模具鋼表面超聲輔助激光熔覆Ni60合金涂層的仿真與實驗分析*

李傳鈺 李金華 姚芳萍

（遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001）

隨著國民經濟的快速發展，制造業在其中的地位越來越明顯，模具制造在制造業中的地位更是舉足輕重。中國模具制造業[1?2]產量在不斷地增大，H13熱作模具鋼以其優異的綜合性能和較低廉的價格在工業生產中得到了非常廣泛的應用[3]。但是其使用環境復雜，常常會發生不同形式的失效[4]。

為了延長模具的使用壽命，有效地對失效模具進行二次利用以減少環境污染和資源浪費，常使用激光熔覆技術在模具鋼表面熔覆一層具有高硬度、高耐磨性且使用壽命長的涂層，或者對已經失效的模具進行修復強化[5]。但在激光熔覆過程中，金屬粉末急速地熔化和冷卻會產生非常大的溫度梯度和成分偏析，溫度梯度過大會使熔覆層出現裂紋[6]，成分偏析會導致熔覆層力學性能不均，從而影響熔覆質量。為了減少熔覆缺陷，科研工作者探索出了許多輔助方法，如強制冷卻輔助[7]、電磁場輔助[8]、機械振動輔助[9]和超聲輔助等。超聲輔助熔覆時，超聲振動產生的熱效應、空化效應、諧振效應會使熔覆層晶粒細化，改善元素偏析，并對裂紋、氣孔等缺陷產生抑制作用，故具有很強的應用價值[10?11]。陳琳等[12]采用超聲振動輔助激光熔覆對EA4T鋼表面進行修復，分析發現在超聲振動作用下熔覆層成形質量得到明顯提高，原來方向性較強的樹枝晶被打斷、打碎，元素偏析顯著改善；同時，施加超聲振動后熔覆層晶粒得到細化，促進Cr23C6碳化物在枝晶上析出，但并未改變熔覆層物相組成；超聲振動后熔覆層各處顯微硬度值更加均勻，平均顯微硬度提高126.2 HV0.2，熱影響區平均顯微硬度下降31.2 HV0.2。邵永錄、陳暢源等[13]利用20 kHz左右超聲振動輔助激光熔覆技術在不同基板表面制備出了熔覆層，主要分析了超聲振動對熔覆層中顯微組織的細化作用和對熔覆層中裂紋及氣孔的影響，結果表明在激光熔覆過程中施加超聲振動，能夠使熔覆層組織得到明顯的細化，也可以顯著降低熔覆層中的氣孔率，并使熔覆層裂紋得到了有效抑制。李德英[14]等利用ANSYS軟件建立了激光熔覆SiC/316L復合涂層有限元分析模型，仿真分析結果表明：當超聲振幅增大，掃描速度降低時，熔覆層表面溫度上升；在超聲振動作用下涂層的殘余應力值下降，且隨著超聲振幅和掃描速度增大，殘余應力呈先減小后增大的趨勢。

以上研究主要集中于對超聲實驗結果的表述與分析，并未對超聲作用機理與實驗結果之間的關系進行分析，本文通過COMSOL仿真軟件設置H13熱作模具鋼為基體，Ni60合金粉末為熔覆層材料，探究了不同超聲頻率對熔覆層溫度、溫度梯度的影響規律，并通過實驗分析超聲效應對熔覆層宏觀形貌和顯微組織的影響規律。

1 模型建立及邊界條件的確定

1.1 超聲振動有限元模型的建立

建立如圖1所示的激光熔覆有限元模型，熔覆層厚度為0.7 mm，基材厚度為10 mm。在本次計算中，為了提高計算效率及準確度，利用自由四面體網格對模型進行劃分，對熔覆粉末區域的網格進行了細化處理，細化處理后網格單元數為34 636個，最大網格尺寸為0.411 mm，最小單元尺寸為0.077 5 mm。

圖1 激光熔覆有限元模型

超聲引入的方式主要有兩種：一種是直接引入，即將超聲振動桿直接放入熔池內；另一種為間接引入，將超聲振子與振動板連接，將工件置于振動板上，且工件與振動板之間需要固定。考慮到本次激光熔覆模型較小，將超聲振動桿直接引入熔池不現實，所以采用間接引入的方式。為了保證超聲振動效應均勻平穩，在超聲發生器打開10 s后開啟激光器進行熔覆，熔覆結束10 s后關閉超聲發生器。超聲振動施加方式如圖2所示。

圖2 超聲振動施加方式示意圖

圖3為豎直方向溫度梯度探針分布，a、b、c這3個區域分別代表熔池、熱影響區和部分基材，自熔覆層頂開始每0.1 mm設置一個探針，熔覆層內設置探針7個，熔池、熱影響區及部分基材設置探針25個。

圖3 豎直方向溫度及溫度梯度探針分布

1.2 熱源建立

為了更加貼近實際熔覆過程，本次計算采用移動高斯熱源來模擬激光光源，熱源模型如式（1）所示。

式中：emissivity為材料表面輻射率；rspot為激光光斑半徑；bm為粉末遮蔽率；plaser為激光功率；rfocus為激光光斑距離坐標原點的距離，其表達式為

式中：xfocus為光斑所在位置的x坐標，yfocus為 光斑所在位置的y坐標，其表達式如下。

式中：vlaser為激光掃描速度。

1.3 邊界條件的建立

在COMSOL軟件傳熱模塊中添加固體傳熱接口，用于高斯熱源公式與幾何模型的耦合以及溫度場的計算。在結構力學模塊中添加固體力學接口，用于與傳熱接口進行耦合并模擬模型受熱產生的熱應力。在傳熱接口下，熔覆基材會與周圍空氣之間進行熱交換，在實驗室環境中，熔覆基材外部空氣滿足外部自然對流。熔覆基材側面，即垂直于XY平面的4個面與周圍空氣之間滿足外部自然對流垂直壁熱交換，熔覆基材上表面滿足外部自然對流水平板上層熱交換。

超聲振動會產生熱效應以及高頻振動，對于熱效應，采用熱量轉化的方式，將其轉化為動態熱源；對于高頻振動，采用COMSOL軟件提供的變量編輯器將其轉化為動態邊界條件。這樣在仿真時可以體現出超聲振動的主要效應，近似在仿真中建立起超聲場。

超聲熱效應的計算公式為

式中：Q為超聲振動產生的熱效應大小，J/m3；α為超聲波的吸收系數；I為超聲波聲強；t為超聲的作用時間，s；其中 α的計算公式為

式中：N一般為1～10的數；f為超聲波的頻率，Hz；I的計算公式為

式中：PA為超聲聲壓，PA=2πfρcA，Pa；ρ為基材材料密度，kg/m3；c為超聲波在基材中的傳播速度，m/s；A為超聲波的振幅，μm。

超聲波振動發生時，會對基材部分產生壓力P,計算公式如下。

2 有限元仿真結果與分析

2.1 溫度場分析

仿真過程中基體材料為H13鋼，熔覆層材料為Ni60自熔性合金粉末，實驗基材及熔覆層粉末化學成份如表1所示。熔覆過程激光功率為1 400 W，掃描速度為3 mm/s，送粉電壓為10 V（對應送粉量為9 g/min），激光熔覆過程持續時間較短，材料溫度上升速度很快，材料熔化后會形成熔池，基材與粉末在熔池中熔化混合，最終形成力學性能更好的熔覆層。

表1 Ni60合金粉末和基體H13鋼的主要成分 (%)

圖4所示為在不同超聲頻率時熔覆層各個時間點的最高溫度，從圖中可看出，未施加超聲振動時，熔覆層最高溫度呈“水平”波浪形，施加超聲振動后，熔覆層最高溫度呈有上升趨勢的波浪形，且頻率越高上升趨勢越明顯。這是因為超聲振動產生了熱效應，根據式（5）可知，在理想狀態下，超聲熱效應產生熱量的大小與超聲頻率、超聲振幅以及超聲作用時間成正相關的趨勢，即超聲作用時間越長，產生的熱量越大，熔覆層吸收的熱量越大；在超聲作用時間相同時，超聲頻率越大熱效應產生的熱量也越大，熔覆層與基材不斷吸收熱量，從而溫度越來越高。施加超聲后，熔覆層的平均最高溫度上升，但上升過程并不是線性的，其溫度差值呈先減小后增大的趨勢，這是超聲振動不僅產生熱效應，還會產生聲流效應，聲流效應會使熔融狀態下的熔覆層產生橫流與縱流，類似“攪拌”的作用，這會加快熔覆層散熱冷卻，另外超聲一定程度上增大潤濕角(如圖5所示)，使熔覆層與空氣接觸面積增大，也會加快熔覆層的散熱冷卻，多種效應相互作用，導致熔覆層溫度呈非線性的上升趨勢。

圖4 熔覆層各時刻最高溫度

圖5 潤濕角

為了反映熔覆層及基材內部溫度及溫度梯度的變化，選擇從熔覆層頂豎直方向2.5 mm的區域設置探針點，這個區域內包括了熔覆層、熔池、熱影響區及部分基材，這樣既減少了計算量還不會影響對主要區域變化的研究。

圖6a為不同超聲頻率下熔覆層豎直方向溫度變化圖，圖6b為不同超聲頻率下豎直方向最大溫度差值圖，從圖中可看出隨著超聲頻率的增加，會使熔覆層切面縱向溫度升高，且不同頻率下溫度差值呈先增加后減小的趨勢，在距熔覆層頂0.6 mm處達到最大溫度差值203 K，之后溫度差值逐漸減小并穩定在82 K左右。這是因為超聲熱效應會產生一定的熱量使溫度上升，同時超聲振動對熔融狀態下的熔覆層產生聲流效應，在橫流與縱流的作用下產生類似“攪拌”作用加速冷卻，使得溫度差值呈先增大后減小的趨勢，當距熔覆層的距離逐漸增大，固體狀態下的基體不會產生空化效應、“攪拌”作用等，且熱量自上而下被基體逐漸吸收轉化為內能，所以溫差逐漸趨于穩定。

圖6 豎直方向溫度

2.2 溫度梯度分析

圖7為施加不同超聲頻率下熔覆層豎直方向溫度梯度變化圖，從圖7a中可知在距熔覆層頂部0.75 mm左右時，超聲熔覆比不施加超聲熔覆時溫度梯度小，且超聲頻率越大，溫度梯度越小；但在距熔覆層頂0.75～1.2 mm，超聲熔覆反而比不施加超聲熔覆溫度梯度略有增加，這個區域為基體的熱影響區，溫度梯度增加會使熱影響區“淬火”程度增加，增強H13鋼基體的強度。

從圖7b中可以看出在熔覆層內部隨著超聲頻率的增加，溫度梯度逐漸減小，且溫度梯度差值呈先減小后增大的趨勢；在界面結合處超聲熔覆較不施加超聲熔覆的溫度梯度明顯減小，由此可知在激光熔覆過程中施加超聲振動能夠有效減小熔覆層及界面結合處的溫度梯度，進而減小殘余應力，最終使熔覆層中裂紋減少。

3 實驗結果與分析

實驗所用激光器為美國IPG公司生產的YLR-3000型激光器，所用超聲波發生器為深圳太和達科技有限公司生產。

實驗采用同步送粉的方式，在實驗開始前，將H13鋼基材表面用600目金相砂紙反復打磨去除氧化層，再使用無水乙醇擦去其表面污漬。激光熔覆實驗完成后，將熔覆好的試樣用線切割機進行切割，然后依次使用200目、600目、1 000目的砂紙反復打磨，使用金相磨拋機進行拋光至沒有劃痕，將拋光好的試樣放在配比為氫氟酸∶硝酸∶水=2∶4∶7的腐蝕液中腐蝕15 s后再使用無水乙醇擦洗表面，最后用吹風機烘干。

3.1 熔覆層宏觀形貌分析

為了減小誤差，每組參數熔覆兩次，實驗工藝參數與仿真過程相同，即激光功率為1 400 W，掃描速度為3 mm/s，送粉電壓為10 V，超聲頻率為0 kHz、26 kHz、30 kHz、34 kHz、38 kHz。表2所示為不同超聲頻率時的熔覆層形貌參數，表中采用“面積法”計算稀釋率，計算公式為

表2 實驗結果

式中：η代表稀釋率；h代表熔深，mm；H代表熔高，mm。圖8為熔覆層稀釋率示意圖。

圖8 熔覆層稀釋率示意圖

從表2中可以看出，超聲頻率的改變對熔覆層宏觀形貌有一定影響，隨著超聲頻率的增大，稀釋率增大，熔覆層熔寬與熔深增大，對熔高影響較小。圖9所示為有無超聲振動時熔覆層潤濕角的變化情況，從圖9b可知施加超聲后會減小潤濕角，從而使熔寬增大，并且空化效應產生的熱量使熔池深度增大，實驗與仿真結果一致。

圖9 熔覆層潤濕角對比圖

潤濕角計算公式為

式中：cosθ為界面接觸角；αs-g為固-氣接觸面；αs-l為固-液接觸面；αl-g為液-氣接觸面。

從圖10中不同超聲頻率下的熔覆層形貌圖可看出未施加超聲的熔覆層中存在一些氣孔，施加超聲后隨著超聲頻率的增加，氣孔的數量減少，在超聲頻率為38 kHz的熔覆層中幾乎無氣泡產生，熔覆層形貌較規整，這是因為施加超聲后產生的聲流效應等會加速氣泡的運動及逸出。

圖10 熔覆層宏觀形貌圖

3.2 顯微組織分析

圖11為未施加超聲熔覆層、施加超聲頻率為30 kHz熔覆層及施加超聲頻率38 kHz的熔覆層放大3 000倍的顯微組織圖以及放大300倍的邊界圖。從圖11a中我們可以看出未施加超聲的熔覆層內部出現了許多粗大的等軸晶和樹枝晶。對無超聲振動涂層的枝晶區域（圖11a）進行點掃描發現其主要元素組成為15.4%Cr，16.8%C，13.4% Fe，17.5%Ni。Cr與C的原子比接近1:1，所以枝干組織可能是Cr3C2和γ-（Ni，Fe）固溶體；對平面晶區域進行點掃發現其主要元素組成為5.3%Cr，22.2%C，17.6% Fe，45.2%Ni，Cr的含量明顯少于枝干組織，而Ni的含量明顯增加，其他元素含量變化不大。從圖11b可以看出施加超聲頻率為30 kHz的熔覆層內部也存在少量粗大的等軸晶，以及一些細小針狀枝晶；而在圖11c中施加超聲頻率為38 kHz的熔覆層內部幾乎沒有粗大的等軸晶，且存在大量分布均勻的針狀枝晶。這是因為施加超聲后聲流效應產生的“攪拌”作用促進生長在一起的晶粒分開；且空化效應產生空化泡，空化泡形成瞬間產生的高壓會增加熔覆層的整體過冷度，過冷度增加使得涂層結晶力增大，促進熔體形核，提高了形核率，從而細化組織晶粒；同時，空化泡的破裂瞬間產生的高溫使得已經形核的晶粒重新熔化，二次生長，變成更加細小的晶粒組織[15]。從圖11d、e、f中可以看出在熔覆層與基體結合處存在一條較明顯的下垂弧線，這是熔覆層與基體的分界線，表明涂層與基體之間形成了良好的冶金結合。

圖11 熔覆層顯微組織圖

為了進一步探究超聲對熔覆層顯微組織的影響，對熔覆層下部邊界處進行線掃，圖12a為未施加超聲熔覆層線掃圖，圖12b為施加超聲頻率38 kHz的熔覆層線掃圖。從圖12a中可以看出，在熔覆層下部靠近基體的部分鐵元素最多，其次是鎳元素，然后為鉻元素，在基體與熔覆層結合面處，鐵元素含量呈“斷崖式”下降的趨勢，下降速度約為300 cps/μm，元素擴散程度低，在熔覆層內鉻元素和鎳元素分布非常不均勻，存在較嚴重的元素偏析。從圖12b中可以看出，基體與熔覆層結合面處鐵元素的含量呈“梯度”下降的趨勢，下降速度約為75 cps/μm，相較于未施加超聲時鐵元素含量下降速度大大降低，說明超聲振動使得熔覆層與基體中元素擴散程度增大，形成了良好的冶金結合；熔覆層內鎳元素與鉻元素分布較均勻，元素偏析得到了明顯的改善。

圖12 熔覆層邊界線掃圖

4 結語

（1）在對H13鋼表面制備Ni60合金涂層進行有限元仿真模擬時發現：隨著超聲頻率的增加，熔覆層最高溫度呈上升趨勢，平均最高溫度差值呈先減小后增大的趨勢，且沿熔覆層切面縱向溫度呈上升趨勢，其溫度差值呈先增大后減小的趨勢，同時熔覆層內部溫度梯度逐漸減小，溫度梯度差值呈先減小后增大的趨勢。在界面結合處施加超聲振動的熔覆層較無超聲振動的熔覆層溫度梯度明顯減小，進而減小殘余應力，提升熔覆質量。

（2）在H13鋼表面制備Ni60合金涂層實驗時發現：隨著超聲頻率的增加，涂層稀釋率增大，熔覆層熔寬與熔深增大，對熔覆層熔高幾乎無影響；熔覆層氣孔數量減小，這是因為超聲振動會加速氣泡的運動和逸出，使熔覆層形貌更好，且在一定程度上減小了潤濕角。

（3）施加振動超聲后，不僅促進了晶粒分離，細化晶粒，使晶粒分布更加均勻，也促進了熔覆層與基體中的元素擴散，形成了良好的冶金結合，并熔覆層中元素分布更加均勻，改善了元素偏析。