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实验用基材为铜含量99.9%的紫铜块,尺寸为30mm×30mm×5mm。熔覆材料为Ni60合金粉末,成分见表 1。
w(C) w(B) w(Si) w(Cr) w(Fe) w(Ni) 0.007~0.011 0.030~0.040 0.035~0.050 0.150~0.170 ≤0.05 balance Table 1. Chemical composition (mass fraction) of Ni60 powder
实验装置如图 1所示,实验中采用750W的Nd:YAG脉冲激光器,激光光斑半径为0.6mm,激光脉宽为10ms,激光频率为10Hz,激光平均功率为750W,峰值功率为7500W;激光光束扫描速率为5mm/s,送粉速率为0.46g/s,基材预热温度为573K或873K。采用同轴送粉的方法,使用氩气将Ni60粉末从喷嘴吹入熔池内,喷嘴距离熔池的距离为20mm。硬度检测及磨擦磨损性能检测采用的试样通过多道熔覆制成,搭接率为33%。
图 2是根据上述工艺参量在铜表面得到的Ni60熔覆层试样。图 2a是预热温度分别为293K, 473K, 673K, 873K, 1073K时得到的单道激光熔覆试样;图 2b是预热温度为573K下的多道熔覆试样,熔覆层厚度为2mm。
实验中得到的Ni60熔覆试样经过标准金相处理后,使用王水腐蚀30s~40s后,采用ZEISS Axio Lab.A1型光学显微镜观察微观组织。
熔覆层的硬度测量采用HVS-1000型维氏显微硬度计,负载为200g,负载保持15s。
熔覆层的室温摩擦磨损性能测量采用BRUKER UTM-TriboLab型摩擦实验平台进行测试,采用点面接触式往复摩擦的方法,上摩擦副为直径为6.35mm的Si3N4陶瓷材料磨球,磨球与Ni60熔覆层进行往复摩擦,加载负载45N,往复速率10mm/s,时间3h,总距离108m。使用ASTM52100钢作为实验对比材料,测试实验均在293K(室温)下进行。采用精度为0.1mg的天平对每次试验的磨损量进行称重,计算相对磨损量,从而计算出熔覆层的耐磨性能。
在实验结果的基础上,本文中对纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆Ni60合金粉末的过程进行了有限元仿真,并结合仿真结果,对实验中获得的不同预热温度下,冷却速率、熔池形貌、裂纹产生等进行了对比分析。
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图 3为有限元模型和网格划分示意图,铜基材为30mm×30mm×5mm的长方体,熔覆层尺寸为20mm×2mm×0.5mm。为了保证计算的准确性且考虑计算时间,在靠近熔覆层的部分进行网格细化。
温度场与应力场分析过程中,采用生死单元技术模拟熔融粉末的添加:先将整个熔覆层的单元全部杀死,在求解过程中再使用APDL循环语句实现单元的再生。瞬态热分析采用solid70单元类型,应力分析采用solid185类型和双线性随动弹塑性模型计算。
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激光的能量分为两部分:一部分激光被粉末阻挡,将粉末颗粒熔化或部分熔化;另一部分激光到达基材表面,形成熔池。本文中通过将熔覆层的初始温度设为熔化温度模拟第一部分能量;通过施加体热源的方式模拟第二部分能量,因为本文中激光熔覆采用的激光脉宽为10ms,脉冲间隔为90ms,在下一激光脉冲到达熔池之前,上一脉冲引起的不均匀温度分布已经达到平衡,因此采用椭球热源模型,如图 4所示。
若采用单纯激光熔覆的方式,铜基材的初始温度Tinitial=293K;若采用预热的方式,Tinitial=573K或Tinitial=873K。
热学边界条件包括热传导、热对流和热辐射,表达式见下[16]:
式中,n为表面的法向量,h为自然对流系数(单位为W/(m2·K)),ε为斯特藩-玻尔兹曼常数(5.67×10-8J/(m-2·s·K4)),σ为材料的发射率,Qlaser为激光热源,Γ为光斑的面积,T为基材表面的温度,T0为环境温度。
将式中热对流与热辐射合并为一项,即:
式中,hc为铜的传热系数。本文中通过实验测量hc的近似值。实验过程为:采用图 1所示的实验装置,将铜块加热至1073K,测量铜块自然冷却过程中随时间变化的温度曲线,结合铜块的表面积,可以近似计算出hc随温度变化的值,结果如表 2所示。
temperature/K 293 573 673 773 873 973 1073 coefficient of heat convection/
(W·m-2·K-1)17 33.1 37.1 45.2 68.9 101.1 141.8 Table 2. Temperature vs. heat transfer coefficient of copper
考虑到对称性,还需要在对称面ABDE(见图 3a)施加绝热条件;工件的底面与石棉板接触,近似看成绝热,底面施加绝热条件。
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激光熔覆过程中残余应力产生的主要原因为:激光与材料作用产生的温度梯度引起的热应变,弹性形变、塑性形变、固态相变引起的体积变化。本文中采用热弹塑性模型计算,只考虑材料的热应变、弹性形变与塑性形变。
熔覆层材料参考温度取为熔点温度1573K,基材参考温度取为环境温度293K。激光熔覆前将铜基材加热至1073K,利用感应加热器进行缓冷,释放基材的余应力。
Ux, Uy, Uz代表位移在宽度、高度、和长度方向的分量,考虑对称性,在面ABDE(见图 3a),分别为施加位移Ux=0的约束条件。为了防止模型发生刚性移动,在A点施加Uy=0, Uz=0的位移约束条件,在B点施加Uy=0的位移约束条件,这样既不影响基材的自由膨胀,又能够防止出现残余应力非线性求解过程中出现不收敛的问题。
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模拟中采用的铜与Ni60粉末的热传导系数、比热容、线性膨胀系数、弹性模量、屈服应力随温度变化的数值,低温部分参考了参考文献[17]~参考文献[19]高温部分根据变化趋势进行了估算。根据参考值和估算值所绘制的随温度变化曲线如图 5和图 6所示。
铜的熔点约为1340K,采用参考文献[20]中的方法计算Ni60粉末的熔点约为1573K。不考虑材料密度与泊松比随温度的变化,取铜的密度为8890kg/m3,泊松比为0.31[17]。Ni60粉末的密度为7600kg/m3,泊松比为0.30[18]。残余应力计算中需要用到材料的切线模量,将其取为100MPa[21]。假设添加到铜基材上熔化的粉末是液态,在粉末凝固之前的应变对于最终的残余应力分布没有贡献,因此温度大于熔点时线性膨胀系数设为零。