激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟

孙越 张兆林 刘欣 牛安平 杨坚 卢茂奇 韩立梅

摘要：基于ANSYS生死单元技术，建立了多层激光熔覆三维有限元分析模型，获得多层激光熔覆温度场的分布规律，同时分析预热温度对激光熔覆热循环的影响。试验结果表明，平行于热源移动方向的节点加热速度较快，降温速度缓慢;垂直于热源移动方向的节点，距离熔覆层中心越近，加热速度和冷却速度越大。y方向的结合处节点的温度梯度大于x方向的结合处节点的温度梯度;热输入保持不变时，随着预热温度的升高，加热速度变化较小，峰值温度升高，相变温度以上停留时间变长，但高温停留时间变化不大。预热温度为200 ℃时，t8/5约为未预热下的3.2倍，预热可以减小熔覆层开裂倾向，有效降低涂层应力。

关键词：激光熔覆;温度场;ANSYS生死单元;预热;残余应力

中图分类号：TG456.7      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）05-0061-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.11

0    前言

目前激光熔覆技术在表面工程、机械修复等诸多领域有着广泛的应用[1]。它是利用高能束热源同时对熔覆材料和基体表面进行加热熔化，并快速凝固，从而实现熔覆层与基体的冶金结合[2]。激光熔覆涂层的性能取决于熔覆材料，常见的熔覆材料有铁基、钴基、镍基以及陶瓷粉末等。由于熔覆過程中熔覆材料和基体材料之间存在着巨大的热物性差异，因此熔覆层制备过程中极易产生较大的残余应力，这也是导致熔覆层开裂的直接原因[3-4]，限制了激光熔覆技术的发展与应用。残余应力主要来自热应力、相变应力和拘束应力，其中热应力占据主导作用，热应力是当材料受热或冷却时因材料的温度梯度造成的。……