机械冲击对高硬熔覆层裂纹控制的研究

摘要

随着各类千瓦级激光器推向市场，激光熔覆有了高功率密度、高稳定输出的光源，成本相对降低，因此逐渐成为一种重要的再制造手段。由于激光熔覆过程中光源的高速移动、熔池的快速冷却及溶质冷却受到的拉应力等，使冷却后的熔覆层内部及表面有大量气孔、裂纹等缺陷。由于高硬粉末涂层与基材热物理参数差别大等因素，熔覆后形成的高硬涂层相比其它涂层，极易产生裂纹等缺陷。这些缺陷的存在，严重影响熔覆质量，使涂层的结合性、使用寿命等大大降低。若裂纹扩展剧烈，甚至会导致涂层脱落，工件断裂，出现工业事故。因此目前对裂纹的控制问题成为激光熔覆领域急需解决的关键问题之一。
　　本文主要从理论分析、数值模拟及实验分析三方面入手，来研究机械冲击对高硬熔覆层的裂纹控制作用，具体内容如下：
　　设计能够对激光熔覆过程中的轴类工件进行高频冲击的机械冲击装置，并分析其对熔覆层的作用，主要体现在两方面，一方面对熔池的间接振动作用，使熔覆过程中熔池热量交换速度、溶液对流程度增加及枝晶臂破碎作用增强等，从而减少组织成分偏析、枝晶粗大、晶间裂纹等现象的产生；另一方面，对已成型但仍处于高温状态下的凝固组织高频击打，其产生的压应变，使受到较大拉应力的组织塑性得以延展，减少裂纹的产生。
　　通过理论分析，探究机械冲击对熔池快速凝固过程的晶体形核率、生长速率及溶质有效分配因数、温度梯度等参数的影响，增强熔池对流、减小组织成分偏析，验证了机械冲击对熔覆层裂纹控制作用。
　　建立激光熔覆过程中加载机械冲击的数值分析模型，对不同高硬涂层，在熔覆过程中加载不同频率的机械冲击，运用热-结构耦合分析，对比不同频率下热应力情况，证明了机械冲击对熔覆层应力的有效改变。
　　制备不同材料的高硬激光熔覆层，对高硬熔覆层的表面裂纹、微观组织、屈服强度、显微硬度等进行对比分析，从实验角度分析机械冲击对熔覆层微观和宏观的组织性能的改变，探究熔覆层冷热裂纹减少的原因。