越早完成的熔覆道在冷卻時受到后道熔覆的熱影響，其溫度梯度越小，使得其殘余應力也較小。熔覆涂層最后一道冷卻時溫度梯度最大進而產生最大的殘余拉應力。路徑c最大殘余應力為884 MPa，其最大殘余應力出現在熔覆涂層中心區域，但由于裂紋的產生，使得附近殘余應力得到釋放，在裂紋兩側形成應力較低的區域。

(a) 直線單向熔覆 (b) 直線往復熔覆 (c) 對稱往復熔覆

分析3種熔覆路徑在x、y方向上的殘余應力，分布規律如圖7所示。在x方向上，3種熔覆路徑的應力分布均表現出兩端應力較小，中部應力較為集中的分布狀況。但在裂紋產生的位置，殘余應力會大幅減小，這是由于裂紋的產生使得較大的拉應力得到釋放，從而產生了殘余應力較低的區域。在y方向上，路徑a隨著距離增大，殘余應力增大，這與殘余應力云圖的結果一致；路徑b由于裂紋沿熔覆路徑45°方向擴展，導致殘余應力在y方向上產生較為劇烈的波動；路徑c殘余應力隨著距離增大先增大后減小，且最大殘余應力為884 MPa，明顯小于a、b路徑y方向殘余應力，這是由于對稱往復的熔覆路徑會對基材產生較均勻的預熱效果，使得熔覆后的殘余應力較小。

(a) 直線單向熔覆 (b) 直線往復熔覆 (c) 對稱往復熔覆

2.3 激光熔覆試驗

使用Laserline LDM-6000型激光熔覆機，在TC4鈦合金板材上進行了激光熔覆試驗。為了與數值模擬過程中選用材料保持一致，所用熔覆粉末也為TC4鈦合金粉末。激光熔覆參數保持和上文數值模擬中所用工藝參數一致。試驗得到3種熔覆路徑下的熔覆涂層，如圖8所示。

(a) 直線單向熔覆 (b) 直線往復熔覆 (c) 對稱往復熔覆

由圖8可知：3種熔覆路徑的激光熔覆涂層表面較為平整，沒有凹坑、金屬豆裂紋等缺陷，熔覆粉末熔化較完全，且熔覆涂層與基體結合良好。圖9顯示了激光熔覆涂層產生的裂紋，圖9中箭頭所指處為裂紋分布的位置。由圖9可以看出：3種不同路徑熔覆結果均產生了裂紋，且裂紋方向均與熔覆熱源移動方向垂直。這是由于在熱源移動方向上熔覆材料受到局部快速加熱，產生體積膨脹，而在激光加熱結束冷卻過程中，熔覆涂層因無法補償受熱過程中產生的壓縮塑性變形而受到基體材料的拉伸作用，進而在熔覆涂層中產生殘余拉應力，拉應力高于材料的斷裂極限時產生開裂。這與數值模擬的結果中y方向上的裂紋結果較為一致。圖9c與圖9a和圖9b相比，對稱往復路徑的裂紋數量較少，符合數值模擬結果。試驗結果中裂紋比數值模擬結果中裂紋數量多，這是由于數值模擬過程中假設材料是均勻的，而實際過程中熔覆涂層材料中存在大量位錯、晶界等缺陷，導致裂紋在這些缺陷處萌生，進而導致裂紋擴展，形成較多宏觀裂紋。

(a)直線單向熔覆

(b)直線往復熔覆

(c)對稱往復熔覆

3 結論

(1)數值模擬熔覆過程中溫度變化均呈現快冷快熱的特點，路徑a、b、c最大峰值溫度分別達到2 647.88 ℃、2 948.92 ℃和2 755.02 ℃，均遠高于材料熔點，可以保證熔覆材料和基體的冶金結合。對稱往復熔覆路徑下熔覆過程溫度場分布更為均勻。

(2)熔覆涂層冷卻至室溫后，路徑a、b、c熔覆涂層表面最大殘余應力分別為948 MPa、970 MPa和884 MPa，且在裂紋產生區域由于拉應力的釋放，產生了殘余應力較低的區域。

(3)3種熔覆路徑熔覆涂層表面均產生裂紋，裂紋擴展距離分別為51 mm、79 mm和37 mm，對稱往復熔覆路徑裂紋產生最少且裂紋擴展距離最短，相比之下取得了最好的熔覆結果，與激光熔覆試驗結果較為吻合。