1、 光学与激光技术 高功率激光熔覆 TiC NiCrBSiC复合涂层 的 温度分布和 TiC的生长动力学的数值模拟 摘要 建立了 Ti6Al4V合金高功率激光熔覆 TiC NiCrBSiC复合涂层的三维模型。从模型中可以得到熔池和基底热影响区 (HAZ)的温度分布，不同节点的温度曲线，三维形状和熔化区 TiC 的尺寸。基于熔池模拟温度曲线的动力学理论分析，解释了 TiC 颗粒的成核，生长速度，和尺寸，清晰的呈现了熔覆涂层在激光熔覆过程中的相变和微观组织演化。用 TiC 和 NiCrBSiC 的粉末混合物为熔覆材料 ，矩形 Ti6Al4V 合金为基体，以优化的工艺参数制备了稀释率低，冶金结合良好的
2、高质量 TiC NiCrBSiC 复合涂层，通过理论结果和涂层微观组织的比较分析，验证所建立模型的可靠性。结果表明，理论结果与实验例证的一致性良好。 引言 钛基合金如今被广泛的用作结构材料，如航天器，化学和海洋相关工业，这是由于他们具有极好的强度 -重量比和出色的抗腐蚀能力。然而，较弱的滑动摩擦抗力限制了他们更宽的应用。经过激光熔覆陶瓷强化的金属基体母体覆层常常铸造在钛合金表面以提高他们的耐磨性，该覆层使具有非常高 的 强度和延展性金属和 具有独特硬度和耐磨性的陶瓷相结合。为了生产 出 具有冶金结合的高质量，低 的 稀释率和最小量的空洞和裂纹的覆层，熔覆过程应该被精确控制。然而，参数（材料特征
3、，激光能量，扫描速度，被取代层的厚度）之间复杂的关系，局部化的激光能量特征以及冷却速度使得很难监测这样的过程。能够准确模拟这个过程的方法对于制造高质量的覆层具有重要价值。其中一个被广泛采用的方法是有限元模型。 在近几年，几个数学模型被提出来模拟激光熔覆过程。 Sowdari和 Majumdar 研发出了一个有限元模型来分析金属的激光加热和融化过程。激光能量对于液 -固交 界面和熔池的影响得到了说明。 Kumar和 Roy 提出了一个个模拟扫描速度、 Marangoni 量对熔池和微观结构的影响的模型。扫描速度高时，熔池体积减少，在基体附近的冷却速度在增加，微观结构也更细。 Roberts 等人
4、使用出生和死亡元技术模拟了多个覆层的温度场，发现被加热的区域经理快速的热循环。 Tan等人建立一个模型来估算该荣覆层的几何结构。通过控制扫描速度和粉末传递速率可以有效限制荣覆层的高度。 Zhu 等人发现熔池的最高温度（ 1919）是低于热动力学温度（ 1927），这是为了能够获得羟磷灰石生物陶瓷的复合覆 层。在这些文献中，这些参数的作用，例如热传导率，扫描速度，激光能量，和激光束的聚焦等这些加工特征都已经得到说明。 在本文中， 为了得到 高功率激光熔覆工艺 的 物理现象， 我们 提出了 用 三维模型 来 预测 涂层内 特定区域 的 温度分布和三维形状 与 大小。除此 此外， 为了 阐明 在 激
5、光熔覆过程中 的涂层 相变 和 微观组织的演化过程， 我们将 基于温度曲线熔池的和理论的动力学 来 分析成核，生长速度，和 TiC 颗粒的 大小 。 最后将 通过比较模拟结果与实验结果 来验证 模型 的 可靠性。 建立数学模型 我们 使用商业 有限 元分析软件（ ANSYS ver10.0） ，来计算在 高功率激光熔覆过程中 ， 随时间变化的温度分布。采用 SOLID70 单元 来实体进行网格划分，这 种划分得到 三维热传导 元素的八个节点和其在每一个节点的自由度 ，而这种 元素适用 于 稳态或瞬态热分析。 有一种生死单元 技术， 这种技术是利用 激活和停用元素 对 时间 的 依赖性 来 模拟
6、熔覆工艺。 由于 考虑 到 相变潜热， 在 热传导熔覆过程中 的 偏微分方程 7 ， 该方程是 其一般的形式表示， 例如其中的 是密度， c 热容量， 是 预置层的导热系数 ， T 是温度分布函数， Q 是相变潜热， t是时间。 样品的底面被 设 为绝热和 分配 绝热边界 传导 。 样品的 表面 部分只有 底面被 设 为与环境的对流边界。 样品 表面的边界条件 通过 该公式得出， 其中 h 是对流换热系数， oT 是环境温度 ， n 是试样表面法线方向。 为了 获得 唯一 解， 该 热传导偏微分方程 应 由牛顿 -拉夫逊法求解。 图 1 显示了这个过程的示意图。 如图所示 ，当激光束照射 到
7、预置层 的顶面 ，激光功率的一部分被反射 ， 剩余 部分被 吸收。吸收 的 功率使 预置层和 基底的薄薄一层融化 。 在 激光熔覆过程中，预置层 通过 冶金结合形成 并 包覆在基体表面。 图一 .激光熔覆过程示意图 激光熔覆过程 改变了 激光照射的表面的边界形状 并将 预置层 变为 多孔的、薄弱的材料。除了考虑 到 热传导，对流（ 在 较低的温度下的 不熔化区） 过程中的热量流失， 辐射（在熔化区接近 高 温度 时 ）也应 被 考虑到 ， 以此来得到在 激光熔覆过程中正确 的 温度分布描述。这些 因素都 大大增加模型过程 的 难度。 我们为了简化问题 ，采用了以下的假设： 整个 样品 的初始温
8、度 均 假定为 20 摄氏度 。在这个过程中，使用 高斯公式来计算 一个移动的激光束的强度分布： 其中 Po 是总的入射激光功率， 是 预置层的吸收系数， v 是激光束 ， r 扫描速度是激光束直径。 为了使问题易于处理， 这 被认为是一个单一的复合轨道。 有固定的参照系，因此这个 过程 可以看作是一个平稳过程。 将 预置层假定为 是 均质 且 各向同性 的 。混合粉末的特性计算如下【 10】： P(kf )代表的混合物 kf 的热性能。 kP 和 kf 分别是 组分的热性能和分数 。 我们引入了 吸收系数 来说明 预置层 的反射和散射所导致的激光能量损失 11-14 。它取决于表面条件 15
9、 的性质。 我们 总是 将 假定为一个常数，它的范围从 0.2 到 0.3 16 。在这个模型中， 为 0.25。 液态金属 在熔池中 的对流效应 带来的 影响 是被我们忽视的 。因 为 （ a） 热源 的 高度集中和移动（ b） 与 熔池的样品相比是 非常 小的，（ c）液体的对流速度热传导速度 相比也非常慢，因此 影响较小 17 。 温度 依赖于 热容量，在表 1 和表 2 分别 给出了覆层材料 和基底的热导率和密度 。 实验程序 使用 20mm 15mm 5mm大小的 Ti6Al4V长方体样品来当作基体。将 体积比 为 1:3 的 TiC 和 NiCrBSiC粉末混合物作为复合材料。 其
10、中NiCrBSiC 粉末 的组成为 17.0%的 cr， 3.5%的 B， 4.0%的 si， 1.0%的 C，小于 12%的 Fe（质量百分比） ， 剩余的是 Ni。混合粉末预 先 用有机粘合剂（聚乙烯醇和水） 粘 在基体表面，形成一层 0.6毫米厚 的涂层 。激光熔覆是 在 一个 5 千瓦的 二氧化碳 激光系统 中 进行。工艺参数 ： 激光功率 2500 W，扫描速度 4 毫米 /秒，激光束的直径 4.5毫米。 将 样品 切割 ， 镶嵌 ，抛光，用 HF/HNO3 =1:15 腐蚀剂腐蚀，最后 用 Quanta 200 型扫描电子显微镜观察涂层的微观结构。 4.结果与讨论 4.1 温度分布
11、的计算结果 如图 2 所示 ，在 尺寸 为 20mm 15mm 5mm 的 基体上进行 计算 。为了保证计算效率和模拟精度，沿中心线的 区域为致密网 19 剩余 的为 粗网。三维有限 元素 实体 占有 42000个单元和 47773个节点。 图 2.有限元网格模型 在图 3 中有 7 个不同的温度曲线 节点 （ 2762， 2785， 2831， 2877，2969， 3107 和 3245）。这些节点位于沿激光扫描方向 的 涂层表面。所选择的节点之间的距离和节点数差异 具有 线性 关系 。 当 激光束从起始节点 2762开始扫描时， 峰值温度增加 。 然而， 在 节点 2969， 3107和
12、 3245 上， 峰值温度和温度曲线 都 几乎是稳定的。 结果表明， 在 激光束开始照射预置层后 ， 热导率和温度分布在短距离内达到准静态。在高温期 时，拥有 更 快 的加热和冷却速率 ， 表明 了 导热系数 在较 高的温度范围 内 更有效。 图 4 显示了一 个 复合轨道的纵向截面 的 三维准稳态温度分布云图（在 0.2 秒熔覆时间 内 ）。在激光照射区域存在 较大的 温度梯度 ，样品 上的 温度等温线 呈现 半椭圆 形 。激光束的前 端相比 激光束的 末端 ， 等温线 更 密集，温度梯度较大。 由于 最大模拟温度高于金属材料的熔点， 因此 熔池 是在 激光熔覆过程中形成 的。 图 3.在不
13、同的节点温度曲线 4.2.三维形状和特定区域的大小 图 5 显示 了 基体的 复合轨道纵断面（ 熔覆 时间 2.0秒内 ） 的 温度分布 ， TiC 熔化区的三维形状，熔池和热影响区。如图 6 所示 ， 为了深入了解激光熔覆过程 中 的物理现象， 我们也 对特定路径 上 的温度分布进行了研究 。 路径的位置如下： 路径 1， 2 和 3分别 定位在纵向 截面并 通过 TIC熔化区的最深 处 ， 基体 的熔池和热影响区。如图 5a 所示 ， 路径 4 则 位于沿激光扫描方向 的 涂层表面。 根据温度分布， 可以将 三个特定区域 按 特征 分为 ： TiC熔化区，基体 熔池和热影响区。在图 5a黄
14、色部分表示 ， 在 TiC 熔点等温边界（ 3140 摄氏度 ）作为 TiC 熔化区 20 。这个区域 在 温度高于 3140摄氏度时 位于涂层的 上部 。如图 5b， 6a 和 d 所示， TiC 熔化区出现深度为 0.22毫米 且在 激光扫描方向 下长度为 1.4毫米 的凹陷 ， .这表明涂层上层的 TiC 颗粒 会 在激光照射 下 融化。图 5a 绿色的部分表示 ，在 NiCrBSi 熔点等温边界（ 1668 摄氏度 ）作为熔池。熔池 显示为 深度 为 0.76毫米 且在 激光扫描方向 长度为 2.87毫米的的半椭圆形的形状，如图 5c， 6b和 d 所表示。 熔池的深度略大于预置层的厚
15、度（ 0.6毫米）。这意味着， 融化的是 预置层和一层薄的基板（ 0.16mm）， 且基体和涂层之间的冶金结合可能是 在 激光熔覆过程中形成的。 如 图5a 绿色的部分 所示， 在熔池 中 有一个区域的温度 范围 是 16683140之间。 这 表明，在激光照射期间 ， 底层 的 TiC 颗粒部分溶解在 了 熔池。 同上 ， 我们用 钛的同素异晶转变温度等温边界（ 882）来表征 基体的 热影响区，如在图 5a 蓝色部分 所示 。 由图 5d， 6b 和 d可知，基体的 焊接热影响区的形状也 是深度为 1.35 毫米 且 激光扫描方向 长度为 4.83毫米 长的 半椭圆形的形状 。 Fig.4 4. Fig.5 4.3.模拟结果的实验验证 为了验证这个模型 的 数值计算结果 的 可靠性， 我们将 一个单一的涂层轨迹的 横截面形态在图 7呈现 。 涂层轨迹的 横截面 上的 熔池深度
