铸造铝合金激光熔覆修复工艺特性研究及应力场数值模拟

摘要

铝合金在工业中有着广泛的应用，当大型铝合金铸件在制造或者服役的过程中出现缺陷，需要对其进行修复，以适应节约型经济。激光熔覆修复技术由于有着热输入低、自动化程度高等优点，在铝合金修复上有着广阔的发展空间。本文以6mm厚ZL114A铝板为基体，采用AlSi10Mg等粉末对其进行了激光熔覆修复的工艺试验，探究了其工艺特性；同时结合数值模拟的方法，从残余应力方面对其进行了进一步的优化。
　　本文首先进行单层激光熔覆试验，探究对工艺参数对熔覆道成形尺寸的影响规律，研究发现：熔覆层高度主要受扫描速度和送粉量影响，熔覆层的深度则主要受激光功率的影响，熔覆层的宽度受激光功率、送粉量和扫描速度三者的共同的影响。随后在其基础上，对通槽结构进行了激光熔覆修复，并进行了成因分析及控制，研究发现：未熔合缺陷一方面来源于熔覆道规划不足，另一方面由于能量输入不足，对下一层重熔不足；气孔缺陷则跟材料、工艺和保护三方面有关。在真空下贮存粉末，适度降低送粉量或提高扫描速度，在充氩舱中进行修复，三方面相结合能够对气孔缺陷进行有效控制。最后对方槽结构进行了修复，实现了良好的表面成形。
　　随后对激光熔覆修复试件进行了显微组织分析。研究发现：基体与修复区界面处熔合线不平滑，呈现凹凸不平的锯齿状，同时在熔合线以下出现了局部重熔现象；修复区熔覆道内均呈柱状树枝晶向等轴晶转变规律。
　　沿三个方向对典型试件进行了显微硬度测试，发现修复区相对基体有着一定的下降，界面基体一侧存在硬度降低的热影响区。从室温拉伸的结果发现，修复试件塑性较差，热影响区处为起裂位置。当试件中存在缺陷时，性能下降明显。不同的工艺参数下，增加热输入，强度无明显变化，塑性略有下降。最优性能为267.74MPa，达到母材的92.3%。增大开槽的尺寸或增大厚度方向修复区的占比，均能一定程度提高试件塑性。最后在修复效率和性能的关系上，发现一定范围内，采用较大送粉量或者较低扫描速度有助于提高修复的效率。
　　最后采用数值模拟的方法对残余应力进行了探究，研究发现：采用自底部向上逐层扫描而不是自一侧向另一侧平行扫描有助于减小残余应力；而增加熔覆道数量，能够使残余应力有着明显的下降。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及试验方法

第3章 铝合金激光熔覆修复工艺研究

3.1 引言

3.2 铝合金粉末材料的优化选取

3.3 单层熔覆的工艺研究

3.4通槽结构修复工艺研究

3.5 方槽结构修复

3.6 本章小结

第4章 激光熔覆修复组织力学性能分析

4.1 引言

4.2 组织分析

4.3 修复试件硬度分布

4.4 力学性能分析

4.5 本章小结

第5章 铝合金激光熔覆修复应力场数值模拟

5.1 引言

5.2 模型的建立

5.3 典型温度场及应力场

5.4 扫描顺序不同对应力场的影响

5.5 修复效率不同对应力场的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢