基于溫度場模擬TiNiTa記憶合金涂層工藝參數選擇

李超然,回順堯,孫廣云,胡傳緒,王 通,董桂馥,

(1.大連大學物理科學與技術學院,遼寧 大連 116600;2.大連大學機械工程學院,遼寧 大連 116600)

1 引 言

鈦合金具較高強度、良好表面特性而在航天航空、石油、化工等領域得到廣泛應用[1-2],較典型的是TC4合金[3]。該合金卻因強度較低、耐磨性不好、高溫耐蝕性差等缺點限制其實際應用[4]。因此,人們嘗試采用各種表面改性技術,電鍍、磁控濺射等技術都存在一定缺點而受到限制[5]。激光熔覆技術作為一種高能、快速的表面改性技術[6],越來越受到人們的關注,尤其是基體與熔覆材料間形成冶金結合可達到最佳的表面改性效果[7]。眾所周知,對激光熔覆溫度場的研究可以再現熔覆過程,對成型制件質量的預測和改善有著極其重要的作用[8-10],也為激光熔覆工藝參數的選擇和優化提供一種便捷方法。

TiNi合金是一種智能材料,具有良好的形狀記憶效應和超彈性,特別是合金的熱彈性馬氏體相變、應力誘發馬氏體相變及馬氏體變體的自適應性部分可減輕載荷作用并通過彈性變形把部分能量吸收掉,從而阻礙塑性變形的進行并減少材料的磨損量,從而提高合金的耐磨性能。楊永強等人[11]將激光熔覆與激光表面氮化技術相結合制取TiNi-TiN梯度材料,明顯改善合金的耐磨性、耐蝕性性能。彭小敏等人[12]發現在高溫下元素鉭(Ta)生成Ta2O5的致密氧化膜,增加鈦合金的抗高溫氧化性。因此,在TC4合金表面熔覆高質量TiNiTa記憶合金涂層,可明顯改善TC4基體表面性能。而國內外研究集中在熔覆材料種類、工藝調整等方面以達到性能需求,但受到設備、人力、財力等多方面的限制阻礙熔覆技術的快速發展,至此人們將目光聚焦在模擬仿真上。Labudovic等[13]采取APDL命令流建立金屬粉末沉積過程的三維數值模型,為激光熔覆成形的溫度場分析奠定基礎；段偉等[14]在保證成形質量的前提下,通過研究激光功率、掃描速度對溫度場的影響,確定鈦合金激光熔覆過程的最佳工藝參數。至此,模擬激光熔覆過程的溫度分布可以為優化激光熔覆工藝提供理論指導。

本文基于ANSYS WORKBENCH軟件平臺、采用3D高斯熱源對激光熔覆TiNiTa記憶合金涂層過程進行溫度場模擬,通過能量密度確定激光功率、掃描速度、離焦量等工藝參數對溫度場的影響。本文選用Ti粉、Ni粉和Ta粉末作為熔覆材料,結合模擬仿真獲得最佳工藝參數,并對最佳工藝獲得的熔覆涂層微觀組織、相組成、耐蝕性進行研究。通過模擬、試驗相結合確定最佳的工藝參數,以期獲得性能優異的合金。

2 有限元建模

本文基于ANSYS-WOKRBENCH軟件模擬激光熔覆過程中溫度場變化,并編寫熱源模型APDL子程序。建立激光熔覆過程溫度場的三維有限元模型,其中包含熔覆層及基板。

2.1 模型假設和熱物性參數

激光熔覆過程溫度場的變化是一個非穩態、非線性的傳熱過程,在不影響模擬計算結果的情況下做以下必要假設:(1)材料的性質呈各向同性,當溫度在熔點以上時仍進行固態處理[15]；(2)因為激光加熱時間極短,忽略熔池內液體的流動對溫度場的影響,不考慮熔化潛熱對熔池的影響；(3)假設TiNiTa合金的各項熱物理參數不隨溫度變化,材料熱物性參數如表1所示；(4)假設室溫溫度為20 ℃且不變。

表1 TC4合金和Ti-Ni合金的熱物性參數[15-17]Tab.1 Thermophysical parameters ofTC4 alloy and Ti-Ni alloy

2.2 熱源選擇和邊界條件

采用數值模擬的方法研究激光熔覆過程,熱源模型的建立是非常重要部分,本文選用較為普遍使用的3D高斯熱源模型,在距離加熱中心任一點的熱流密度[18]:

(1)

其中,R為激光有效加熱半徑(mm)；r為熱影響范圍上某點距加熱中心的距離(mm)；η為工件對激光的吸收率；Q為激光器的輸出功率(W)。高斯熱源模型的能量分布如圖1所示,其中[18]:

圖1 高斯熱源熱流模型分布模型Fig.1 Distribution model of Gaussian heat source heat flux model

(2)

熔覆開始,工件溫度T0與環境溫度T相等(T=20 ℃)。根據文獻[19]定義其表面邊界條件。

3 數值模擬及分析

3.1 幾何模型

在激光熔覆過程中,激光束始終作用于工件的表面中部,因此只取一半進行數值模擬。基材為TC4,熔覆層為TiNiTa,基體模型尺寸為長80 mm、高3 mm、寬80 mm；熔覆層的寬度為2 mm,厚度為0.5 mm。取原點為O,設置空間坐標系,X軸的正方向為掃描路徑所在方向。由于在激光熔覆過程中涉及到網格的移動,熔覆層的溫度變化很大,所以設置每個六面體網格的寬度為0.15 mm；基體部分被分割成更大的網格,每個六面體網格的寬度為0.75 mm,幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometrical model

3.2 能量密度

在脈沖激光器的單個脈沖作用下,結合經驗及設備屬性選用正離焦,激光常用頻率為10 Hz、脈沖寬度5 ms固定不變。眾所周知,脈沖激光器可調的參數較多,若同時改變所有參數將無法對實驗結果進行比較,故在實際生產過程中首先根據設備實際生產情況確定一部分參數,然后在此基礎上改變其他工藝參數達到工藝要求。蔣三生等人[20]采用脈沖激光器在45號鋼表面熔覆Co基涂層,首先固定激光器的離焦量和掃描速度不變,然后改變脈寬、頻率、電流和功率來進行工藝優化。陶春華[21]等人在A3鋼板上熔覆Ni60涂層,首先固定激光器的脈寬和頻率,再調整其他工藝參數來確定最優工藝參數。Essam等人[22]采用Nd∶YAG脈沖激光器在低碳鋼基材合金上熔覆316L不銹鋼薄層,他們固定掃描速度為6 mm/s不變來調節其他工藝參數。趙雨等人[23]首先確定固定激光器的離焦量大小,通過不同重熔工藝參數對YCF101涂層質量的影響來確定最優工藝參數。我們在進行本文實驗前,首先亦是固定激光頻率為10 Hz、脈沖寬度5 ms不變,嘗試在不同基體上采用種類不同的粉末進行實驗。不論是在AM60B鎂合金基體上熔覆TiNi合金,還是在304不銹鋼表面激光熔覆Fe-MnSi-Cr-Ni涂層在固定上述激光頻率和脈寬的情況下通過改變其他工藝參數均可以高質量的熔覆層。

激光能量密度可以通過式(3)[21]計算:

(3)

式中,T為溫度；K為材料的熱導率；A為材料吸收率；t為時間；α是熱擴散系數。材料吸收率為0.8,利用式(3)可獲得涂層材料發生熔化和汽化的能量密度極值。當脈寬為5 ms時,TiNiTa涂層材料產生熔化和汽化的能量密度極值約為1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2。為避免熔覆材料呈現汽化現象而影響熔覆涂層的質量,固激光器的功率應介于P熔點

3.3 仿真結果與分析

3.3.1 激光功率范圍確定

本次采用的脈沖激光器能量密度由式(4)[21]決定:

(4)

其中,E為激光能量密度;D為激光光斑直徑;tp為脈寬;f為頻率大小;p為激光功率。將能量密度極值1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2分別代入(4)式中,經計算得到本次仿真的激光功率應該在60 W

圖3 不同功率時的瞬態溫度場云圖Fig.3 Transient temperature field cloud map at different power

3.3.2 工藝參數對溫度場的影響

本文通過改變能量密度的大小并采用控制變量的方法保證兩個量不變得到第三個量的大小從而確定激光功率、掃描速度和離焦量,并研究它們與最高溫度間關系。當激光掃描速度2.5 mm/s、離焦量為10 mm時,發現隨激光功率的增加溫度逐漸增大如圖4(a)所示,經過分析可知涂層表面最高溫度和激光功率兩者之間呈正相關；當離焦量為10 mm,P=120 W時,最高溫度隨掃描速度的增加而逐漸下降,如圖4(b)所示。當P=120 W,掃描速度V=2.5 mm/s時,離焦量對溫度的影響如圖4(c)所示。從圖4(c)可看出,當離焦量從8.5 mm增到15.5 mm時(光斑直徑從1.2 mm增到1.5 mm),熔池的最高溫度從3260 ℃降到1720 ℃,該溫度區間正好位于涂層TiNiTa形狀記憶合金的熔點和沸點之間。在頻率不變的情況下,通過離焦量的大小確定光斑直徑,根據式(5)[23]計算得到掃描速度范圍為1.33～2.5 mm/s:

圖4 激光功率、掃描速度及離焦量對激光束中心的最高溫度的影響Fig.4 The effect of lasers power,scanning speedand defocus length on the maximum temperatureat the center of the laser beam

(5)

其中,R代表光斑半徑,f代表激光器的頻率。根據上述分析,通過模擬溫度場變化確定激光熔覆TiNiTa記憶合金涂層的工藝參數范圍:離焦量為8.5～15.5 mm；激光功率為60 W

3.4 溫度場云圖

當激光功率為100 W、掃描速度為2.5 mm/s、離焦量為10 mm、脈寬為5 ms、頻率為10 Hz時,XOZ面瞬態溫度場分布如圖5所示,隨時間增加溫度場分布具有相似規律；熱源中心處溫度最高、熱影響區越大,隨距中心處距離的增加而降低；受光斑快速移動影響,熔池前部溫度梯度較大而尾部較小；等溫場呈勺狀形狀,分析得到此時熔覆面溫度場最高溫度為2560 ℃,此時熔覆層與基板形成良好的冶金結合。

圖5 瞬態溫度場云圖Fig.5 The transient temperature contours

4 驗證試驗

試驗TC4基板經回火處理后切割成80 mm×80 mm×3 mm的長方體形狀備用,熔覆粉末采用純度為99.99 %、粒度為5 μm的Ti、Ni、Ta粉。熔覆層的制備流程:粉末配制-預處理-預置粉末-激光熔覆-性能檢測。用光學顯微鏡對熔覆層形貌進行觀測;利用RigaKuD/Max-UItima X射線衍射儀分析技術確定其結構,Co靶Ka衍射；采用CS-Studio5電化學工作站對基板和熔覆層進行腐蝕特性測試,腐蝕溶液為濃度5 %的NaCl溶液,測試樣品的工作面積為1 cm2。CS-Studio5電化學站工作時的掃描速度為0.0 5mV/s、頻率為1 Hz、掃描電位從-0.5～2 V。

當脈寬5 ms、頻率10 Hz時,從式(3)計算得到的能量密度極值1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2間取7個數值,再求解得到激光功率、掃描速度、離焦量等工藝參數。結果發現當能量密度1698 J/mm2,即工藝參數為激光功率100 W、掃描速度2.5 mm/s、離焦量10 mm、脈寬5 ms、頻率10 Hz時涂層的質量和腐蝕性能最好。宏觀和微觀形態如圖6所示。熔覆層平整,寬度較均勻,平行于掃描方向的熔覆層微觀形貌如圖6(b)所示,從圖可以看出基體與熔覆層之間呈現冶金結合狀態。結果表明,此時熔覆層的表面質量較高。

圖6 TiNiTa熔覆層的形貌Fig.6 Macromorphology and microstructure of TiNiTa cladding layer

圖7為熔覆層室溫XRD衍射圖譜。從圖中看出,熔覆層主要由具有立方結構的B2母相和具有單斜結構的B19′馬氏體相及同為立方晶系的Ti2Ni相組成,具備形狀記憶效應。

圖7 室溫下的熔覆層X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction pattern of laser claddinglayer at room temperature

對基體和熔覆層進行腐蝕性能測試,極化曲線如圖8所示。從圖中可看出,熔覆層的極化電位比基體高220 mV,腐蝕電流密度比基體高,從而可確定熔覆層的極化度明顯高于基體。眾所周知,極化電位越負,表明金屬越易轉變為離子進入溶液,越不易耐腐蝕。因此,采用此工藝參數獲得的熔覆層耐蝕性明顯高于基體TC4鈦合金。

圖8 基體和熔覆層的極化曲線圖Fig.8 Polarization curves of matrix and cladding layer

5 結 論

(1)通過模擬與實驗相結合,成功確定制備高質量TiNiTa記憶合金熔覆層,宏觀和微觀形貌觀察發現界面結合平整、表面沒有變形且無缺陷,二者間形成冶金結合。最佳工藝參數:激光功率100 W、掃描速度2.5 mm/s、離焦距離10 mm、脈寬5 ms、頻率10 Hz。此時能量密度為1698 J/mm2。

(2)XRD分析表明,熔覆層由具有立方結構B2母相、單斜結構B19′馬氏體相和立方晶系Ti2Ni相組成,具備形狀記憶效應；電化學腐蝕表明,TiNiTa記憶合熔覆層耐蝕性顯著高于基體。

(3)數值模擬結果表明,激光光斑中心的最大溫度與所采用的激光功率正相關,與離焦量和掃描速度的大小負相關。