李德英， 张 坚， 赵龙志， 邓志成
(华东交通大学 材料学院先进材料激光制造技术研究所，南昌 330013)
摘 要：建立了激光熔覆SiC/316L复合涂层有限元分析模型，采用超声振动热效应转化和施加动态边界条件相结合的方法对超声振动边界条件作近似处理，对超声辅助激光熔覆SiC/316L复合涂层的温度分布和残余应力进行分析，并分析了超声振幅和扫描速度对温度场和应力场的影响. 结果表明，随着超声振幅增大和扫描速度减小，涂层表面温度升高；超声作用下涂层残余应力有所降低，且随着超声振幅和扫描速度增大，残余应力值先减小后增大. 采用优化工艺参数进行超声熔覆试验，超声作用使涂层中各区域组织得到细化且均匀分布，有利于降低涂层中残余应力.
关键词：超声振动；激光熔覆；复合涂层；温度场；应力场
316L不锈钢是目前广泛应用的一种奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、耐高温和抗蠕变性能，因而被广泛应用于航空、航天、石油、化工、医药、交通、电子等领域[1,2]. 虽然采用激光熔覆技术可以获得耐磨、耐腐蚀、高硬度强度、高温抗氧化性能优异的涂层，但由于316L不锈钢具有导热性差和线膨胀系数大等特点，在激光熔覆局部加热和冷却条件下，涂层中易形成较大的残余应力，严重影响产品的质量和性能[3].
超声振动由于具有操作设备简单、无污染、能量消耗小等优点，且能明显改善金属凝固组织、减少内部气孔夹杂和残余应力、提高强度和塑性等，因而成为国内外分析的热点[4,5]. 分析表明，将超声振动引入激光熔覆中可以提高熔覆件质量. 王维等人[6]通过在BT20钛合金基体上添加超声振动，获得的熔覆层内部组织气孔减少，晶粒组织明显细化；邵永录等人[7]在30CrMnSi基体表面制备Ni60涂层，超声作用下的熔覆层组织均匀细小，同时耐蚀性能也明显提高. 因此，以激光熔覆SiC/316L复合涂层为分析对象，通过数值模拟分析超声振动对激光熔覆SiC/316L复合涂层温度场和应力场的影响.
1.1 有限元模型
建立激光熔覆SiC/316L复合涂层有限元分析模型，如图1所示. 模型分为涂层与基板两部分，上层涂层尺寸为40 mm×20 mm×1 mm,下层基板尺寸为45 mm×25 mm×8 mm. 涂层部分单元类型采用八节点六面体单元Solid70，网格大小为1 mm×1 mm×1 mm. 为了节省计算时间，提高计算效率，基板部分采用比较粗的网格划分，选择单元类型为Solid90. 在涂层表面建立3D热表面效应单元Surf152来施加热对流，同时在基板底部建立3D结构表面效应单元Surf154来实现超声高频扰动动态边界条件的施加.
图1 激光熔覆三维有限元模型
Fig.1 3D finite element model in laser cladding
利用ANSYS对温度场和应力场进行间接热力耦合计算，先对成形过程中温度场进行求解，然后将温度场的结果作为体载荷施加在热应力场模型上，进行应力场的分析. 由于超声振动器与基板底部采用刚性联接，应力分析时对基板底部四个端点进行约束. 采用双线性随动强化机制模拟材料非线性，同时材料服从米赛斯(Von Mises)屈服准则.
1.2 超声振动边界条件计算
考虑到激光熔覆熔池一般很小，不能像超声铸造一样直接在熔体中引入超声振动杆，而只能采用间接的方法引入超声振动. 这里将超声振动器与基板底部进行刚性联接，使超声波从基板底部导入，通过基板将超声波传递到熔池中，在激光熔覆同步送粉开始时启动超声振动器. 超声振动施加方式如图2所示[8].
图2 超声振动施加方式示意图
Fig.2 Way of adding ultrasonic vibration
超声振动会对熔体产生热效应和高频扰动，这里采用热量转化的方法来近似替代超声振动的热效应，而对于高频扰动则利用ANSYS提供的函数编辑器将超声振动函数转化为相应的动态边界条件，这样既能保证超声振动的热效应，同时又能体现超声高频振动的特性.
熔体吸收超声振动机械能产生的热量为
Q=2βIt
(1)
式中：Q为单位体积熔体吸收的热量(J/m3)；t为超声波作用时间(s)；I为超声波强度；β为超声波吸收系数.
超声振动对系统产生的压力为
P=PAcos(2πft)
(2)
式中：PA=2πfρcA(Pa)；f为超声波频率(Hz)；A为超声振幅(μm)；ρ为基板的密度(kg/m3)；c为超声波在基板中的传播速度(m/s).
超声波声强I为
(3)
熔体对超声波声压的吸收决定了超声振动热效应的大小，熔体的超声波吸收系数β可由下式得出
β=N10-15f 2
(4)
式中：N一般为小于10的系数.
超声振动的热效应对系统产生的热流密度q为
q=Q1/S
(5)
式中：Q1为单位时间熔池吸收的热量(W)；S为超声作用面积(m2).
基体材料为Q235钢，熔覆粉末为体积分数10% SiC与316L的混合粉末. 模拟计算时固定工艺参数：激光功率700 W，光斑直径1 mm，涂层厚度1 mm，超声频率20 kHz.
2.1 温度场分析
图3分别为激光熔覆SiC/316L复合涂层表面、界面结合区和基板各区域节点温度随时间变化曲线. 由图可知，在基板底部施加超声振动后，基板温度有所升高，由未加超声振动的355 K升高到434 K，温差78.8 K；同时涂层表面和界面结合区温度均比无超声振动时有所增加，但界面结合区温度增加的幅度较小，温差为76.7 K，涂层表面次之，温差为74.5 K. 这是因为超声振动连续作用于基板时，其振动能量不断被基板和熔池熔体吸收，从而转化为基板和熔体的内能，因而基板和熔体的温度均有所升高；另外由于超声振动的能量会随着传播距离的增大而不断衰减，同时超声振动的搅拌作用间接地提高了外界条件对熔池熔体的冷却作用，所以涂层表面温度升高的幅度较基板的小，且随着超声作用时间的增加，超声振动的热效应和搅拌冷却作用越来越明显，因而超声熔覆与普通熔覆的温差越来越大.
图4为超声振幅和扫描速度对SiC/316L复合涂层表面温度的影响. 随着超声振幅的增大，涂层表面温度均升高. 由图4a知，当超声振幅由4 μm增大到14 μm时，涂层表面温度由362 K升高到431 K. 这是因为在基板底部施加的超声振幅越大，超声振动的热效应越明显，转化为熔体内能的超声振动能量越大，因而涂层表面温度有所升高. 由图4b知，当扫描速度越大，涂层表面温度越低. 当扫描速度从6 mm/s增大到14 mm/s时，涂层表面温度由432 K下降到377 K，这是因为增大扫描速度，使激光作用在基板表面的时间减少，降低了熔池吸收的能量密度，同时也缩短了超声振动作用于熔池熔体的时间，减少了超声振动能转化为熔池熔体的内能.
2.2 应力场分析
为便于分析超声振动对SiC/316L复合涂层残余应力的影响，在相同激光加工参数下，取普通熔覆与超声熔覆两种情况下SiC/316L复合涂层表面沿激光扫描方向5个不同节点的残余应力值进行对比分析. 图5为超声振动熔覆与普通熔覆下涂层表面x方向残余应力，y方向残余应力和Von Mises残余应力的对比曲线. 由图可知，无论是超声振动熔覆还是普通熔覆，涂层沿x方向和Von Mises残余应力表现为拉应力，沿y方向残余应力表现为压应力. 在超声振动作用下，涂层x，y方向以及Von Mises残余应力值均比未加超声振动时有所减小. 这是因为在激光熔覆过程中，由于枝晶的交错封闭，熔覆材料熔化后冷却凝固时液体无法补充，产生了较大的拉应力，但在激光熔覆过程中施加超声振动后，超声振动的空化或机械效应打碎了由初生枝晶交错连接形成的固态结晶网，使继续凝固时液体得到补充，从而减小了枝晶间产生的拉应力. 另外，超声振动的声流作用使涂层中各区域组织成分均匀分布，有效降低了相与相之间因凝固收缩不同而产生的凝固应力；同时由前面分析可知，超声振动对熔池温度场分布具有均匀作用，在一定程度上也有利于减小涂层的残余应力. 这与文献[9]中采用小孔法对涂层进行残余应力的测试结果一致.
图3 各区域温度随时间变化曲线
Fig.3 Temperature variation curves with time
图4 超声振动参数对涂层表面温度的影响
Fig.4 Influence of ultrasonic vibration parameters on temperature of coating surface
图6为施加超声振动后，超声振幅和扫描速度对残余应力的影响. 由图6a知，随着超声振幅的增大，涂层的残余应力值先减小后增大；且在超声振幅为10 μm时，涂层的残余应力最小，其应力值为44.5 MPa. 这是因为随着超声振幅的增大，超声振动的空化和机械效应增大，对均匀熔池温度和均匀组织成分有利，残余应力降低，但是随着超声振幅继续增大，虽然超声空化和机械作用逐渐增强，但此时热效应也变得非常明显，使得枝晶组织变得较为粗大，激光熔覆过程中由于枝晶的交错封闭，阻碍了熔体的及时补充，从而产生较大的拉应力，因而残余应力反而增大. 由图6b知，随着扫描速度的升高，涂层的残余应力值先减小后增大；且在扫描速度为10 mm/s时，涂层的残余应力值最小. 在相同激光功率下施加超声振动后，当扫描速度升高时激光能量密度减小，涂层熔化区和热影响区变形小，因而残余应力有所下降. 随着扫描速度的进一步提高，涂层的残余应力值却逐渐增大. 这是因为当扫描速度较大时，熔池熔凝较快，导致超声振动对均匀熔池温度、均匀组织成分的作用时间变短，大大降低了其减小残余应力的能力.
由此可见，适当提高超声振幅和扫描速度有利于缓和涂层中的残余应力，在进行超声辅助激光熔覆试验时应合理控制超声振幅和扫描速度的大小.
图5 涂层残余应力对比
Fig.5 Contrast of coating residual stress
图6 超声振动参数对残余应力的影响
Fig.6 Influence of vibration parameters on residual stress
2.3 试验对比
试验熔覆粉末为含-100目10%(体积分数)SiC与316L的混合粉末，基板选用Q235钢，其尺寸为100 mm×100 mm×10 mm. 激光熔覆设备采用YLS-4000-CL光纤激光器，超声辅助设备采用TJS-3000智能数控超声波发生器. 超声试验中采用上述模拟优化工艺参数：超声振幅10 μm和扫描速度10 mm/s，其它工艺参数与模拟计算时一致. 采用上述工艺参数分别进行超声辅助激光熔覆和普通激光熔覆试验.
图7所示为普通熔覆与超声熔覆两种试验条件下所得的涂层微观组织[10]. 从图中可以看出，涂层主要由γ-Fe相及未熔化的SiC颗粒组成，增强相颗粒SiC大部分弥散分布在γ-Fe晶粒的晶界处，且涂层晶粒呈多种形态，包括柱状枝晶和细小的球状晶粒. 与普通熔覆的涂层微观组织(图7a)相比，施加超声振动后涂层中原本细长的柱状枝晶被打碎，晶粒变成细小的球状晶，晶粒明显得到细化，如图7b所示. 这是因为在激光熔覆过程中施加超声振动后，超声瞬时空化作用和机械效应使初生枝晶破碎从而形成细小的晶体，在声流作用下这些小晶体均匀分散到整个熔体中作为新的晶核，从而提高了熔体形核率，抑制了晶粒生长[11]；而涂层中还有部分未打碎的柱状枝晶，这可能与超声在熔体中传播时能量存在衰减有关. 同时，施加超声振动后，超声的声流效应在熔体中形成强制对流，使SiC增强相颗粒均匀弥散分布在涂层中，而普通熔覆下SiC颗粒分布的均匀性要差一些，如图7a中圆圈所示. 由此可见，施加超声振动后，其空化作用、机械效应以及声流作用使涂层中各区域组织得到均匀细化，且使增强相颗粒细化且均匀弥散分布，这有利于降低涂层中残余应力.
图7 试验所得涂层微观组织
Fig.7 Microstructure of coating from test
(1) 超声振动使基板、结合区和涂层温度均升高，且基板温度增加的幅度最大；随着超声振幅增大和扫描速度减小，涂层表面温度均升高.
(2) 超声振动作用下涂层表面x方向应力，y方向应力和Von Mises应力均有所降低，且随着超声振幅和扫描速度增大，涂层残余应力值先减小后增大；当超声振幅为10 μm和扫描速度为10 mm/s时，涂层的残余应力值最小.
(3) 采用优化工艺参数进行超声辅助激光熔覆试验，超声空化作用、机械效应以及声流作用使涂层中各区域组织得到细化且均匀分布.
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收稿日期：2015-05-27
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51165008)；江西省科技厅资助项目(20142BDH80004)；江西省教育厅资助项目(KJLD14040)；载运工具与装备教育部重点实验室资助项目(12JD04)
中图分类号：TG 404
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2017)05-0035-05
作者简介：李德英，女，1985年出生，硕士，实验师. 主要从事激光加工技术及宏微观数值模拟研究. 发表论文10余篇. Email: lideyingecjtu@163.com
通讯作者：赵龙志，男，博士，教授. Email: zhaolongzhi@163.com
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