基于溫度場模擬TiNiTa記憶合金涂層工藝參數(shù)選擇

李超然,回順堯,孫廣云,胡傳緒,王 通,董桂馥,

(1.大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116600;2.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116600)

1 引 言

鈦合金具較高強(qiáng)度、良好表面特性而在航天航空、石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2],較典型的是TC4合金[3]。該合金卻因強(qiáng)度較低、耐磨性不好、高溫耐蝕性差等缺點(diǎn)限制其實(shí)際應(yīng)用[4]。因此,人們嘗試采用各種表面改性技術(shù),電鍍、磁控濺射等技術(shù)都存在一定缺點(diǎn)而受到限制[5]。激光熔覆技術(shù)作為一種高能、快速的表面改性技術(shù)[6],越來越受到人們的關(guān)注,尤其是基體與熔覆材料間形成冶金結(jié)合可達(dá)到最佳的表面改性效果[7]。眾所周知,對激光熔覆溫度場的研究可以再現(xiàn)熔覆過程,對成型制件質(zhì)量的預(yù)測和改善有著極其重要的作用[8-10],也為激光熔覆工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供一種便捷方法。

TiNi合金是一種智能材料,具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性,特別是合金的熱彈性馬氏體相變、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及馬氏體變體的自適應(yīng)性部分可減輕載荷作用并通過彈性變形把部分能量吸收掉,從而阻礙塑性變形的進(jìn)行并減少材料的磨損量,從而提高合金的耐磨性能。楊永強(qiáng)等人[11]將激光熔覆與激光表面氮化技術(shù)相結(jié)合制取TiNi-TiN梯度材料,明顯改善合金的耐磨性、耐蝕性性能。彭小敏等人[12]發(fā)現(xiàn)在高溫下元素鉭(Ta)生成Ta2O5的致密氧化膜,增加鈦合金的抗高溫氧化性。因此,在TC4合金表面熔覆高質(zhì)量TiNiTa記憶合金涂層,可明顯改善TC4基體表面性能。而國內(nèi)外研究集中在熔覆材料種類、工藝調(diào)整等方面以達(dá)到性能需求,但受到設(shè)備、人力、財(cái)力等多方面的限制阻礙熔覆技術(shù)的快速發(fā)展,至此人們將目光聚焦在模擬仿真上。Labudovic等[13]采取APDL命令流建立金屬粉末沉積過程的三維數(shù)值模型,為激光熔覆成形的溫度場分析奠定基礎(chǔ)；段偉等[14]在保證成形質(zhì)量的前提下,通過研究激光功率、掃描速度對溫度場的影響,確定鈦合金激光熔覆過程的最佳工藝參數(shù)。至此,模擬激光熔覆過程的溫度分布可以為優(yōu)化激光熔覆工藝提供理論指導(dǎo)。

本文基于ANSYS WORKBENCH軟件平臺、采用3D高斯熱源對激光熔覆TiNiTa記憶合金涂層過程進(jìn)行溫度場模擬,通過能量密度確定激光功率、掃描速度、離焦量等工藝參數(shù)對溫度場的影響。本文選用Ti粉、Ni粉和Ta粉末作為熔覆材料,結(jié)合模擬仿真獲得最佳工藝參數(shù),并對最佳工藝獲得的熔覆涂層微觀組織、相組成、耐蝕性進(jìn)行研究。通過模擬、試驗(yàn)相結(jié)合確定最佳的工藝參數(shù),以期獲得性能優(yōu)異的合金。

2 有限元建模

本文基于ANSYS-WOKRBENCH軟件模擬激光熔覆過程中溫度場變化,并編寫熱源模型APDL子程序。建立激光熔覆過程溫度場的三維有限元模型,其中包含熔覆層及基板。

2.1 模型假設(shè)和熱物性參數(shù)

激光熔覆過程溫度場的變化是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)、非線性的傳熱過程,在不影響模擬計(jì)算結(jié)果的情況下做以下必要假設(shè):(1)材料的性質(zhì)呈各向同性,當(dāng)溫度在熔點(diǎn)以上時(shí)仍進(jìn)行固態(tài)處理[15]；(2)因?yàn)榧す饧訜釙r(shí)間極短,忽略熔池內(nèi)液體的流動對溫度場的影響,不考慮熔化潛熱對熔池的影響；(3)假設(shè)TiNiTa合金的各項(xiàng)熱物理參數(shù)不隨溫度變化,材料熱物性參數(shù)如表1所示；(4)假設(shè)室溫溫度為20 ℃且不變。

表1 TC4合金和Ti-Ni合金的熱物性參數(shù)[15-17]Tab.1 Thermophysical parameters ofTC4 alloy and Ti-Ni alloy

2.2 熱源選擇和邊界條件

采用數(shù)值模擬的方法研究激光熔覆過程,熱源模型的建立是非常重要部分,本文選用較為普遍使用的3D高斯熱源模型,在距離加熱中心任一點(diǎn)的熱流密度[18]:

(1)

其中,R為激光有效加熱半徑(mm)；r為熱影響范圍上某點(diǎn)距加熱中心的距離(mm)；η為工件對激光的吸收率；Q為激光器的輸出功率(W)。高斯熱源模型的能量分布如圖1所示,其中[18]:

圖1 高斯熱源熱流模型分布模型Fig.1 Distribution model of Gaussian heat source heat flux model

(2)

熔覆開始,工件溫度T0與環(huán)境溫度T相等(T=20 ℃)。根據(jù)文獻(xiàn)[19]定義其表面邊界條件。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 幾何模型

在激光熔覆過程中,激光束始終作用于工件的表面中部,因此只取一半進(jìn)行數(shù)值模擬。基材為TC4,熔覆層為TiNiTa,基體模型尺寸為長80 mm、高3 mm、寬80 mm；熔覆層的寬度為2 mm,厚度為0.5 mm。取原點(diǎn)為O,設(shè)置空間坐標(biāo)系,X軸的正方向?yàn)閽呙杪窂剿诜较颉Ｓ捎谠诩す馊鄹策^程中涉及到網(wǎng)格的移動,熔覆層的溫度變化很大,所以設(shè)置每個(gè)六面體網(wǎng)格的寬度為0.15 mm；基體部分被分割成更大的網(wǎng)格,每個(gè)六面體網(wǎng)格的寬度為0.75 mm,幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometrical model

3.2 能量密度

在脈沖激光器的單個(gè)脈沖作用下,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備屬性選用正離焦,激光常用頻率為10 Hz、脈沖寬度5 ms固定不變。眾所周知,脈沖激光器可調(diào)的參數(shù)較多,若同時(shí)改變所有參數(shù)將無法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,故在實(shí)際生產(chǎn)過程中首先根據(jù)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)情況確定一部分參數(shù),然后在此基礎(chǔ)上改變其他工藝參數(shù)達(dá)到工藝要求。蔣三生等人[20]采用脈沖激光器在45號鋼表面熔覆Co基涂層,首先固定激光器的離焦量和掃描速度不變,然后改變脈寬、頻率、電流和功率來進(jìn)行工藝優(yōu)化。陶春華[21]等人在A3鋼板上熔覆Ni60涂層,首先固定激光器的脈寬和頻率,再調(diào)整其他工藝參數(shù)來確定最優(yōu)工藝參數(shù)。Essam等人[22]采用Nd∶YAG脈沖激光器在低碳鋼基材合金上熔覆316L不銹鋼薄層,他們固定掃描速度為6 mm/s不變來調(diào)節(jié)其他工藝參數(shù)。趙雨等人[23]首先確定固定激光器的離焦量大小,通過不同重熔工藝參數(shù)對YCF101涂層質(zhì)量的影響來確定最優(yōu)工藝參數(shù)。我們在進(jìn)行本文實(shí)驗(yàn)前,首先亦是固定激光頻率為10 Hz、脈沖寬度5 ms不變,嘗試在不同基體上采用種類不同的粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不論是在AM60B鎂合金基體上熔覆TiNi合金,還是在304不銹鋼表面激光熔覆Fe-MnSi-Cr-Ni涂層在固定上述激光頻率和脈寬的情況下通過改變其他工藝參數(shù)均可以高質(zhì)量的熔覆層。

激光能量密度可以通過式(3)[21]計(jì)算:

(3)

式中,T為溫度；K為材料的熱導(dǎo)率；A為材料吸收率；t為時(shí)間；α是熱擴(kuò)散系數(shù)。材料吸收率為0.8,利用式(3)可獲得涂層材料發(fā)生熔化和汽化的能量密度極值。當(dāng)脈寬為5 ms時(shí),TiNiTa涂層材料產(chǎn)生熔化和汽化的能量密度極值約為1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2。為避免熔覆材料呈現(xiàn)汽化現(xiàn)象而影響熔覆涂層的質(zhì)量,固激光器的功率應(yīng)介于P熔點(diǎn)

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 激光功率范圍確定

本次采用的脈沖激光器能量密度由式(4)[21]決定:

(4)

其中,E為激光能量密度;D為激光光斑直徑;tp為脈寬;f為頻率大小;p為激光功率。將能量密度極值1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2分別代入(4)式中,經(jīng)計(jì)算得到本次仿真的激光功率應(yīng)該在60 W

圖3 不同功率時(shí)的瞬態(tài)溫度場云圖Fig.3 Transient temperature field cloud map at different power

3.3.2 工藝參數(shù)對溫度場的影響

本文通過改變能量密度的大小并采用控制變量的方法保證兩個(gè)量不變得到第三個(gè)量的大小從而確定激光功率、掃描速度和離焦量,并研究它們與最高溫度間關(guān)系。當(dāng)激光掃描速度2.5 mm/s、離焦量為10 mm時(shí),發(fā)現(xiàn)隨激光功率的增加溫度逐漸增大如圖4(a)所示,經(jīng)過分析可知涂層表面最高溫度和激光功率兩者之間呈正相關(guān)；當(dāng)離焦量為10 mm,P=120 W時(shí),最高溫度隨掃描速度的增加而逐漸下降,如圖4(b)所示。當(dāng)P=120 W,掃描速度V=2.5 mm/s時(shí),離焦量對溫度的影響如圖4(c)所示。從圖4(c)可看出,當(dāng)離焦量從8.5 mm增到15.5 mm時(shí)(光斑直徑從1.2 mm增到1.5 mm),熔池的最高溫度從3260 ℃降到1720 ℃,該溫度區(qū)間正好位于涂層TiNiTa形狀記憶合金的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間。在頻率不變的情況下,通過離焦量的大小確定光斑直徑,根據(jù)式(5)[23]計(jì)算得到掃描速度范圍為1.33～2.5 mm/s:

圖4 激光功率、掃描速度及離焦量對激光束中心的最高溫度的影響Fig.4 The effect of lasers power,scanning speedand defocus length on the maximum temperatureat the center of the laser beam

(5)

其中,R代表光斑半徑,f代表激光器的頻率。根據(jù)上述分析,通過模擬溫度場變化確定激光熔覆TiNiTa記憶合金涂層的工藝參數(shù)范圍:離焦量為8.5～15.5 mm；激光功率為60 W

3.4 溫度場云圖

當(dāng)激光功率為100 W、掃描速度為2.5 mm/s、離焦量為10 mm、脈寬為5 ms、頻率為10 Hz時(shí),XOZ面瞬態(tài)溫度場分布如圖5所示,隨時(shí)間增加溫度場分布具有相似規(guī)律；熱源中心處溫度最高、熱影響區(qū)越大,隨距中心處距離的增加而降低；受光斑快速移動影響,熔池前部溫度梯度較大而尾部較小；等溫場呈勺狀形狀,分析得到此時(shí)熔覆面溫度場最高溫度為2560 ℃,此時(shí)熔覆層與基板形成良好的冶金結(jié)合。

圖5 瞬態(tài)溫度場云圖Fig.5 The transient temperature contours

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)TC4基板經(jīng)回火處理后切割成80 mm×80 mm×3 mm的長方體形狀備用,熔覆粉末采用純度為99.99 %、粒度為5 μm的Ti、Ni、Ta粉。熔覆層的制備流程:粉末配制-預(yù)處理-預(yù)置粉末-激光熔覆-性能檢測。用光學(xué)顯微鏡對熔覆層形貌進(jìn)行觀測;利用RigaKuD/Max-UItima X射線衍射儀分析技術(shù)確定其結(jié)構(gòu),Co靶Ka衍射；采用CS-Studio5電化學(xué)工作站對基板和熔覆層進(jìn)行腐蝕特性測試,腐蝕溶液為濃度5 %的NaCl溶液,測試樣品的工作面積為1 cm2。CS-Studio5電化學(xué)站工作時(shí)的掃描速度為0.0 5mV/s、頻率為1 Hz、掃描電位從-0.5～2 V。

當(dāng)脈寬5 ms、頻率10 Hz時(shí),從式(3)計(jì)算得到的能量密度極值1.19×103J/mm2和2.29×103J/mm2間取7個(gè)數(shù)值,再求解得到激光功率、掃描速度、離焦量等工藝參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量密度1698 J/mm2,即工藝參數(shù)為激光功率100 W、掃描速度2.5 mm/s、離焦量10 mm、脈寬5 ms、頻率10 Hz時(shí)涂層的質(zhì)量和腐蝕性能最好。宏觀和微觀形態(tài)如圖6所示。熔覆層平整,寬度較均勻,平行于掃描方向的熔覆層微觀形貌如圖6(b)所示,從圖可以看出基體與熔覆層之間呈現(xiàn)冶金結(jié)合狀態(tài)。結(jié)果表明,此時(shí)熔覆層的表面質(zhì)量較高。

圖6 TiNiTa熔覆層的形貌Fig.6 Macromorphology and microstructure of TiNiTa cladding layer

圖7為熔覆層室溫XRD衍射圖譜。從圖中看出,熔覆層主要由具有立方結(jié)構(gòu)的B2母相和具有單斜結(jié)構(gòu)的B19′馬氏體相及同為立方晶系的Ti2Ni相組成,具備形狀記憶效應(yīng)。

圖7 室溫下的熔覆層X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction pattern of laser claddinglayer at room temperature

對基體和熔覆層進(jìn)行腐蝕性能測試,極化曲線如圖8所示。從圖中可看出,熔覆層的極化電位比基體高220 mV,腐蝕電流密度比基體高,從而可確定熔覆層的極化度明顯高于基體。眾所周知,極化電位越負(fù),表明金屬越易轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子進(jìn)入溶液,越不易耐腐蝕。因此,采用此工藝參數(shù)獲得的熔覆層耐蝕性明顯高于基體TC4鈦合金。

圖8 基體和熔覆層的極化曲線圖Fig.8 Polarization curves of matrix and cladding layer

5 結(jié) 論

(1)通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,成功確定制備高質(zhì)量TiNiTa記憶合金熔覆層,宏觀和微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合平整、表面沒有變形且無缺陷,二者間形成冶金結(jié)合。最佳工藝參數(shù):激光功率100 W、掃描速度2.5 mm/s、離焦距離10 mm、脈寬5 ms、頻率10 Hz。此時(shí)能量密度為1698 J/mm2。

(2)XRD分析表明,熔覆層由具有立方結(jié)構(gòu)B2母相、單斜結(jié)構(gòu)B19′馬氏體相和立方晶系Ti2Ni相組成,具備形狀記憶效應(yīng)；電化學(xué)腐蝕表明,TiNiTa記憶合熔覆層耐蝕性顯著高于基體。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明,激光光斑中心的最大溫度與所采用的激光功率正相關(guān),與離焦量和掃描速度的大小負(fù)相關(guān)。