工艺参数及扫描策略对模具钢熔覆层表面性能的影响研究

作     者：王旭旭 

作者单位：长春大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵昌龙

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光熔覆 有限元仿真 扫描策略 残余应力 

摘      要：随着社会科学技术的进步,我国已经成为一个制造强国。制造业不仅给人类带来了大量的经济财富,同时地球上的资源也被大量开采,随着产品的使用势必会产生大量的工业废弃物。绿色再制造工程是先进制造技术与产业化生产相结合,用来修复、改造损耗零件的一系列技术措施或活动的总称,从而获得具有耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等优良特性的产品,减少资源的浪费。激光熔覆修复就是目前所采用的一种集制造与修复一体的新型技术。激光熔覆技术是选用高能量密度的激光束作为热源,通过照射基体表面,以不同的送粉方式将金属粉末熔融沉积与工件表层冶金结合,获得良好使用性能的熔覆层。激光熔覆技术大部分被用于零件表面改性、产品修复以及增材制造等领域,可对工件表层裂纹进行修复,恢复磨损零件的外形尺寸和物理性能,满足不同工况下零件所应具备的性能,使产品物理特性加以改善,可延长其使用寿命。目前,激光熔覆技术已广泛应用于航空航天、工业制造、能源化工等众多领域,具有良好的应用前景。在此背景下,本文选用H13模具钢作为基体材料,搭配Ni60A自熔性合金粉末,进行激光熔覆数值模拟试验研究,具体研究内容如下:(1)根据现有文献及参考资料,建立激光熔覆三维瞬态数值模型,对基体及熔覆材料热物理性能参数进行参数计算,得出材料熔点及随温度变化的热物理数值。(2)设计三因素三水平正交试验(激光功率、扫描速度、光斑直径),基于上述9组工艺参数,利用ANSYS APDL模块对激光熔覆试验进行数值模拟,提取熔覆过程在熔池中心温度,确定是否达到材料熔点。将温度场结果载入应力场进行求解,定义沿扫描方向上的路径,提取熔覆层与基体结合区节点沿路径方向上应力的变化情况,在保证涂层与基体良好冶金结合的基础上,根据9组参数仿真试验的最终应力均值,选取应力值最小的试验组作为最优工艺参数。(3)基于上述正交试验得出的最优工艺参数,设计不同扫描策略方案,模拟单层多道激光熔覆试验,对不同扫描路径下熔池形貌、节点时间历程曲线分析研究,将温度场求解结果载入应力场进行耦合计算分析,提取不同方向上节点随路径变化的残余应力值,依据应力最小值确定最佳扫描路径。结合单层多道扫描路径各自的优缺点设计多层多道激光熔覆路径复合扫描方式,分析激光熔覆成形时不同位置处熔池温度,探究路径叠加产生的热累积对不同深度方向上熔覆层的热影响,以最小残余应力为评价指标,确定多层多道激光熔覆时最优扫描路径方案。通过上述激光熔覆有限元仿真结果,确定优化后的工艺参数:激光功率800W,扫描速度10mm/s,光斑直径2mm;在单层多道熔覆仿真试验中,采用短路径扫描方式进行激光成形时,基体与熔覆材料结合区应力值为最小值;进行多层多道激光熔覆堆积试验时,选用短路径+螺旋复合的扫描方式得到的残余应力值最小,可分散应力分布,减小局部区域变形量。基于上述优化后的工艺参数及扫描策略可为激光熔覆修复实体实验提供一定的理论指导。