激光熔覆修复再制造技术

　　《激光熔覆修复再制造技术》：
　　1.1　激光修复技术的发展
　　激光熔覆技术是绿色加工再制造领域内重要的组成部分[1]，其通过激光束辐照熔覆粉末和基体，使熔覆粉末和基体表面薄层迅速熔化，并快速凝固形成冶金结合的表面涂层，从而显著改变和提升基体表面性能[2]。相比传统的堆焊、热喷焊、热喷涂等改性方法，激光熔覆技术具有诸多优势[3]：①热输入集中，加热速度快，热影响区较小，工件的变形较小；②激光熔覆能够实现基体与熔覆粉末的冶金结合且稀释率低，冷却速度快，修复层组织细小致密，性能优良；③熔覆粉末选择范围广泛，工艺过程可控性强。
　　激光熔覆中常用的激光器有三种：CO2激光器、Nd:YAG激光器和半导体激光器[4]。CO2激光器的输出功率较高，在激光熔覆中有着广泛的使用；Nd:YAG激光器波长较短，基体对激光吸收率高，提高了能量使用效率，其光束由光纤传输，可实现熔覆过程柔性化，工艺稳定性较好；半导体激光器的电-光转换效率高达50%[5]，熔覆效率较高，已用于多种不锈钢粉末的熔覆过程[6]。
　　熔覆粉末的添加主要分为同步送粉法和预置粉末法。预置粉末法是将待熔覆粉末预先涂覆在基体表面，之后使用激光束照射基体和预置粉末，使两者同时熔化、凝固并形成冶金结合。该方法操作简单，但不易控制基体熔化深度，容易导致稀释率过大和多道搭接时的翘曲现象[6]。同步送粉法是指在激光熔覆过程中，通过送粉器将熔覆粉末引入激光作用区。相比预置粉末法，同步送粉法的粉末添加方式简单，可灵活调控送粉参数，提高了熔覆粉末的利用效率[6]，易控制和实现自动化，是今后送粉方式的重要发展方向。
　　现今大量应用的熔覆粉末主要包括铁基、镍基、钴基等自熔性合金粉末及金属陶瓷复合粉末[7]。根据修复试样的性能要求，铁基、镍基、钴基等熔覆合金多用于耐磨、耐蚀、抗热疲劳的零件。此外，通过在金属基粉末中添加陶瓷相(WC、TiC、SiC)，可制备金属陶瓷复合粉末，可极大地提高材料的硬度、耐磨性和化学稳定性等。
　　激光热修复以激光熔凝、熔覆为理论基础，是一个远离平衡态的快速加热、快速冷却的复杂物理、化学冶金过程。自1974年Seaman获得激光熔覆工艺专利以来，激光熔凝、熔覆至今已有近四十年的研究，而激光热修复技术则是在近三十年激光熔覆充分发展的前提下逐渐得到重视，并进行了大量研究。因此，根据这一脉络，下面分别从激光熔凝、熔覆仿真模拟、铸铁表面激光熔覆改性和激光热修复工业应用等方面，对该项技术所涉及的研究基础和现状进行整理分析。
　　1.1.1　激光熔凝和熔覆过程的数学表达
　　激光光束在材料表面形成的光斑能量密度极高，形成了极小的熔池和巨大的温度梯度，用实验方法来研究热作用机制及其熔池流动和温度、应力分布十分困难，并且成本较高[8-11]。计算机技术的发展使数值模拟技术在材料领域得到了广泛的应用，为研究熔覆过程中复杂物理冶金现象提供了有效手段，同时通过对比分析可以得到优化的工艺参数配置及其影响关系，可有效节约实验费用和缩短研究周期。因此长期以来，激光能量的热作用理论研究多采用数学分析和数值模拟方法进行，并经历了从一维到三维，从导热控制的温度场到对流控制的温度场，从仅计算熔池到综合考虑粉末与激光、基体相互作用等一系列简单到复杂的过程。
　　激光热加工数学模型，在研究初期多采用移动光源条件下的导热控制模型，即在基体内部能量方程只考虑扩散项不考虑对流项，主要是因为基体热物性参数是重要的影响因素，当基体材料的导热系数较大时，基体与环境的对流影响相对来说并不显著，可以采用导热控制的数学模型；此外，当光斑简化为点热源时，熔池相对基体尺寸来说非常小，工件整体温度场的变化是研究重点，采用导热控制的数学模型不会带来太大的误差。
　　早期的模型分析受计算手段所限，以二维的解析求解为主，Jaeger[12]推导了移动热源扫描无限大表面时的温度分布解析方程，Rosenthal[13]、Carslaw和Jaeger[14]发展了该移动热源理论，对不同形状光斑在半无限大基体上的热作用给出了确定解。考虑高斯分布的移动圆形热源光斑，Cline和Anthony[15]假设几何尺度无限大、热物性参数不随温度变化，将冷却速率、熔化深度、扫描速度和激光功率联系起来，用格林函数法求解了导热方程。但当熔池深度与基体厚度相当时，基体的半无限大假设就不再成立了。为了解决这一问题，研究者们又开始发展有限厚度基体的求解方法。Pittaway[16]求解了绝热薄盘在静止和移动圆形高斯光束下的温度场，Lolov[17]采用同种热源求解了有限深度、无限宽度绝热体的线性热响应问题。国内雷剑波等[10]利用热源函数法计算了Cu合金表面激光熔凝温度场，采用瞬态有限大热源并得到了热源作用后的温升公式，对这一类公式进行积分便可以得到任意位置温度的解析解。
　　虽然解析解的意义明确，但其应用仅限于某些特殊情况，且需要进行较多假设，使其结果有可能偏离实际问题，而数值方法在一定程度上可有效弥补上述缺陷。1980年，Mazumder和Steen[18]采用数值方法求解了激光材料加工的三维传热模型，随后Chande和Mazumder[19]又对该模型进行了修正。Kou等[20]假设固液两态下材料的热物性参数为等值常数，建立了球坐标系下移动光源的准稳态三维数值模型，能量方程通过焓进行表达；Gadag等[21]借鉴前人的研究提出了三维准稳态数值模型用于模拟凝固行为。上述模型采用数值方法可以方便地处理方程的非线性项，根据不同情况分别假设热物性为常数或随温度变化，其特点是能量方程不含对流项并大多采用有限体积法进行数值求解。
　　随着大功率激光器的发展，激光束能量密度不断提高，激光能量与基体或修复层材料作用时间延长，可以获得更大的熔池尺寸和熔透深度，这在某些加工领域如激光深熔焊等方面应用较多，此时熔池的形成、发展及内部熔质的对流等现象更为人们所关心，因此以熔池作用为研究重点的熔池对流控制模型也进一步得到开发和应用。熔池内部熔质为液态金属，表面与空气接触，由于气体的黏性小，在气-液系统中气体的流动可以忽略，其界面认为是热毛细自由表面，熔池内部的液态金属在浮升力及表面张力等的驱动下形成对流，是熔池中合金混合及成分控制的主要驱动力，进而影响熔池的几何形貌及加工质量，如表面波纹、疏松和冶金结合状态等，因此在对流控制的激光熔凝、熔覆数学模型中，控制方程组中含有能量和动量方程，其中还含有对流项。
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《激光熔覆修复再制造技术》以基于激光熔覆的铸铁装备表面修复再制造研究为主要内容，采取理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，对激光再制造方法及工艺过程进行探索，解决其中涉及的关键理论和技术问题；对基材修复区、结合区等各典型区域的显微组织特性及其转变、驱动机制和工艺影响因素及其影响规律等进行研究；分析修复区结合强度及局部断裂韧性；探索激光工艺参数对基体石墨及环境相的影响机制并对工艺进行优化。基于研究成果，形成针对灰铸铁材料表面的激光熔覆修复方法和工艺，为铸件装备表面的缺陷修复和改性再制造提供理论和技术支持。

目录
序
前言
第1章　绪论1
1.1　激光修复技术的发展1
1.1.1　激光熔凝和熔覆过程的数学表达2
1.1.2　铸铁表面的激光改性研究5
1.1.3　激光热修复的应用研究5
1.2　灰铸铁装备材料性质及裂纹失效分析7
1.2.1　灰铸铁装备的材料及组织特性7
1.2.2　灰铸铁装备表面裂纹失效分析8
1.3　灰铸铁激光熔覆中石墨影响机制分析9
1.3.1　石墨对灰铸铁性能的影响9
1.3.2　激光修复过程中石墨相的行为变化12
1.3.3　石墨对激光修复质量的影响12
1.4　激光修复层结合状态研究及检测方法13
第2章　激光修复过程描述及数值分析17
2.1　激光能量热作用数学描述17
2.1.1　作用过程的热-力学模型18
2.1.2　模型热边界的优化20
2.2　激光热修复有限元模型22
2.2.1　模型的有限元离散23
2.2.2　修复粉末的动态添加25
2.2.3　基体底面的约束26
2.2.4　激光热源的描述26
2.3　修复过程的热响应规律28
2.3.1　热修复温度场29
2.3.2　热修复应力场32
第3章　灰铸铁表面的激光热修复实验研究37
3.1　灰铸铁表面激光热修复实验设计37
3.1.1　实验设备和工艺37
3.1.2　待修复基体材料38
3.1.3　修复用合金粉末40
3.2　热修复区组织特性分析40
3.2.1　修复区组织形貌40
3.2.2　石墨相形态特征46
3.3　热修复试样的断裂特性分析47
3.3.1　三点弯断试验设计47
3.3.2　试样断口形貌分析49
3.3.3　弯断载荷-位移曲线52
3.4　热修复区的阻裂行为机制53
3.4.1　修复区阻裂模型53
3.4.2　开裂方向的偏转54
第4章　激光热修复过程的影响因素研究56
4.1　激光热修复基体的尺寸效应56
4.1.1　基体长度的影响57
4.1.2　基体宽度的影响58
4.1.3　基体厚度的影响59
4.2　环境介质及作用方式的影响分析61
4.2.1　环境介质的影响61
4.2.2　作用方式的影响66
4.3　热修复工艺参数的影响分析71
4.3.1　对修复区微裂纹的影响72
4.3.2　对修复区硬度分布的影响75
第5章　激光熔覆中石墨相的行为变化研究79
5.1　结合区石墨行为及周围组织特征79
5.1.1　石墨的不同形态与聚集状态79
5.1.2　石墨生长方向对组织分布的影响81
5.2　激光熔覆中石墨相的微裂现象分析83
5.2.1　石墨相尖端裂纹的萌生83
5.2.2　石墨相模型的模拟方法84
5.2.3　石墨相模型的建立及加载85
5.2.4　石墨相区域的应力分析87
第6章　激光工艺参数对石墨及环境相的影响92
6.1　结合区石墨中碳原子的扩散行为92
6.2　扫描速度对结合区石墨行为变化的影响93
6.3　不同扫描速度下结合区石墨的形态变化96
6.4　激光功率对结合区石墨行为变化的影响101
6.4.1　激光功率对石墨温度环境的影响101
6.4.2　不同激光功率下结合区石墨的形态变化102
第7章　石墨及环境相的工艺优化研究104
7.1　激光二次扫描工艺的提出104
7.2　激光二次扫描的热力特征分析106
7.2.1　温度响应过程106
7.2.2　应力响应过程109
7.3　二次扫描中石墨及环境相的组织变化115
7.4　激光二次扫描过程中速度的影响117
7.4.1　瞬时热应力响应分析117
7.4.2　残余拉应力响应分析118
7.5　二次扫描速度对石墨及环境相的影响122
第8章　激光热修复的局部自预热策略研究125
8.1　激光局部自预热策略的提出125
8.1.1　预热策略及模型125
8.1.2　预热工艺参数126
8.2　激光局部自预热数值模拟126
8.2.1　热响应温度场分析126
8.2.2　热响应应力场分析127
8.3　激光局部自预热修复实验130
8.3.1　修复区组织形貌130
8.3.2　修复区硬度分布133
第9章　结合强度剪切测量力学特征研究135
9.1　结合强度测量方法的比较与选定135
9.1.1　不同结合强度测量方法对激光修复层的适用性135
9.1.2　结合强度剪切测量方法的选定与描述136
9.2　结合强度剪切测量方法的力学模型137
9.2.1　剪切测量方法力学模型的建立138
9.2.2　力学模型的计算结果分析140
9.3　剪切测量方法的模型优化142
9.3.1　力学模型结构的改进142
9.3.2　力学模型的改进及模拟计算142
9.3.3　优化模型的应力分析143
第10章　激光修复层结合强度测试方法设计148
10.1　修复层强度测试装置设计与制造148
10.1.1　装置设计148
10.1.2　装置模型受力分析153
10.1.3　强度测试装置加工155
10.1.4　剪切强度测量方法优化及试验分析156
10.2　结合状态微观检测与综合评价158
10.2.1　残余奥氏体158
10.2.2　马氏体160
10.2.3　石墨161
10.2.4　结合质量表征方法设计163
参考文献166