不銹鋼表面激光熔覆鎳基合金涂層的數值模擬與試驗

王冰濤，熊宗慧，孫耀寧

(新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

激光熔覆技術是利用大功率激光器產生的高能量密度激光束輻照熔覆粉末與部分基體表面，使二者瞬間熔化并迅速凝固，而后在基體表面形成強化涂層的表面改性方法，其不僅能改變基材表面的組織，同時能改變基材表面成分[1]。通過熔覆與基材具有不同成分和性能的合金粉末，進而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、抗疲勞和抗氧化等性能[2]。激光熔覆技術是一種材料表面改性技術，而且是一種綠色加工技術，與其他表面加工技術相比[3]，激光熔覆技術具有應用范圍廣、實用性強、應用靈活等優點[4]，伴隨著激光技術的發展，激光熔覆技術廣泛應用于石油、化工、管道輸送和航空航天等行業。

激光熔覆過程是一個包含傳熱、傳質、擴散及相變等物理化學變化的復雜冶金過程[5]，激光功率、掃描速度、光斑直徑等諸多因素會對激光熔覆成型的質量產生重要影響。在再制造過程中，采用試驗方法獲得理想的工藝參數需耗費大量人力物力且試驗周期長[6]，采用計算機對激光熔覆過程進行模擬分析，獲取合適的工藝參數，結合試驗驗證結果判斷熔覆成型的質量，能夠減少試驗消耗、縮短試驗周期且具有一定的科學指導意義[7-8]，并得到了廣泛的應用[9-11]，如對不同厚度、傾斜或曲面基體[2, 12-13]的熔覆過程數值模擬等。本文利用Visual-Environment數值模擬軟件，基于高斯體熱源模型，通過改變激光功率獲得不同大小的能量密度輸入，對304不銹鋼表面激光熔覆Ni35涂層的過程進行數值模擬和試驗驗證，通過繪制重要節點的溫度-時間歷程曲線，研究了不同能量密度對熔覆層溫度云圖和熔池形態的影響，確定較為合理的能量密度參數，以期對激光熔覆再制造起到一定的指導意義。

1 數值仿真過程

1.1 幾何模型與網格劃分

根據304不銹鋼基體表面激光熔覆Ni35合金涂層的過程構建數值模擬幾何模型，如圖1所示，其中基體尺寸30 mm×24 mm×8 mm，熔覆層尺寸根據工藝參數確定，采用四邊形六面體單元對基體和熔覆層進行網格劃分。激光熔覆過程中熱源能量高度集中且移動速度迅速，為保證仿真結果的精度并提高計算效率，在熔覆層及其附近對網格進行細化，在遠離熔覆層區域逐漸增大網格尺寸。由于單道激光熔覆幾何模型具有對稱性，建立幾何模型時取模型的一半進行模擬。

圖1 激光熔覆過程的幾何模型與網格劃分Fig.1 Geometry and meshing of the laser cladding process

1.2 傳熱方程與邊界條件

激光熔覆過程中，激光熱源的加載引起工件的溫度變化，此過程是一典型的非線性瞬態熱傳導問題，其熱傳導行為可表示為[14]：

(1)

式中：ρ、C分別為材料密度和比熱容；x,y,z表示笛卡爾坐標系；kx、ky、kz依次為x、y、z方向的導熱系數，根據材料各向同性假設，有kx=ky=kz=k；T為溫度分布函數；Q為相變潛熱；t為時間。

熱輻射和熱對流是基體各表面及熔覆層與外界主要換熱方式，其邊界條件為[5]：

(2)

式中：h為復合換熱系數；T0為環境溫度，20 ℃。

1.3 熱源模型

熱源模型的選取對激光熔覆數值模擬的計算精度有很大影響[14]，雙橢球熱源、高斯面熱源及高斯體熱源是溫度場數值模擬常用的3類熱源，其中高斯體熱源與激光器能量輸入近似，可很好地描述熔覆溫度場的分布結構，是一種符合實際溫度場分布情況的熱源分布函數，其控制方程為[15]：

(3)

式中：η為激光能量吸收率，本文取0.6；P為激光功率；q(x,y,z,t)為時刻t的熱源流量；c為熱源集中系數；v為掃描速度；τ為時間修正因子。

2 試驗材料與方法

試驗所用基體材料為304不銹鋼，化學成分(質量分數，%，下同)為0.07C、1.8Mn、0.042P、0.028S、0.8Si、19Cr、10Ni，余量Fe；熔覆粉末為Ni35合金，化學成分為0.50C、12Cr、3.00Si、10.00Fe、1Mn、2B，余量Ni?；w與粉末的熱物性參數(密度、比熱、熱導率、彈性模量、泊松比)通過JMatPro軟件計算并建立相應材料數據表，其中304不銹鋼的熱物性參數選用仿真軟件自有數據庫，Ni35合金粉末的熱物性參數隨溫度的變化如圖2所示。設置激光熔覆工藝為：掃描速度為6 mm/s，光斑半徑為1 mm，激光功率分別為700、900、1100、1300 W，掃描方式為單道次掃描。采用Visual-Environment軟件對激光熔覆過程進行數值模擬，得到溫度場云圖分布和關鍵節點的時間歷程曲線。采用YLS-2000激光器在304不銹鋼基體表面制備Ni35合金涂層，在進行熔覆試驗前，將304不銹鋼基體的待熔覆表面用砂紙逐級打磨，再用丙酮清洗油污雜質等，將Ni35合金粉末置于恒溫干燥箱中烘干處理，在試驗完成以后，用線切割在涂層起止位置的中間取8 mm×8 mm金相試樣，經磨拋和王水腐蝕后用CDM-16C光學顯微鏡觀察組織。

圖2 Ni35合金粉末的熱物性參數(a)密度；(b)楊氏模量；(c)比熱；(d)熱導率；(e)泊松比Fig.2 Thermophysical parameters of the Ni35 alloy powder(a) density; (b) Young’s modulus; (c) specific heat; (d) thermal conductivity; (e) Poisson’s ratio

3 結果分析與討論

3.1 溫度場云圖與峰值溫度

在激光熔覆過程中，無論是激光功率的改變，還是掃描速度的調整，最終都是控制熔覆過程中所輸入的能量密度來獲取理想的涂層?？筛鶕?4)計算不同參數下能量密度：

(4)

式中：E為能量密度，J/mm2；P為激光功率，W；V為掃描速度，mm/s；D為光斑直徑，mm。

圖3 不同能量密度對應的熔池形態與溫度場分布云圖Fig.3 Molten pool morphologies and cloud maps of temperature field distributions corresponding to different energy densities(a) 58.33 J/mm2； (b) 75.00 J/mm2； (c) 91.67 J/mm2； (d) 108.33 J/mm2

本文通過改變激光功率來實現不同的能量密度輸入，依據圖1所示有限元模型，當激光掃描速度為6 mm/s，光斑半徑1 mm，激光功率分別為700、900、1100和1300 W時對應的能量密度分別為58.33、75.00、91.67和108.33 J/mm2。圖3所示為激光光斑從熔覆起始端移動至中部時，不同能量密度對應的熔池形態與溫度場分布云圖。由圖3可知，熔池形態和峰值溫度隨著能量密度的改變而發生變化，熔池形狀呈現出明顯的拖尾狀，激光光斑的前進方向等溫線密集且溫度梯度較大，而后方等溫線稀疏且溫度梯度較小，可見激光光斑移動前方的溫度梯度與掃描過后的溫度梯度相差十分明顯。

圖4為不同能量密度下熔池的峰值溫度。由圖4可以看出，熔池的最高溫度隨能量密度的增加而不斷增大，兩者之間近似呈線性關系。文獻[14]指出，熔池峰值溫度穩定在2400～2600 ℃比較合理，該溫度范圍內合金粉末和基體能夠形成良好的冶金結合，不會出現涂層過燒的現象，成型質量較好。當能量密度為58.33 J/mm2時，熔池峰值溫度過低，僅為1979.76 ℃，推測該能量密度下涂層與基體結合質量較差；當能量密度為91.67和108.33 J/mm2時，熔池峰值溫度分別為2880.56和3280.71 ℃，均超過了2600 ℃，推測此時可能會出現過燒現象[16]，應當避免在此能量密度下進行試驗。當能量密度為75.00 J/mm2時，熔池峰值溫度為2459.55 ℃，處于2400～2600 ℃區間范圍之內，由此可初步認為能量密度為75.00 J/mm2(激光功率為900 W)時得到的熔覆質量較好，因此本文繼續對該能量密度下熔覆過程的節點溫度-時間歷程曲線進行分析，并進行試驗驗證。

圖5 激光熔覆過程中不同節點的溫度-時間(a～c)和溫度變化率-時間(d～f)歷程曲線 (能量密度為75.00 J/mm2)(a,d)沿激光掃描方向；(b,e)沿深度方向；(c,f)沿熔池寬度方向Fig.5 Timecourse curves of temperature-time and temperature change rate-time(d-f) at different nodes during laser cladding process (energy density of 75.00 J/mm2)(a,d) along laser scanning direction; (b,e) along depth direction; (c,f) along molten pool width direction

圖4 不同能量密度對應的熔池峰值溫度Fig.4 Peak temperature of the molten pool corresponding to different energy densities

3.2 節點溫度-時間歷程曲線

當能量密度為75.00 J/mm2時，激光熔覆過程的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線如圖5所示。圖5(a, d)為距離熔覆起始端不同距離處的節點溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，由圖5可以看出，各節點的溫度-時間歷程曲線變化趨勢近乎一致。當激光光斑移動到節點時，該節點迅速升溫，激光光斑離開時，該節點溫度急劇下降。由于凝固過程中結晶潛熱的釋放，冷卻速率小于升溫速率，反映出激光熔覆急冷急熱的特點。值得注意的是，距離熔覆起始位置4 mm的節點峰值溫度稍低于其他各節點，這是由于熱源剛加載到數值模型上時，模擬過程處于非穩態階段；當熱源離開該點一段距離后，溫度場分布進入平衡的穩態階段，各節點的峰值溫度幾乎相同。另外，在整個熔覆過程中各節點在峰值溫度的滯留時間十分短暫，這有利于細晶強化，提高熔覆質量。

在溫度場分布處于穩態階段的某一位置，從涂層頂部向基體深度方向取節點a～e的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，如圖5(b, e)所示，可以看出，隨著激光光斑移動到該位置，深度方向上各節點同時急劇升溫，當激光光斑離開時同時迅速降溫，但降溫過程較升溫過程略緩慢。此外，沿深度方向各節點的溫度變化趨勢相同[17]，但各節點的峰值溫度沿深度方向依次減小，且最大冷卻速率依次降低，這是由于激光光斑輸入的能量被表面接收后以熱傳導的方式沿深度方向傳播并不斷衰減。

在涂層表面沿寬度方向從頂部中心向一側取節點，a′～e′的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線，如圖5(c, f)所示，可以看出，a′～e′節點的溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線與沿深度方向節點a～e的變化趨勢相同。節點a′距離熔池中心較近，因此溫度迅速升溫至2450 ℃附近，處于合理溫度范圍2400～2600 ℃內；節點b′和c′由于離熔池中心距離增加，所達到的峰值溫度有所降低，但均在基體和粉末的熔點(分別為1440和1080 ℃)以上；熔池區域外的節點d′和e′一同升溫，但所達到的峰值溫度更低。

3.3 試驗驗證結果

采用與數值模擬相同的工藝參數在304不銹鋼表面激光熔覆Ni35合金涂層，設置激光掃描速度為6 mm/s，光斑半徑為1 mm，激光功率分別為700、900、1100和1300 W，得到能量密度分別為58.33、75.00、91.67和108.33 J/mm2對應的涂層宏觀形貌如圖6所示。由圖6可以看出，當能量密度為58.33 J/mm2時涂層與基體結合質量差，出現了涂層剝落現象，涂層較薄，其原因是激光輸入的能量密度較小，合金粉末因所吸收的能量較少未能融化完全形成有效涂層。當能量密度為91.67和108.33 J/mm2時，涂層兩側均出現不同程度的粉末飛濺[18]，其原因為激光輸入的能量密度較大，合金粉末吸收足夠的能量而熔化，多余的能量主要通過傳導與輻射被基體吸收，導致熔寬變大，熔覆材料利用率降低。當能量密度為75.00 J/mm2時，未出現涂層剝落和涂層兩側粉末飛濺，所得涂層的宏觀形貌較為理想，因而該能量密度較為合適。

圖6 不同能量密度下Ni35涂層的宏觀形貌Fig.6 Macromorphologies of the Ni35 coatingunder different energy densities

圖7 Ni35涂層的組織分布(能量密度為75.00 J/mm2)(a)中下部；(b)中上部Fig.7 Microstructure distribution of the Ni35 coating(energy density of 75 J/mm2)(a) middle and lower part; (b) middle and upper part

對能量密度為75.00 J/mm2時的涂層進行微觀組織分析，如圖7所示。由圖7(a)可知，涂層與基體結合區主要為垂直于結合面生長的柱狀晶、其次為少量的胞狀晶，受溫度梯度與凝固速率的影響，結合區等溫線密集且冷卻速率小，晶粒生長速度大于形核速度，涂層底部幾乎無晶核。由于熔池內溫度梯度小且上表面與空氣存在熱交換，多方向性散熱，形核速率較快，因此涂層中部組織主要為胞狀晶，涂層頂部為胞狀樹枝晶和等軸晶。該能量密度下涂層與基體冶金結合良好且組織致密。

4 結論

1) 對304不銹鋼表面單道激光熔覆Ni35合金粉末進行了數值模擬。激光光斑移動過程中的溫度場分布呈彗星拖尾狀且熱源移動方向前方的溫度梯度大于后方的溫度梯度。由溫度-時間歷程曲線和溫度變化率-時間歷程曲線可知，熔池峰值溫度出現在涂層上表面中心，沿深度方向和水平方向衰減，且其升溫速率大于冷卻速率。熔池峰值溫度與激光能量密度之間近似呈線性關系。

2) 激光束的能量密度對溫度場分布和熔覆質量具有一定的影響，能量密度較小時，溫度分布云圖峰值溫度較低且涂層不能與基體達到很好的冶金結合；能量密度過大時，溫度分布云圖峰值溫度過高且涂層兩側出現粉末飛濺，粉末利用率較低。較合理的能量密度為75 J/mm2，該能量密度輸入下，模擬所得峰值溫度約為2459.55 ℃，對應的激光功率為900 W，掃描速度6 m/s，光斑半徑1 mm，該工藝參數下涂層表面宏觀質量好，涂層中下部為柱狀晶與胞狀晶，涂層中上部為胞狀樹枝晶與等軸晶，涂層組織致密且能與基體形成良好的冶金結合。