激光熔覆過程組織轉(zhuǎn)變及性能預(yù)測研究綜述

摘要：激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、熔覆組織致密、涂層與基體結(jié)合性好、適合熔覆的材料多等特點。然而，激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)決定著熔覆層的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，但很多工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，很難精確控制。激光熔覆實驗研究周期長、考慮因素單一，只能從最終結(jié)果考慮熱源參數(shù)對熔覆層的影響而無法對熔覆過程中材料的相變過程進(jìn)行定量化表征。采用數(shù)值模擬軟件可以對熔覆過程進(jìn)行仿真分析，探討熔覆過程的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。近幾年，采用機器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化手段與工藝優(yōu)化相結(jié)合來對熔覆結(jié)果進(jìn)行預(yù)測逐漸興起。歸納了目前國內(nèi)外針對激光熔覆過程中的溫度場、應(yīng)力場等方面的數(shù)值模擬研究及所采用的有限元軟件，概括目前對于激光熔覆性能預(yù)測的研究形狀，并提出了目前存在的問題和有待解決的問題。（本文工作得到湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃重點項目（批準(zhǔn)號：D20221801）與汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室（湖北汽車工業(yè)學(xué)院）項目（批準(zhǔn)號：ZDK12023B06支持）

關(guān)鍵詞：激光熔覆；數(shù)值模擬；性能預(yù)測；參數(shù)優(yōu)化

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬材料表面改性技術(shù)，通過使用高能量密度的激光束作為熱源，結(jié)合惰性氣體保護(hù)，并按照預(yù)設(shè)的掃描路徑，將激光束照射到同步送出或已經(jīng)預(yù)先涂覆在基體表面的材料上面（主要是粉末材料），實現(xiàn)熔覆材料和基體表層的快速熔化和迅速凝固，最終形成具有冶金結(jié)合特性的功能性涂層[1]。20世紀(jì)80年代以來，激光熔覆技術(shù)得到了國內(nèi)外的廣泛重視，并在眾多工業(yè)領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，其中，許多國家已將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在汽車工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中并取得重要成果，以提高汽車零件的工作性能，減少材料的使用成本。

但在實際應(yīng)用中，仍存在許多實際問題無法解決。激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)決定著熔覆層的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，很難精確控制[2]。在激光熔覆實驗過程中難以實時地對熔池形狀、熔池及熔覆層溫度分布、冷卻率等進(jìn)行測量，因而常規(guī)的實驗方法難以對激光熔覆過程中的組織轉(zhuǎn)變過程、熔覆層性能等進(jìn)行定量化表征，因此激光熔覆技術(shù)目前仍存在工藝參數(shù)選擇困難、熔覆后材料組織及性能難以預(yù)測的問題。

目前隨著有限元軟件的快速發(fā)展，利用數(shù)值仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確的監(jiān)測熔覆過程中的溫度場、應(yīng)力場和流場分布，并且有效地預(yù)測熔覆層的裂紋、氣孔、夾雜以及層間的粘結(jié)力[3]。通過實驗驗證進(jìn)一步研究激光熔覆技術(shù)的最佳方案，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高激光熔覆的組織與性能。此外，眾多科研人員采用數(shù)值分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，實現(xiàn)了對激光熔覆結(jié)果的性能預(yù)測，對探明激光熔覆過程中激光熱源各項參數(shù)對熔覆過程轉(zhuǎn)變及熔覆層性能的影響規(guī)律，對激光熱源參數(shù)的合理選擇，有效節(jié)省前期試驗及參數(shù)選擇的成本，對促進(jìn)激光熔覆技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。

激光熔覆過程組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

目前隨著各大有限元軟件的發(fā)展，眾多研究者采用數(shù)值模擬的方法對激光熔覆過程展開研究，激光熔覆過程是快速熔化和快速凝固的過程，在熔化和凝固時主要有溫度場、應(yīng)力場、流場等物理場。其中溫度場和應(yīng)力場是眾多研究者最重視的地方，通過對溫度場和應(yīng)力場結(jié)果的分析，能夠較為準(zhǔn)確模擬實驗結(jié)果，對實驗過程具有重要的指導(dǎo)意義。通過數(shù)值模擬技術(shù)得到精度更好的激光熔覆各項參數(shù)。下面將通過不同的有限元軟件在激光熔覆上的實際應(yīng)用，分析激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.ANSYS應(yīng)用現(xiàn)狀

ANSYS是目前應(yīng)用廣泛的有限元軟件之一。Parisa Farahmand等[4]利用ANSYS建立了一種非線性瞬態(tài)熱模型，通過改變預(yù)熱溫度預(yù)測對熔覆過程溫度場和組織轉(zhuǎn)變的影響。不同預(yù)熱溫度下熔池的實際熔池與模擬熔池溫度場的對比如圖1[5]所示，從溫度分布中提取熔池形狀和尺寸，并在實驗結(jié)束后，對熔覆軌跡高度、熱影響區(qū)高度及稀釋度進(jìn)行了熔池質(zhì)量分析。

ANSYS提供豐富的材料模型和熱傳導(dǎo)模型，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的熱傳導(dǎo)行為，具有強大的后處理功能，支持多物理場的耦合分析，可以同時考慮激光熱源、熔池流動以及固態(tài)相變等多個因素，但是ANSYS也存在一些缺點，復(fù)雜的用戶界面和操作流程，需要一定的培訓(xùn)才能熟練使用，對于激光熔覆過程中的液態(tài)金屬流動，需要通過耦合其他軟件來實現(xiàn)。

2.Marc應(yīng)用現(xiàn)狀

Marc在激光熔覆數(shù)值模擬具有廣泛的應(yīng)用。海淵[5]采用Marc分析激光熔覆Ni基WC涂層開裂的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)因素，對激光熔覆涂層溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行模擬，計算分析熔覆過程中溫度場的熱循環(huán)作用，以及對熔池尺寸、冷卻速度的變化規(guī)律，分析熔覆后殘余應(yīng)力分布特征，分析殘余應(yīng)力對涂層裂紋的影響，垂直掃描路徑上的應(yīng)力分布狀態(tài)如圖2[6]所示。

Marc具有專業(yè)的焊接模塊，針對焊接過程中的各種復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行了專門的優(yōu)化和設(shè)計，使得焊接仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，并且Marc提供了開放式的用戶環(huán)境，極大的擴(kuò)展了Marc的分析能力，對于激光熔覆仿真中特定的分析和優(yōu)化需求非常有用。但是Marc相較于其他有限元軟件，建模能力較弱，增加了激光熔覆仿真過程中的建模復(fù)雜性和難度。

3.Simufact welding應(yīng)用現(xiàn)狀

Simufact welding是以MSC Marc為基礎(chǔ)研發(fā)出來的仿真模擬軟件，專門用于材料加工及熱處理工藝仿真的軟件。黃國順等[6]基于實驗所得工藝參數(shù)，利用Simufact welding建立熱力耦合模型，通過數(shù)值模擬分析熔覆過程中的溫度場和應(yīng)力場分布，分析發(fā)現(xiàn)熔池出現(xiàn)“彗尾”現(xiàn)象，激光熱源前端的溫度梯度大，熱源后端的溫度梯度小，遠(yuǎn)離涂層的基板溫度變化較小，基板上的最大殘余應(yīng)力為沿掃描方向的拉應(yīng)力，對稱分布在涂層兩側(cè)涂層與基板結(jié)合處，基板上表面垂直于掃描方向的拉應(yīng)力是引起基板變形的主要原因，模擬受拉應(yīng)力影響下的激光熔覆變形云圖如圖3[7]所示。

Simufact welding能夠準(zhǔn)確模擬激光熔覆過程中的溫度場、應(yīng)力場等關(guān)鍵物理場，從而提供可靠的仿真結(jié)果，還可以越策不同工藝參數(shù)對激光熔覆結(jié)果的影響，幫助用戶優(yōu)化工藝參數(shù)，提高熔覆質(zhì)量。但是Simufact welding的用戶界面對于某些用戶來說不夠直觀友好，這可能會增加用戶在使用過程中的操作難度和錯誤率。

4.ABAQUS應(yīng)用現(xiàn)狀

吳俁等[7]利用ABAQUS軟件建立復(fù)合熱源模型，對單向掃描和往復(fù)掃描兩種掃描策略下多層多道熔覆的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行模擬，如圖4所示，模擬熔池形態(tài)與試驗熔池形態(tài)的對比圖，左側(cè)為模擬的熔池溫度場，灰色部分為熔池，其與右側(cè)試驗熔覆層的截面形狀吻合得較好，驗證了熱源模型的可靠性。

ABAQUS允許對多個工藝參數(shù)進(jìn)行分析和比較，有助于分析個參數(shù)在不同條件下的影響及綜合效果，且建立的模型準(zhǔn)確率相對較高，合理可靠。

近些年來，各種有限元軟件的發(fā)展，模型不斷改進(jìn)、完善，模擬的結(jié)果越來越接近真實結(jié)果，在實際生產(chǎn)試驗之間進(jìn)行計算機模擬，能夠很大程度地幫助優(yōu)化工藝參數(shù)和減少前期試錯成本，節(jié)約時間、財力和人力的投入，因此計算機模擬在激光熔覆中應(yīng)用的越來越廣泛。結(jié)合以上幾種有限元軟件在激光熔覆方面數(shù)值模擬仿真的結(jié)果來看，各軟件都對使用者設(shè)立了學(xué)習(xí)門檻，需要有一定的工程背景和相關(guān)知識，并且均存在仿真計算時間較長的問題。目前眾多研究者已不滿足數(shù)值模擬仿真，他們希望對熔覆結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，幫助更好的優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇。

激光熔覆層性能預(yù)測研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對激光熔覆技術(shù)中的熔覆層調(diào)形控性，已經(jīng)形成了較為成熟的理論方法，有部分學(xué)者提出，可以在實驗的基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)方法建立工藝參數(shù)與熔覆層形貌性能之間的關(guān)系模型，對熔覆層形貌和性能進(jìn)行預(yù)測以快速確定工藝參數(shù)；在機器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化手段與工藝優(yōu)化相結(jié)合上也做出了很多成功的嘗試。

回歸分析作為一種常見的數(shù)據(jù)處理方法，從數(shù)學(xué)理論上分析待考查因素對熔覆層性能的影響。M. Ansari 等[8]基于鎳基高溫合金上的 NiCrAlY 粉末同軸激光熔覆實驗數(shù)據(jù)，利用回歸分析和經(jīng)驗統(tǒng)計模型預(yù)測了激光熔覆主要加工參數(shù)與熔覆層幾何特征之間的關(guān)系，并通過相關(guān)系數(shù)驗證了模型的有效性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的多元、非線性信息并行處理能力， 在復(fù)雜非線性系統(tǒng)的工程建模中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系模型， 從而優(yōu)化工藝參數(shù)。溫海駿等[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，對激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實際值之間的對比如圖5所示，由表1可以看出，最終試驗值與預(yù)測值誤差不超過3%，說明預(yù)測模型達(dá)到了較高的網(wǎng)格識別度。

綜上所述，對于熔覆結(jié)果的預(yù)測，目前大多數(shù)研究者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測，回歸分析法的誤差相對較高，適合精度要求較低的場合進(jìn)行預(yù)測，可以直觀地獲得各工藝參數(shù)與熔覆層之間的關(guān)系。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以高精確性的進(jìn)行激光熔覆結(jié)果預(yù)測，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)的需求量大，需要大量樣本參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且參數(shù)的質(zhì)量對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。每種方法都存在自身的優(yōu)缺點，根據(jù)不同材料、不同方式的激光熔覆選擇何種方法進(jìn)行分析還需進(jìn)一步的分析。

結(jié)語

當(dāng)前激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的金屬材料表面改性技術(shù)，在金屬材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。數(shù)值模擬和性能預(yù)測均是為了探明激光熔覆過程中激光熱源參數(shù)對熔覆過程轉(zhuǎn)變及熔覆層性能的影響規(guī)律，指導(dǎo)對激光熱源參數(shù)的合理選擇和精確預(yù)測激光熔覆效果，對促進(jìn)激光熔覆技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義，但是目前還存在以下幾點問題。

1）目前的研究對于激光熔覆工藝參數(shù)的選擇和熔覆層組織轉(zhuǎn)變過程的定量化表征仍存在較大困難，在探明激光熱源參數(shù)對熔覆過程組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究方面仍需要較大進(jìn)步。

2）多數(shù)激光熔覆研究采用的均是平板基體作為實驗基板或模型，實際工業(yè)加工中出現(xiàn)的并非全是平面基板，對于非平面基體激光熔覆成形的實驗研究與數(shù)值模擬需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3）激光熔覆數(shù)值模擬大多針對溫度場和應(yīng)力場仿真，針對流體仿真的較少。

4）激光熔覆過程涉及的因素眾多，模型預(yù)測的結(jié)果與實際實驗結(jié)果還有一定的偏差，并且對于激光熔覆結(jié)果的預(yù)測多為形貌尺寸，對于力學(xué)性能的預(yù)測較少。

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