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300m 钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层 温度场数值模拟研究
关键词:激光熔覆
2020-05-14

起落架减震支柱是飞机安全着陆的重要保障, 承受高的冲击载荷,其使用环境非常恶劣。为满足使用要求,减震支柱选用综合力学性能优良的 300m 超高强钢制造,但该材料抗磨损和耐蚀性能差,对应力腐蚀比较敏感。为了提高 300m 超高强钢表面的耐磨和耐蚀性能,传统的方法是在飞机起落架减震支柱上镀硬铬,但此方法容易产生铬层微裂纹、气密性差和易形成氢脆,且制备的涂层在飞机 服役过程中,镀层经常出现腐蚀、被划伤和脱落等 失效,导致减震支柱出现泄露和掉压等故障,会诱发高强钢减震支柱腐蚀开裂,降低其强度,影响飞 机的安全运营。一些研究者采用超音速火焰喷涂方法在减震支柱表面制备耐磨防腐蚀涂层,制备的涂层易出现剥落、剥离、起皮和裂纹等缺陷,涂层与基体结合力差。 

鉴于现有方法的不足,利用激光功率密度高、 能量精细可控、热影响区极小、形成的熔覆层组织致密、熔覆层和基体结合力强等优点, 采用方法在起落架减震支柱 300m 超高强钢材料表面制备耐磨防腐自润滑涂层,可克服涂层与基体结合力差、产生裂纹等力学性能的缺陷。 随着涂层的磨损,耐磨防腐自润滑涂层不断暴露出新的润滑剂,持续不断地为涂层表面润滑,从而使起落架减震支柱在工作时的具有减磨抗磨性能,改善了 300m 超高强钢材料的耐磨性,适于重载荷、 长时间工况下安全使用。现有研究表明,激光熔覆自润滑涂层具有硬度高、摩擦磨损性能良好的 特点,制备耐磨防腐自润滑涂层的关键环节是参数优选,保证实现耐磨和抗腐蚀材料和自润滑材料都能熔化,但又不会形成过渡熔化,进而影响熔覆层的耐磨和抗腐蚀综合性能。 本工作通过构建激光熔覆参数对耐磨防腐自润滑涂层制备的温度影响仿真模型,揭示激光熔覆速率、激光功率对制备过程温度分布及其温度随时间的变化规律。 


1 有限元仿真模型 

1.1 物理模型

有限元模型如图 1所示,基体材料为 300m 超高强钢,尺寸为20mm×10mm×5 mm,激光熔覆区域尺寸为 10mm×2mm×1mm,熔覆区域材料为钴基和镍包二硫化钼的复合材料,采用镍包二硫化钼是为了减少二硫化钼在激光熔覆过程中的氧化分解,钴基和镍包二硫化钼的质量比分别为 90%和10%,激光熔覆过程粉末的输送方式为同步送粉法。激光束扫描方向为 x 正方向。为了表征在不同区域的监测点温度随时间的变化,在图 1 的 有限元网格模型中定义了 1 个温度提取点 a。仿真模型选用三维实体 solid70 六面体八节点热单元,由于激光熔覆区域温度梯度大,该区域网格进行 了细化 , 细化的网格尺寸为0.25mm。 采用 ansys 软件的生死单元法模拟熔覆层逐渐堆积过程。在熔覆开始时刻,激光熔覆区域属于杀死单元,伴随熔覆过程的进行,激光扫描到的熔覆区域被激活。 

图 1    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层网格模型 (a)激光熔覆区域示意图;(b)激光熔覆网格模型                          图 1    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层网格模型 (a)激光熔覆区域示意图;(b)激光熔覆网格模型

图 1    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层网格模型 (a)激光熔覆区域示意图;(b)激光熔覆网格模型

激光熔覆 300m 试件形成的温度场是一个非 线性三维瞬态温度场,温度场的数值模拟均建立在 热传导微分方程基础上。对于三维瞬态温度场,其 温度场变量 t(x,y,z,t)在解域内满足如下热传导 微分方程:


式中:c 为比热容;ρ 为密度;k 为导热系数;t 为温 度;ϕ 为内热源强度(激光源热量和相变潜热);τ 为 时间;div(gradt)是温度的拉普拉斯算子。其中 c, ρ,k 为温度函数,数值随温度变化。热平衡方程的 求解是分析热传导问题的关键。对于瞬态的热传 导问题,求解上述热传导微分方程,需要初始条件 和边界条件。 激光未熔覆时,初始条件满足初始温度 t0 是 均匀,即初始温度与环境温度均为 25 ℃: 


1.2    边界条件

(1)激光辐射区域激光热源及边界条件模拟激光熔覆模型过程的工艺参数:激光热源为圆形平顶激光束,激光光斑半径为 1 mm,激光功率为1500 w,1800 w,2100 w,2400 w。每个功率参数下对应的激光扫描速率分别为 0.004  m/s,0.006 m/s,0.008 m/s,0.01 m/s。激光功率密度为:

 

式中:q 为激光功率密度;p 为激光功率;r 为激光 光斑半径;η 为基板材料对激光的吸收率。激光辐 射区域满足第二类边界条件的偏微分方程: 


image.png

式中,n 是换热表面的外法线方向。 

(2)非激光辐射区域边界条件非激光辐射区域,有边界与外界环境的对流换热。非辐射区域边界满足第三类边界条件的偏微分方程: 




式中:b 为对流换热系数;t 为基体 300m 表面边界温度,t0 为周围介质温度。基体 300m 底面与耐火砖相接触,将 300m 下表面处理为绝热状态,如式(6):



1.3    材料和热物性参数

基体 300m 超高强钢的密度为 7740 kg/m3,熔点为 1500 ℃,相变温度 ac1 值为 760 ℃,热物性参 数如表 1 所示。

表 1 300m 钢的热物性参数

表 1 300m 钢的热物性参数

二硫化钼熔点 1185 ℃,密度 4800 kg/m3 ;钴基 熔点 1495 ℃,密度 8550 kg/m3。300 m 激光熔覆材 料为钴基和镍包二硫化钼,采用混合定律式(7) 折算复合材料的热物性参数,其热物性参数如表 2 所示。 


式中:yi 为混合前材料的热物性参数;yc 为混合后 材料的热物性参数;ki 为材料 i 的质量分数。 两相复合材料的密度 ρ 为:


式中:ρ 和 w 分别为复合材料各相的密度和质量分数。

表 2 钴基和镍包二硫化钼的复合材料的热物性参数

表 2 钴基和镍包二硫化钼的复合材料的热物性参数

1.4    相变潜热的处理

激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层的相变潜热采用热焓法处理,即考虑材料的焓值时,同时应考虑发生相变时对应的相变潜热在不同温度下对温度场的影响。即当某节点的温度超过材料相变点时,ansys 可由已知的密度和比热容来计算该节点温度对应的热焓值,其中密度一般不随温度的变化,比热容是温度的函数。一般求材料的焓值可用材料的密度和比热容的乘积对时间的积分,即:




式中:∆h 为热焓;c(t)为材料的比热容。


 

2    结果分析与讨论 

2.1    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场分布

  图 2 和图 3 的激光熔覆参数为:激光功率为 2400 w、激光光斑半径为 1 mm、激光扫描速率为 4 mm/s。 


图 2    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层纵截面熔池形态图                     图 3    激光熔覆层纵截面熔池示意图

图 2    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层纵截面熔池形态图                                           图 3    激光熔覆层纵截面熔池示意图 


图2为 t = 1.5 s,激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层纵截面熔池形态图。从图2可以观察到,激光熔覆层纵截面熔池为一个勺状熔池形状,其熔池形成原理示意图如图3所示。形成纵截面熔池的过程是一个加热-冷却复杂的过程。当激光作用时,熔池中心附近称为熔化前端,由于高热量激光集中作用在熔化前端,在同步送粉过程中,激光加热粉末形成熔池,粉末形成的熔池通过热传导传递给基体金属,通过熔化的金属粉末传热等综合作用能量超过基体熔化的能量临界值,基体熔化。凝固前端为激光扫描过的区域,熔化前端的激光热量会通过熔池的换热对凝固前端传递能量补充,凝固前端通过基体的导热和与外界的换热进行能量的扩散,凝固前端能量的补充和能量的扩散有个竞争关系,当补充的能量低于能量的扩散,温度就迅速下降,下降到低于熔点就凝固,由于不同区域能量的补充和扩 散速率差异,就形成了勺状熔池。 图 4 为 t = 1.5 s,熔池横截面不同方向上的温 度梯度分布图。从图 4 可以观察到,在激光熔覆过程,x 方向的温度梯度为 1.55 × 106 ℃/m,y 方向的温度梯度为 1.79 × 106 ℃/m,z 方向的温度梯度为 4.90 × 106 ℃/m,由于激光熔覆过程快速加热,激光熔覆区域与基体温差较大,通过基体的导热和与外界的换热,使该区域温度迅速降低。导致大的温度梯度主要集中在激光熔覆区域。从图 4 可以观察到z 方向温度梯度大。

图 4    不同方向温度梯度等值线图 (a)x 方向;(b) y 方向;(c)z 方向 图 4    不同方向温度梯度等值线图 (a)x 方向;(b) y 方向;(c)z 方向图 4    不同方向温度梯度等值线图 (a)x 方向;(b) y 方向;(c)z 方向

图 4    不同方向温度梯度等值线图 (a)x 方向;(b)y 方向;(c)z 方向


2.2    激光功率变化对温度场的影响

图 5、图 6 和图 7 的激光熔覆参数为:扫描速 率为 6 mm/s、激光光斑半径为 1 mm。图 5 为不同激光功率监测点 a 温度时间历程曲线图,从图 5 可以观察到,激光功率提高,监测点峰值的温度升高。在激光熔覆到该监测点时,其温度快速上升, 在激光离开该区域,温度迅速下降,且下降速率随冷却时间的增加有降低趋势,这是因为随着冷却的进行,激光熔覆区域与基体温差逐渐减小,所以冷却速率随之减小。从图 5 还可以观察到,随激光功率的增加,冷却速率增加,这是因为导体传热存在 一定的滞后现象,随着激光功率的增加不能对基体温度产生显著影响,在相同时间内同一激光熔覆区域的能量增加,最高温度增加,熔覆区域与基材间的温差增加,冷却驱动力增加,所以最大冷却速率增加。

图 5    不同功率下同一监测点温度时间历程曲线                  图 6    激光功率对熔池纵截面高度和宽度的影响

           图 5    不同功率下同一监测点温度时间历程曲线                                       图 6    激光功率对熔池纵截面高度和宽度的影响

图 6 为不同激光功率对熔池纵截面高度和宽 度的影响图,从图 6 可以观察到,随激光功率的增加,熔池的宽度和高度均增加,且熔池高度增加速 率先降低再增加。激光熔覆的熔池高度包括同步送粉粉末被熔化的高度及其基体被熔化的高度,本工作是通过控制粉末被熔化的高度保持不变,熔化的高度变化主要体现在基体被熔化的深度,随激光功率的增加,激光熔覆的熔池高度和基体被熔化的 高度变化趋势一致。熔池高度增加率的变化主要是由于增加的激光功率作用在同步送粉的粉末上, 增加了粉末形成的熔池的温度,高温粉末通过热传导传导到基体的能量一部分被基体热扩散消耗掉, 只有部分能量被用于加热基体,当增加的能量没有 达到基体熔化能量临界值时,基体熔化高度不会改变。由于基体材料熔化需要达到熔化的能量临界 值及基体对能量的热扩散损耗等综合作用,导致激 光熔覆过程熔凝层高度增加速率随激光功率的增 加先降低后增加。当激光扫描功率为 1500 w 时, 高度为 0.87 mm,宽度为 1.36 mm;当激光扫描功率 为 2400 w 时,高度为 1.38 mm,宽度为 3.25 mm。 从图 6 可以观察到,当功率从 1800 w增加到 2100 w 时,熔池宽度比高度变化明显。 

图 7    不同功率 z 方向温度梯度等值线图                图 7    不同功率 z 方向温度梯度等值线图

图 7    不同功率 z 方向温度梯度等值线图 

图 7 为不同激光功率同一横截面 z 方向温度 梯度等值线图,从图 7 可以观察到,伴随激光功率 的增加,z 方向温度梯度逐渐增加。激光功率越 大,激光能量密度越高,激光输入能量越多。由于 激光的快速加热,能量主要集中在激光熔覆区域, 导致熔覆区域与基体的温差增加,温度梯度增大。 


2.3  激光扫描速率对温度场的影响

图 8、图 9 和图 10 的激光熔覆参数为:激光功 率为 2400 w、激光光斑半径为 1 mm。图 8 不同激 光扫描速率监测点 a 温度时间-历程曲线。从图 8 可以观察到,激光扫描速率提高,监测点峰值温度 降低。这是由于单位区域激光输入能量降低,所以 峰值点温度下降。伴随激光扫描速率的增加,最大 冷却速率有降低趋势,这是因为扫描速率增加,相 同时间内同一激光熔覆区域的能量减少,最高温度 降低,熔覆区域与基材的温差减小,冷却动力减小, 所以最大冷却速率降低。

图 8    不同激光扫描速率 a 点温度时间历程曲线                 图 9    激光熔覆扫描速率对熔池纵截面宽度和高度的影响

                                图 8    不同激光扫描速率 a 点温度时间历程曲线                   图 9    激光熔覆扫描速率对熔池纵截面宽度和高度的影响

图 9 为不同激光扫描速率对熔池纵截面高度和宽度的影响。从图 9 可以观察到,随着扫描速率的增大,熔池高度及宽度逐渐减小,随激光扫描速率的增加,降低速率先小后大。随激光扫描速率增加,单位面积上激光输入能量降低导致。降低的 熔池温度通过热传导传递的能量降低及当温度没 有降低到熔点以下熔池依然存在等综合影响,导致 熔池的高度随激光扫描速率的增加,其变化速率不同。从图 9 可以观察到,扫描速率为 4 mm/s 时,熔池高度和宽度分别为 1.52 mm、3.69 mm,增加到 10 mm/s,宽度和深度分别为 0.81 mm、2.21 mm,可 以看出扫描速率的增加对宽度影响大。 图 10 为不同激光扫描速率同一横截面 z 方向温度梯度等值线。从图 10 可以观察到,激光扫描 速率提高,温度梯度值随之减小。这是由于温度梯度的大小与空间的温度分布差值密切相关,随激光扫描速率提高,单位区域激光输入能量降低,导致激光熔覆区域总的温度降低。由于激光的快速加热和凝固,能量降低对温度的影响和速率增加对温度的均匀性降低有一个竞争关系,当温度降低对温度梯度的影响大于温度均匀性降低对温度梯度的影响时,就会出现伴随激光扫描速率的提高,温度梯度值随之减少。 


图 10    不同速率 z 方向温度梯度等值线图                   图 10    不同速率 z 方向温度梯度等值线图

图 10    不同速率 z 方向温度梯度等值线图


3  结论

(1)300m 超高强钢激光同步送粉熔化过程是粉末熔化形成的熔池通过热传导熔化基体同步进行的过程,由于基体的熔化需要传导到该区域的有效能量达到其熔化的临界值,基体的熔化高度增加率随激光功率的增加先降低然后增加,随激光扫描速率的增加先增加后降低。

(2)激光熔覆过程是熔池形成与凝固同时进行,由于不同区域的温度、冷却速率等差异,激光熔覆形成的高温熔池的纵截面为勺状熔池。

(3)随激光熔覆功率的增加,由于局部的快速升温及热传递的滞后效应综合影响,z 方向温度梯度增加。

(4)随激光扫描速率的增加,单位面积的输入能量降低,z 方向温度梯度值随之减小。



文章来源:中国知网

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