Ni60激光熔覆层残余应力的产生机制及消除方法

摘要

激光熔覆是通过将所需粉末熔化在工件表面，使涂层与工件达到冶金结合，以获得所需性能的一种技术。由于快速熔化快速凝固的工艺特点，会在零件内形成极大的残余应力，这将导致熔覆零件变形、熔覆层开裂等问题。为了更好地揭示残余应力的产生机制，有效消除残余应力产生的危害，本文利用YAG激光器在薄板件上熔覆Ni60粉末，通过实验研究建立了残余应力分布与熔覆零件变形的相关性，这种相关性的研究对揭示激光熔覆件残余应力产生机制具有重要意义。 实验通过改变激光功率、扫描速度与扫描道数等工艺参数制备样品，观察不同参数下样品的弯曲变形程度，并使用X射线衍射仪（XRD）对样品的熔覆层与基板底部进行残余应力的测试；同时使用热电偶监测熔覆过程中样品温度变化，得到温度梯度与热积累的变化，并使用激光共聚焦和扫描电子显微镜（SEM）分别观察熔池深度与熔覆层组织变化；采用热处理、重熔与扫描基板背部的方式降低残余应力，并得到了当前实验条件下最佳的工艺。实验结果表明： （1）随着激光功率、扫描道数的增加，基板的翘曲角度与熔覆层残余应力都逐渐增大，而随着扫描速度的增加，基板的翘曲角度与残余应力先降低后增加。当激光功率为1300W时，有最大的翘曲角度11.3°，熔覆层的残余应力最大，σx=576.3MPa（平行于扫描方向定义为X方向）、σy=-463.8MPa（垂直于扫描方向定义为Y方向）；当扫描道数为11时，有最大的的翘曲角度9.12°，熔覆层残余应力最大，σx=324.2MPa、σy=-311.0MPa；扫描速度为70mm/min时，有最小的翘曲角度9.12°，熔覆层残余应力最小，σx=324.2MPa、σy=-311.0MPa。 （2）X方向上的温度梯度较Y方向上的温度梯度要小，这是Y方向上发生变形的一个原因。熔覆过程中样品存在一定的热积累，随着熔覆道数的增加，热积累因子逐渐增加，但是增加量逐渐减小，且趋于平衡值；热积累越大，熔深越大；并且导致同一样品平面晶的分布范围越来越小，等轴晶的分布范围越来越大，树枝晶的分布范围也变小。 （3）热处理、重熔、激光扫描基板底部加热均可以消除样品部分残余应力，在文中实验条件下激光扫描基板底部加热具有最佳的残余应力消除效果。最佳工艺参数为扫描基板底部激光功率为450W，此时翘曲角度消除6.00°，应力消除了81.82%（X方向）、79.15%（Y方向）。较最佳热处理工艺，角度减小了1.64°，应力多消除10.45%（X方向）及9.41%（Y方向）；较最佳重熔工艺，角度减小了0.98°，应力多消除35.20%（X方向）及33.95%（Y方向）。

目录

声明

1. 绪论

1.1 引言

1.2 激光熔覆技术

1.3 激光熔覆中的残余应力

1.3.1 残余应力产生原因

1.3.2 国内外研究现状

1.3.3 残余应力的危害

1.3.4 基板变形机制

1.4 激光熔覆熔覆层残余应力的消除

1.4.1 残余应力的消除方式

1.4.2 国内外研究现状

1. 5 本文选题依据及主要研究内容

2. 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.1.1 基板材料

2.1.2 涂层材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.3.1 样品制备

2.3.2 基板温度检测

2.3.3 样品数据采集

2.3.4 残余应力的测量

2.3.5 熔池形貌的采集

2.3.6 组织结构分析

2.3.7 反射率的采集

3. 激光熔覆参数对基板变形量及残余应力的影响

3.1 激光功率的影响

3.1.1 宏观照片及样品尺寸

3.1.2 基板变形的定量化表征

3.1.3 残余应力的检测

3.2 扫描道数的影响

3.2.1 宏观照片及样品尺寸

3.2.2 基板变形的定量化表征

3.2.3 残余应力的检测

3.3 扫描速度的影响

3.3.1 宏观照片及样品尺寸

3.3.2 基板变形的定量化表征

3.3.3 残余应力的检测

3.4 粉末的影响

3.4.1 宏观照片

3.4.2 基板变形的定量化表征

3.5 本章小结

4. 激光熔覆热积累与应力、变形的相关性

4.1 温度测试结果

4.1.1 熔覆样品温度分布

4.1.2 直接加热基板样品温度分布

4.2 温度梯度的表征以及热积累的定量化

4.2.1 温度梯度的表征

4.2.2 热积累的定量化

4.3 微观形貌与热积累的关系

4.3.1 热积累对熔池深度的影响

4.3.2 热积累对组织分布的影响

4.4 本章小结

5. 残余应力的产生机制及消除

5.1 残余应力的产生机制

5.2 热处理消除残余应力

5.2.1 宏观照片及样品尺寸

5.2.2 基板变形的定量化表征

5.2.3 残余应力的检测

5.3 重熔激光扫描熔覆层消除残余应力

5.3.1 宏观照片及样品尺寸

5.3.2 基板变形的定量化表征

5.3.3 残余应力的检测

5.4 激光扫描基板底部消除残余应力

5.4.1 宏观照片及样品尺寸

5.4.2 基板变形的定量化表征

5.4.3 残余应力的检测

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位论文期间发表学术论文情况

致谢

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