激光熔覆Inconel 718合金数值模拟研究

摘要

Inconel718合金具有抗氧化、抗辐射、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性良好等特点，用途广泛，无论直接作为高温零部件还是作为涂层合金它均表现出了优异的性能，是使用量最大的镍基高温合金。激光熔覆技术作为二次修复、表面改性技术的一种，具有清洁、高效、对基材影响小的特点，所以本文以激光熔覆718合金为研究对象，针对718合金对普通合金的表面改性以及718合金零件的修复再制造展开研究。由于激光熔覆快熔快凝、局部高热的特性所以在激光熔覆后会产生很大的应力以及变形，因此研究激光熔覆过程中的温度以及应力尤为重要，而由于熔覆过程的复杂性，很难通过实验的方法对温度和应力的分布、变化进行研究，借用计算机技术，对激光熔覆进行数值模拟，是国内外工作者的热门研究课题，并且得到了越来越广泛的应用。 本文应用ANSYS软件，采取模拟与实验结合的方法，建立了718合金预置粉末激光熔覆有限元模型，针对激光熔覆718合金表面改性的工艺参数优化及激光熔覆718合金修复再制造：单道激光熔覆温度场应力场及不同厚度薄壁件单道激光熔覆温度场应力场、温度场对熔覆层凝固的影响、多道搭接激光熔覆温度场应力场，以期为激光熔覆表面改性的工艺优化以及激光熔覆修复再制造提供理论依据。研究成果有： 针对激光熔覆718合金的表面改性： 通过温度场研究工艺参数对熔覆层质量的影响规律，并最终确定了最优参数。温度场研究结果表明：随着离焦量的增大，熔池最高温度变低，成形系数越来越大而稀释率越来越小，成形效果越来越好；随着扫描速度变大，熔池最高温度变低，同时成形系数变大而稀释率越低，成形越来越好；随着激光功率的变大，熔池最高温度越来越大，成形系数越来越小而稀释率越大，成形效果变差；最优工艺参数-离焦量15mm，扫描速度2mm/s，激光功率1300W。 针对激光熔覆修复再制造718合金： 对单道激光熔覆718合金温度场及应力场进行模拟分后。温度场结果显示：温度变化曲线可以很好的揭示激光熔覆快熔快凝的特性以及解释板材末端发生烧蚀的原因。应力场结果显示：激光熔覆后，应力主要集中于熔覆层中，等效应力数值大于屈服极限1125MPa，4mm薄板会发生明显变形，但熔覆层中基本不存在裂纹；截面处不同自定义路径上的分应力数值显示，熔覆层部位的纵向应力SZ都为拉应力，横向应力SX较为复杂，厚度方向分应力SY数值很小。 通过不同厚度薄壁件温度场应力场的数值模拟可知，基材厚度对激光熔覆718合金过程中的温度场存在较为明显的影响，随着基材厚度变大，熔池最高温度降低，热影响区尺寸变小，且成形系数变高；激光熔覆端部效应越不明显；仅从温度场数值可以得到8mm板材的加工性能优于其他厚度。从应力场数值可知，同种工艺，不同厚度薄壁件的熔覆应力差别较小；在熔覆层部位，薄板的厚度越大，等效应力数值越大；随着板材厚度的增加，熔覆层中的纵向拉应力SZ越来越大；在远离熔覆层的薄板上，厚度越大等效应力数值越小；预热对于减小激光熔覆的残余应力是极为有效的，预热后的变形量明显减小。 利用单道激光熔覆的温度场模拟结果得到冷却速度以及温度梯度，最终获得温度场对熔覆层凝固情况即微观组织、元素、性能的影响规律。结果表明：从熔覆层底部到熔覆层顶部，冷却速度越来越快，温度梯度越来越小，结晶速度越来越大；在结晶速度与温度梯度的共同作用下，熔覆层底部到熔覆层顶部的晶粒生长呈现从胞状—柱状树枝晶—等轴晶的变化规律；从熔覆层底部到熔覆层顶部，随着冷却速度的增加，Laves相的析出量越来越小；冷却速度越快，Nb的偏析越小，SR越小，但总体远大于1；在熔覆层部位不同区域的显微硬度数值变化不大。 通过对再制造多道搭接激光熔覆过程中的温度场和应力场的模拟。发现：熔覆层道与道之间温度影响明显，前一道会对后一道进行一定的预热，致使后一道的最高温度以及基板的最低温度都升高；应力最大部位处于熔覆层的搭接区域，应力数值大于1280MPa，而熔覆层中的应力数值约在1100-1280MPa之间，大于材料常温时的屈服极限，所以板材会发生明显的变形，裂纹在搭接区域出现的概率要大于熔覆层中；搭接区域横向拉应力SX较大，熔覆层部位纵向拉应力SZ较大；后道熔覆层的熔覆会明显减小前道熔覆层中的等效应力，隔道以后减弱效果会减小；通过6道熔覆层的熔覆，这种减弱效果会导致熔覆层中应力数值呈现由下而上的阶梯式变化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 激光熔覆简介

1.2.1 激光熔覆简介

1.2.2 激光熔覆工艺、组织与性能研究现状

1.3 激光熔覆数值模拟

1.3.1 现阶段激光熔覆数值模拟存在的问题

1.3.2 现阶段激光熔覆数值模拟主要研究现状

1.4 研究目的及内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

第2章 激光熔覆数值模拟基础及实验

2.1 有限元法

2.1.1 有限元法由来

2.1.2 热分析基础理论

2.1.3 应力场分析基础

2.2 软件简介以及模拟设备

2.2.1 ANSYS经典模块介绍

2.2.2 模拟设备

2.3 实验材料

2.3.1 Inconel 718合金简介

2.3.2 Inconel 718合金物性参数

2.4 实验设备及过程

2.4.1 熔覆设备及过程

2.4.2 金相观察设备及制备

2.4.3 性能检测设备及过程

第3章 激光熔覆718合金工艺优化数值模拟研究

3.1 基本原理

3.1.1 物理模型及半导体激光器激光光斑能量分布

3.1.2 温度场的计算

3.1.3 热源参数的确定

3.1.4 熔池截面及评价标准定义

3.2 结果与讨论

3.2.1 离焦量对熔池最高温度和熔池质量的影响

3.2.2 扫描速度对熔池最高温度和熔池质量的影响

3.2.3 激光功率对熔池最高温度和熔池质量的影响

3.2.4 最优工艺参数的实验验证

3.3 小结

第4章 单道激光熔覆温度场以及应力场研究

4.1 有限元模拟

4.1.1 物理模型和有限元模型

4.1.2 热源模型

4.1.3 近似处理

4.1.4 应力场计算约束

4.1.5 激光熔覆实验

4.1.6 单道熔覆温度场以及应力场验证

4.2 单道激光熔覆温度场以及应力场结果与讨论

4.2.1 不同时刻温度分布云图

4.2.2 不同位置的温度随时间的变化曲线

4.2.3 1100s时单道激光熔覆应力云图

4.2.4 单道激光熔覆不同路径下等效应力变化图

4.2.5 不同路径下不同方向分应力变化图

4.3 不同厚度薄壁件激光熔覆的温度场以及应力场

4.3.1 有限元模型

4.3.2 不同厚度薄板温度场、应力场结果与讨论

4.4 小结

第5章 激光熔覆过程中温度场对熔覆层凝固情况的影响

5.1 激光熔覆的温度场模拟

5.2 试验方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 温度场对熔覆层微观组织的影响

5.3.2 温度场对微区的Laves相及元素偏析的影响

5.3.3 不同微区的硬度分布

5.4 小结

第6章 多道搭接预置粉末激光熔覆718合金的温度场、应力场

6.1 有限元模拟

6.1.1 有限元模型

6.1.2 热源模型及近似处理

6.1.3 应力场约束

6.2 多道激光熔覆温度场及应力场结果与讨论

6.2.1 温度场的分布

6.2.2 多道激光熔覆应力场分布云图

6.2.3 熔覆层及搭接区域应力分布规律

6.2.4 熔覆过程熔覆层部位应力分布

6.2.5 熔覆层部位道与道之间影响规律

6.3 小结

结论与展望

一．结论

二．展望

参考文献

致谢

附录A 攻读研究生期间发表的学术论文