AISI316激光熔覆成形過程數值模擬研究

胡吉成

(荊州理工職業學院機械工程系, 湖北 荊州 434000)

楊廣楠

(北京理工大學機械與車輛學院, 北京 100081)

AISI316激光熔覆成形過程數值模擬研究

胡吉成

(荊州理工職業學院機械工程系, 湖北 荊州 434000)

楊廣楠

(北京理工大學機械與車輛學院, 北京 100081)

[摘要]激光熔覆成形溫度場對成形件的微觀組織和應力場有著十分重要的影響，直接決定了成形件的組織及力學性能，而利用現有設備對激光熔池及周圍溫度進行實時精確測量與控制十分困難。建立了同軸送粉式激光熔覆過程的數學解析模型和粉末溫升模型，定義了溫升臨界功率。通過熔池形態、內部對流及溫度梯度的分析，確定了激光熔覆熱源。通過激光熔覆成形過程的數值模擬，揭示了AISI316金屬粉末溫升、激光功率以及顆粒半徑之間的關系。研究表明，隨著激光功率的增大，AISI316金屬粉末溫升近似成線性關系升高。激光光斑半徑越小，金屬粉末溫升越高；粉末顆粒半徑越小，溫升臨界功率越大。溫度熱循環曲線呈鋸齒狀，AISI316金屬粉末表現出急熱急冷的特性，且越接近熔覆層表面溫度峰值越大。在熔池底部，AISI316金屬粉末溫度梯度大，而最高冷卻速率和熔點時的冷卻速度很??；隨著掃描速度的增加，熔覆層的最高溫度和最高溫度梯度降低?；念A熱可有效降低溶覆層冷卻溫度，有助于抑制裂紋生成。

[關鍵詞]激光熔覆；溫度場；數值模擬；微觀組織；工藝參數

1AISI316激光熔覆仿真模型建立

1.1粉末溫升與臨界功率

令環境溫度為Ta，粒子升溫后溫度為T，忽略重力的作用，可得粉末粒子的溫升：

(1)

AISI316物理性能參數及環境參數如下：αp=0.1，ε=0.54，ρp=7800kg/m3，Cp=500J/(kg·K)，hl=10mm，Ta=300K，H=10W/(m2·K)，rp=0.08mm， σ=5.67×10-8W/(m2·K4)，Vp=276mm/s。

從企業財務管理中存在的普遍問題來看，成本控制管理仍有不足，在不少企業管理中存在著對財務成本管理不予重視的情況，缺乏財務管理理念。落后的財務管理理念對企業管理來說，不僅存在較多的問題，財務成本管理水平低，還對企業的發展造成了制約，對企業的發展造成了直接的影響。根據相關的數據顯示，不少民營企業的管理者文化水平偏低，管理知識缺乏，管理工作經驗較少，薄弱的成本控制意識自然造成了對成本控制缺乏重視，對企業的持續發展造成了阻礙和制約。

式(1)是非線性方程，運用Matlab編制程序采用迭代法進行求解實根為T=1726.9K。改變激光功率P和激光光斑半徑r，得到不同激光功率和光斑半徑下的粉末離子溫升(見圖1)。

由圖1可知，粉末粒子的溫升隨激光功率增加近似成線性升高，且激光光斑半徑越小，粉末溫升越高。將升溫曲線斜率為1的點所對應的功率稱之為溫升臨界功率PL，其物理意義如下：當P=PL時，粉末粒子的溫度為P的值；當PPL時，粉末粒子溫度小于P的數值，且P越大粉末粒子的溫度與功率P的絕對差值越大。此外，激光光斑半徑越小，溫升臨界功率越大。

圖2所示為不同激光功率P和粉末顆粒半徑rp下的粉末粒子溫升。由圖2可知，粉末顆粒半徑越小，粉末粒子溫升越高。對比圖1和圖2，發現粉末到達基體前的溫升對激光光斑半徑更為敏感。在實際成形過程中，要注意控制激光器的功率輸出，功率輸出既不能太高以免造成粉末燒損，又不能太低造成粉末溫升不足產生飛濺。

圖1　不同光斑半徑和激光功率的粉末溫升圖　　　　　　　圖2　不同粉末顆粒半徑和激光功率的粉末溫升圖

1.2材料性能參數及熱源模型

圖3　隨溫度變化的AISI316熱物理性能參數圖

圖4　各熱源模型熔池形狀尺寸

熔覆層材料為AISI316鋼，基體材料為AISI1045鋼。在數值模擬激光熔覆過程中，要考慮材料的導熱系數、比熱容和密度，同時必須考慮固液相變潛熱問題，否則計算結果會出現很大偏差。在ANSYS平臺上，可以通過定義材料隨溫度變化的熱焓來考慮相變潛熱[5]。圖3所示為溫度場模擬時采用的材料熱物理性能參數。

在激光功率1200W、掃描速度5mm/s、激光光斑半徑1.5mm的條件下，對高斯熱源、半橢球熱源和半雙橢球熱源模型進行數值模擬。圖4為有限元模擬結果的熔池形狀尺寸，圖5為計算得出的各熱源模型熔池前后沿的溫度梯度變化情況。由圖4和圖5可知，半雙橢球熱源模型熔池前沿比較陡，而熔池后沿較為平緩，這和不同研究者觀察到的情況相同[6~8]。因此， 采用半雙橢球熱源作為激光熔覆成形過程的熱源模型。

1.3初始條件和邊界條件的設定

研究中，將參考溫度和初始溫度取值為25℃，該值為試驗過程中實測的室內溫度。在激光熔覆成形過程中，熔池與環境以及環境與周圍介質之間存在熱量傳遞，包括對流、傳導和輻射換熱。為了簡化模型，將高溫區的輻射換熱折算為總的換熱系數。采用以下公式將對流和輻射進行整合計算：

h=2.4×10-3εT1.61

(2)

式中， h為折算后的對流換熱系數，隨溫度變化。

首先在成形件上加載雙橢球體熱源載荷和粉末溫升溫度載荷，然后將總的對流換熱作為邊界條件施加在基體和熔覆層表面。

圖5　各熱源模型熔池前后沿的溫度梯度變化情況

1.4仿真模型

單個熔覆層的長、寬、高分別為30、3和1.35mm，基體部分長、寬、高分別為30、30和10mm。取模型的一半進行對稱分析，采用SOLID70單元對模型進行離散處理。圖6為單層激光熔覆分析示意圖，圖7為激光熔覆過程某時刻溫度場分布云圖。由圖7中紅色區域可以看出，數值模擬模型實現了材料的添加過程，激光束到達及掃描過的位置生成熔覆層，激光束未到達的位置則沒有熔覆層生成，該過程與實際的送粉式激光熔覆加工工藝過程相吻合。

圖6　單層激光熔覆分析示意圖　　　　　　　　　　　圖7　激光熔覆過程某時刻溫度場分布云圖

2AISI316激光熔覆瞬態溫度場計算及分析

在激光功率為2.2kW、掃描速度為4mm/s條件下進行激光單道熔覆。圖8為激光熔覆單道縱截面圖，圖9為雙橢球熱源參數調整后模擬的熔覆單道縱截面形貌與熔覆單道縱截面形貌的對比圖?？梢钥闯?，二者形狀符合良好，說明采用雙橢球體熱源及其調整后的參數的有效性，可用于下一步分析。

2.1溫度場分布特征

圖8　激光熔覆單道縱截面形貌　　　　圖9　模擬單道縱截面形貌對比

圖10所示為激光功率2.2kW、掃描速度4mm/s條件下不同位置點的溫度隨時間變化曲線。由圖10可知，溫度熱循環曲線呈鋸齒狀，表現出急熱急冷的特性且越接近熔覆層表面溫度峰值越大。單層激光熔覆起始處溫度較低易發生“邊緣塌陷”，終端處溫度則較高易導致稀釋率的增加及尺寸變形。因此，通過提高起始點處激光功率或增加激光停留時間，終端處應適當減小激光功率或提高激光掃描速度，保證熔覆層質量和性能一致性。

圖11所示為激光功率2.2kW、掃描速度4mm/s條件下熔池不同位置、溫度處于熔點時的冷卻速度。由圖11可知，從熔池底部到頂部，溫度處于熔點時的冷卻速度不斷增加，這一變化趨勢將直接影響熔覆層凝固組織的形態。圖12所示為激光功率2.2kW、掃描速度4mm/s時熔池不同位置，溫度處于熔點時的溫度梯度。由圖12可知，在熔池底部，Y方向(GY)的溫度梯度分量最大。從熔池底部到頂部，Y方向和總溫度梯度(GSUM)逐漸減小，而Z方向(GZ)的溫度梯度卻逐漸增加，X方向(GX)的溫度梯度基本不變。熔池頂部附近時，Z方向的溫度梯度逐漸超過Y方向的溫度梯度。由以上分析可得出：熔池底部冷卻速度較小，而溫度梯度很大；從熔池底部至頂部，冷卻速度逐漸變大，溫度梯度逐漸降低。

注：Tj、Tf分別表示基體和熔覆層材料熔點溫度線。圖10　不同位置點的溫度變化曲線圖

圖11　熔池不同位置、溫度處于熔點時的冷卻速度　　　　　圖12　熔池不同位置、溫度處于熔點時溫度梯度

2.2工藝參數對溫度場的影響

激光熔覆是一個急熱急冷的過程，溫度變化特性可使組織晶粒尺度細化，從而獲得優良的力學性能，但也容易導致熔覆層開裂。因此，需要研究工藝參數與溫度場之間關系，優化工藝參數以降低熔覆層開裂。

在激光功率2.2kW、掃描速度4mm/s條件下，基材分別預熱到200、400、600、800℃時A點溫度變化情況如圖13所示。整個曲線仍然呈一個鋸齒狀，且熔覆層最高溫度隨預熱溫度升高而增大。圖14所示為A點熔點時冷卻速率與預熱溫度的關系。由圖14可知，采用基材預熱的方法來減小熔覆層的冷卻速率降低裂紋傾向有一定作用，但預熱溫度不能太高，因為隨著預熱溫度的增大，基體熔深逐漸增大，稀釋率大大增加。

圖13　不同預熱溫度下A點的溫度變化曲線圖　　　　　　　　　　　圖14　A點熔點時冷卻速率與預熱溫度的關系

圖15所示為掃描速度4mm/s和不同激光功率條件下熔覆層內不同高度位置點的溫度變化曲線圖。由圖15可知，隨著激光功率的降低，從熔覆層各點溫度逐次降低。圖16所示為熔覆層表面A點在不同激光功率下的熔點時溫度梯度變化曲線。由圖16可知，點位于熔覆層表面Z方向的溫度梯度一直大于Y、X方向的溫度梯度。隨著激光功率的增大，X和Y方向的溫度梯度增大幅度很小，而Z方向的溫度梯度增幅較大，超出X和Y方向一個數量級。

圖15　激光功率對熔覆層溫度的影響　　　　　　　　　　圖16　A點熔點時溫度梯度隨功率變化曲線

圖17所示為掃描速度4mm/s時不同激光功率下不同位置溫度處于熔點時的冷卻速率變化曲線。從圖17可以看出，從熔覆層到底部，冷卻速率不斷降低，這和前面所觀察到的規律相一致?？梢钥闯?，降溫速率減小的幅度不明顯，而且激光功率過高會使熔覆層稀釋率增大，影響熔覆層性能。顯然僅通過增大激光功率來降低冷卻速率是不可取的，但實際生產中可以適當減小功率并輔以預熱的方式來降低熔覆層裂紋傾向。

圖18所示為激光功率2200W條件下熔覆層不同位置的最高溫度隨掃描速度的變化圖。圖19所示為熔覆層A、D位置最大冷卻速度和熔點時冷卻速度變化曲線圖。圖20所示為熔覆層A、C位置溫度梯度隨掃描速度的變化曲線圖。掃描速度增加時，熔覆層的最高溫度(圖18)和最高溫度梯度(圖20)降低，而熔覆層熔點附近的冷卻速度和最高冷卻速度隨掃描速度(圖19)的增大而增大。這是由于掃描速度增加時，單位時間內激光注入熔池的熱量減少，故熔覆層的最高溫度和最高溫度梯度降低，而熔覆層熔點附近的冷卻速度和最高冷卻速度隨掃描速度的增大而增大。但是，掃描速度過大易導致基體與熔覆層不良冶金結合和裂紋的出現。

圖17　熔池不同位置、溫度處于熔點時的冷卻速率　　　　　　圖18　不同掃描速度下不同位置最高溫度變化曲線

圖19　不同掃描速度下A、D位置冷卻速度變化曲線 　　　　　　　　圖20　掃描速度對熔覆層溫度梯度的影響

2.3溫度場與微觀組織分析

在激光熔覆過程中，熔池尺寸很小且熔池溫度變化劇烈，而且涉及的工藝參數又多，采用常規的溫度檢測方法，很難對熔池及其附近的溫度進行精準測量。微觀組織由溫度特征參數來決定，因而可通過激光熔覆的微觀組織結構來驗證數值模擬的正確性，同時利用數值模擬來對微觀組織進行預測。

圖21　單層激光熔覆的微觀組織結構

在AISI1045鋼上熔覆AISI316合金粉末(P=1900W、Vs=4mm/s)，其內部微觀組織如圖21所示。在熔池底部，由于基體較為強烈的冷卻作用，使得固/液界面處的溫度梯度很大，而此時的冷卻速度卻很小，故固/液界面形狀因子值很大，使得固/液界面將以穩定的平面晶形態生長，如圖21(a)所示的白亮的平面晶帶；隨著固/液界面的不斷推移，平界面失去穩定，出現胞狀晶。然后，隨著冷卻凝固速度的增加，胞晶開始呈現擇優生長，形成柱狀樹枝晶。由于熔覆層通過基體散熱，熱流方向沿垂直于基體的Y軸負方向驅使柱狀晶以外延方式生長，但由于基體晶粒取向的不同，柱狀樹枝晶的生長方向也有所不同；在熔覆層頂部，Z方向的溫度梯度超過Y方向的溫度梯度，柱狀樹枝晶的生長方向也由垂直于基體轉變為平行于激光束掃描方向(圖21(b))。通過上述分析可知，熔覆組織結構的變化規律和溫度場數值模擬得出的規律相一致，由此可驗證激光熔覆溫度場數值模擬的正確性。

在激光功率分別為1900和2500W、掃描速度為4mm/s條件下取B、C、D、E和F 5個點進行研究。由于Y方向溫度梯度在不同位置變化更為明顯，因而考察該溫度梯度下的固/液界面形狀因子K值。設到達熔點(降溫)時的時間為t1，到達最大冷卻速度的時間為t2，到達熔點時的冷卻速度為Tc、Y方向溫度梯度為GY，計算得到到達熔點時K的值(見表1)。

表1　P=1900W、Vs=4mm/s條件下凝固動力學數值

從表1可知，產生柱形樹枝晶區域節點的t1大于t2，產生胞狀晶和平面晶區域節點的t1小于t2，平面晶和胞狀晶區域的K值非常大。晶粒從液相中析出后，生長時經歷最大冷卻速度的作用，生長時間大大減小，這樣有利于形成密布排列的胞狀晶。由于晶粒析出前受到最大冷卻速度的作用，其生長時間較慢，已析出的晶粒對正要析出的晶粒會有明顯的“吸附”作用，這樣析出的晶粒就依附于已析出的晶粒生長，從而有利于柱形樹枝晶生長[9]。

通過分析可以得到如下結論：某區域節點的t1小于t2，該區域組織為胞狀晶，差值越大時為平面晶；區域節點的t1大于t2，則區域組織為柱狀樹枝晶。具體而言，當KY小于80×106℃·s/m2時，為樹枝晶；當KY大于100×106℃·s/m2時，為胞狀晶；當KY大于 190×106℃/s時，為平面晶。

3結論

1)隨著激光功率的增大，AISI316金屬粉末溫升近似成線性關系升高。激光光斑半徑越小，金屬粉末溫升越高；粉末顆粒半徑越小，溫升臨界功率越大。

2)溫度熱循環曲線呈鋸齒狀，AISI316金屬粉末表現出急熱急冷的特性，且越接近熔覆層表面溫度峰值越大。

3)在熔池底部，AISI316金屬粉末溫度梯度大，而最高冷卻速率和熔點時的冷卻速度很??；隨著掃描速度的增加，熔覆層的最高溫度和最高溫度梯度降低。

4)半雙橢球熱源適宜作為激光熔覆成形過程的熱源模型，可形成熔池前沿較陡、熔池后沿較為平緩的溫度場。

5)基材預熱可有效降低熔覆層冷卻速度，有助于抑制裂紋生成。

[參考文獻]

[1]Jouvard J M, Grevey D F, Lemoine F, et al. Continuous wave Nd:YAGlaser cladding modeling: a physical study of track creation during low power processing[J]. Journal of Laser Applications，1997，9(1):43~50.

[2]Labudovic M.A three dimensional model for direct laser metal powder deposition and rapid prototyping[J].Jouranal of Materials Science,2003，38:35~49.

[3]黃延祿,鄒德寧,梁工英,等. 送粉激光熔覆過程中熔覆軌跡及流場與溫度場的數值模擬[J].稀有金屬材料與工程,2003,32(5)：330~333.

[4]Toyserkani E.A 3D dynamic numerical approach for temperature and thermal stress distributions in multilayer laser solid freeform fabrication process[J].Optics and Lasers in Engineering，2007,45:1115~1130.

[5]Goldak J.Computer modeling of heat flow in welds[J].Metallurgical Transactions B,1986,17B(9): 587~600.

[6]Oreper G M,Szekely J. Heat and fluid flow phenomena in weld pools[J]. Fluid Mech,1984, 147:53~80.

[7]Picasso M, Hoadley A F A. Finite element simulation of laser surface treatments including convection in the melt pool[J]. Number Methods Heat Fluid Flow,1994,4:61~83.

[8]Picasso M, Marsdan C F, Wangniere J D,et al. A simple but realistic model for laser cladding[J]. Metall Mater Trans B, 1994,25(2):281~91.

[9]Kurz W,Fisher D J. Fundamentals of Solidificattion [M].Switzerland:Trans Tech Publications Ltd,1998.

[編輯]李啟棟

[引著格式]麻建中,施浩勛.浙能蘭電600MW超臨界汽輪機增效擴容改造[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(13)：42~44,53.

35 The Numerical Simulation of AISI316 in Laser Cladding Forming

Hu Jicheng(JingzhouVocationalCollegeofTechnology,Jingzhou434000)

Yang Guangnan(BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)

Abstract：The temperature field of laser cladding forming(LCF)has a very important influence on the microstructure and stress field of forming parts, and it directly determines the microstructure and mechanical properties of the of forming parts.But it is very difficult to achieve the accurate real-time measurement and control on the temperature of molten pool and it’s surrounding temperature.This paper puta forward a analytical model of coaxial powder feeding laser cladding and temperature rising model, and defines the concept of critical power of the temperature rising.Based on the analysis of the pool shape, its internal convection and temperature gradient, the most suitable heat source for laser cladding is the double ellipsoid heat source.By simulation of laser melting and laser cladding forming, the relationships among the temperature, the laser power and the radius of AISI316 are revealed.During the melting, the temperature change is tremendous.Based on the AISI316 microstructure, the relationship between processing parameters and structural properties is analyzed.

Key words：laser cladding；temperature field；numerical simulation；microstructure；technical parameter

[引著格式]胡吉成，楊廣楠.AISI316激光熔覆成形過程數值模擬研究[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(13)：35~41.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0035-07

[中圖分類號]TG174.4

[作者簡介]胡吉成(1964-)，男，講師，現主要從事機械設計方面的教學與研究工作;E-mail:568472683@qq.com。 麻建中(1972-)，男，高級工程師，現主要從事發電技術管理方面的研究工作；E-mail：majzh@landideal.com。

[基金項目]湖北省高等學校省級教學研究項目(2009359)。 杭州市科技項目(20102011A23)。

[收稿日期]2015-01-14 2014-12-25