基于激光冲击的激光增材制造熔覆层残余应力调控研究
发布时间：2021-08-17 08:23
激光金属增材制造技术是基于激光熔覆技术基础上融合快速成形技术而发展起来的一种先进制造技术,能直接制造出全致密及力学性能优异的金属零件,在航空航天、汽车船舶及武器装备等领域有着广阔的应用前景。激光增材制造材料融化/凝固是一个“快冷快热”的过程,局部热输入会产生不均匀温度场造成成形的零件在随后冷却过程中存在残余应力。残余应力是一种内应力,直接影响零件的力学性能,严重时将引发裂纹缺陷。激光冲击强化技术是通过高能量激光在零件表面产生高温、高压等离子体,在约束状态下使形成高压冲击波,产生塑性变形,从而在冲击区域产生残余压应力及细化晶粒,提高材料力学性能。因此本文提出基于激光冲击强化调控激光增材制造残余应力这一解决方案,以期激光冲击产生的残余压应力调控激光增材制造在零件中的残余应力,以此达到提高成形零件力学性能的目的。基于有限元技术,研究了激光增材制造熔覆层的温度场和应力场的分布规律。采用正交实验法分析激光增材制造的工艺参数（激光功率、扫描速度和光斑直径）对单道熔覆层残余应力的影响,发现在激光功率为630w扫描速度为6mm/s,光斑直径为2.2mm的情况下,残余应力较小为261MPa,出现在距熔覆...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４激光冲击强化示意图??
得最优值：随后通过ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ软件，在得到的仿真残余应力场中加入激??光冲击，通过调整相关参数，得到激光冲击对熔覆层内应力的影响规律；然后进行光??内同轴送粉的激光增材制造实验和无吸收层的激光冲击实验，根据数值仿真的最优解，??制备相关试样；对试样进行后处理，测得内应力数值，电镜拍摄微观组织。最后，根??据仿真及实验结果分析评判激光冲击强化对熔覆层残余应力的调控效果。??本文为了探宄激光冲击强化技术对熔覆层残余应力影响，将主要研究工作分为如??下两个部分，其技术路线如下图１．５所示。??＿??有限元仿獅?，－．卜，｜?Ｉ??「７?「Ｉ?：｜！?１?３Ｉ６Ｌ粉末?Ｍ轴送粉激光器?Ｉ??建立单逍熔覆层模型应力场中加入激光冲击ｈ?——?；??｜?１?Ｉ?１?｜?」丨，测得熔覆层Ｙ方向内应力值??！?｜?ＡＮＳＹＳ热耦合仿真｜｜?ＬＳ－ＤＹＮＡ动力学仿真?Ｉ；丨?＾?Ｉ??Ｉ格覆层内应力分布情况培稷层内应力变化规律Ｉ丨Ｉ?ｆｔ中气中进行尤约ｊ｜＾、陳离；，，Ｉ??！?｜工艺参数正交＾Ｔ］?｜调＾参数｜?ｒ?｛「＾改变参数进ｊ〒多组实验Ｉ?｜??！?ｒＶｉ?ｒ＾ｉ?ｒＷｉ?￣￣ｉ?：丨：ＩＩ测得熔覆层＾方向内应力值１１??，?ｆ?Ｓ?ｇ?能量环境温度，?１?ｔ?１??Ｊｗ?粉?Ｌ－—ｒ＾Ｊ?￣￣Ｊ?，?１１?１?试验制备：?＊??功?速?量?丨士…￣＾?１１?１?．士．??１画??鸟Ｊ?Ｉ度Ｉ?＿丨御撮雌?－｜｜?｜｜线割卜打磨＊腐蚀表面ｊ??翻最賴?Ｉ?｜?＿竟＋拍胃显微组织性能分析Ｉ??１?－＊?Ｌ?＿?Ｊｋ，－???Ｊ?ｉ??图１．５本文技术路线??７??
基于激光冲击的激光增材制造熔覆层残余应力调控研究?第二章??受热区域温度升高，屈服应力极限下降。当熔池附近区域的热应力值超过其屈服极限??时，熔池附近区域将会产生弹－塑性变形。不同局部区域的材料温度及冷却条件存在??差异，使得冷却速率不同，导致熔化区域在之后凝固冷却的过程中不能自由收缩，其??收缩变形将受到周围区域的束缚应力。因此，熔覆层局部必将受到一个拉应力的作用，??而周围处于较低温度状态的材料则承受一个压应力［１］［４３］，分布规律如图２．２所示。??激光束????金Ｗ粉水流．．?：金Ｍ粉水流??己成形层?“??＿＿．ｙ?＊??ｉＳＭ??图２．１激光增材制造熔池形成图?图２．２激光增材制造残余应力分布图??２．１．２残余应力的分布规律??由于激光增材制造是快冷快热过程，材料在极短的时间内经历熔化－凝固过程，??材料中温度梯度和冷却速率非常大，熔覆层内残留的残余热应力也较大。熔覆层中的??残余应力（特别是拉应力）的存在对成形件性能存在诸多危害：熔覆过程中产生的瞬间??热应力过大会导致裂纹的产生，使得熔覆层初期不能稳定成形；同时，冷却时由残余??应力引起的变形和翘曲还会影响零件的成形精度；，冷却后零件内的残余应力超过材??料屈服极限时，甚至会突发脆性断裂。??根据相关文献［４４］［４５］熔覆层内存在较大的残余拉应力是导致激光增材制造熔覆层??开裂的主要原因，裂纹延伸的方向即使残余应力较大的方向，裂纹的扩展方向主要沿??着垂直于激光扫描方向而延伸，所以从熔覆层开裂倾向可以判断，沿着激光扫描方向??的残余拉应力较大。研究结果［４６］显示熔覆层三维残余应力对比结果，可以认为沿着熔??覆层激光扫描
【参考文献】：
期刊论文
[1]316L不锈钢粉末激光熔覆工艺研究[J]. 昝少平,焦俊科,张文武. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[2]焊接接头表面改性的研究进展[J]. 滕诚信,左松,赵琨,兰绪文,朱海洋,张元彬. 表面技术. 2014(04)
[3]铁基激光熔覆层的开裂行为及开裂机理研究[J]. 李杰,高峰,张鑫,田玉亮,陆在平. 热喷涂技术. 2013(04)
[4]Fe314合金熔覆层残余应力激光冲击消除机理[J]. 闫世兴,董世运,徐滨士,王玉江,肖爱民,鲁金忠. 中国激光. 2013(10)
[5]激光冲击及其对金属材料组织和性能的影响[J]. 罗新民,苑春智,张静文,马辉,赵广志,杨坤,张永康. 热处理. 2012(01)
[6]激光冲击强化技术研究及其在钛合金中的应用[J]. 赵恒章,杨英丽,洪权,冯亮,奚正平. 钛工业进展. 2011(06)
[7]激光熔覆过程残余应力的数值模拟[J]. 顾建强,骆芳,姚建华. 激光与光电子学进展. 2010(10)
[8]激光熔覆成形技术的研究进展[J]. 宋建丽,李永堂,邓琦林,胡德金. 机械工程学报. 2010(14)
[9]高性能金属零件激光快速成形技术研究进展[J]. 张永忠,石力开. 航空制造技术. 2010(08)
[10]提高铝合金强度的技术途径和方法[J]. 张伟,刘金明,欧阳玲玉. 铝加工. 2008(06)
博士论文
[1]两种典型金属零部件激光增材制造技术基础比较研究[D]. 马明明.华中科技大学 2016
[2]特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析[D]. 原思宇.大连理工大学 2007
[3]激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值分析[D]. 刘振侠.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]基于超声冲击的激光快速成形镍基高温合金强化技术研究[D]. 戚永爱.南京航空航天大学 2014
[2]316L不锈钢粉末激光熔覆工艺热—力耦合数值模拟[D]. 罗明贤.燕山大学 2011
[3]不锈钢焊缝激光冲击强化试验研究与有限元仿真分析[D]. 宁吉平.江苏大学 2010
[4]激光熔覆残余应力场的数值模拟[D]. 顾建强.浙江工业大学 2010
[5]激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟[D]. 郭乃国.江苏大学 2007
[6]钛合金激光搭接焊及数值模拟[D]. 彭善德.华中科技大学 2006
[7]激光快速成形过程温度测量及组织控制研究[D]. 谭华.西北工业大学 2005
本文编号：3347424
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４激光冲击强化示意图??
得最优值：随后通过ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ软件，在得到的仿真残余应力场中加入激??光冲击，通过调整相关参数，得到激光冲击对熔覆层内应力的影响规律；然后进行光??内同轴送粉的激光增材制造实验和无吸收层的激光冲击实验，根据数值仿真的最优解，??制备相关试样；对试样进行后处理，测得内应力数值，电镜拍摄微观组织。最后，根??据仿真及实验结果分析评判激光冲击强化对熔覆层残余应力的调控效果。??本文为了探宄激光冲击强化技术对熔覆层残余应力影响，将主要研究工作分为如??下两个部分，其技术路线如下图１．５所示。??＿??有限元仿獅?，－．卜，｜?Ｉ??「７?「Ｉ?：｜！?１?３Ｉ６Ｌ粉末?Ｍ轴送粉激光器?Ｉ??建立单逍熔覆层模型应力场中加入激光冲击ｈ?——?；??｜?１?Ｉ?１?｜?」丨，测得熔覆层Ｙ方向内应力值??！?｜?ＡＮＳＹＳ热耦合仿真｜｜?ＬＳ－ＤＹＮＡ动力学仿真?Ｉ；丨?＾?Ｉ??Ｉ格覆层内应力分布情况培稷层内应力变化规律Ｉ丨Ｉ?ｆｔ中气中进行尤约ｊ｜＾、陳离；，，Ｉ??！?｜工艺参数正交＾Ｔ］?｜调＾参数｜?ｒ?｛「＾改变参数进ｊ〒多组实验Ｉ?｜??！?ｒＶｉ?ｒ＾ｉ?ｒＷｉ?￣￣ｉ?：丨：ＩＩ测得熔覆层＾方向内应力值１１??，?ｆ?Ｓ?ｇ?能量环境温度，?１?ｔ?１??Ｊｗ?粉?Ｌ－—ｒ＾Ｊ?￣￣Ｊ?，?１１?１?试验制备：?＊??功?速?量?丨士…￣＾?１１?１?．士．??１画??鸟Ｊ?Ｉ度Ｉ?＿丨御撮雌?－｜｜?｜｜线割卜打磨＊腐蚀表面ｊ??翻最賴?Ｉ?｜?＿竟＋拍胃显微组织性能分析Ｉ??１?－＊?Ｌ?＿?Ｊｋ，－???Ｊ?ｉ??图１．５本文技术路线??７??
基于激光冲击的激光增材制造熔覆层残余应力调控研究?第二章??受热区域温度升高，屈服应力极限下降。当熔池附近区域的热应力值超过其屈服极限??时，熔池附近区域将会产生弹－塑性变形。不同局部区域的材料温度及冷却条件存在??差异，使得冷却速率不同，导致熔化区域在之后凝固冷却的过程中不能自由收缩，其??收缩变形将受到周围区域的束缚应力。因此，熔覆层局部必将受到一个拉应力的作用，??而周围处于较低温度状态的材料则承受一个压应力［１］［４３］，分布规律如图２．２所示。??激光束????金Ｗ粉水流．．?：金Ｍ粉水流??己成形层?“??＿＿．ｙ?＊??ｉＳＭ??图２．１激光增材制造熔池形成图?图２．２激光增材制造残余应力分布图??２．１．２残余应力的分布规律??由于激光增材制造是快冷快热过程，材料在极短的时间内经历熔化－凝固过程，??材料中温度梯度和冷却速率非常大，熔覆层内残留的残余热应力也较大。熔覆层中的??残余应力（特别是拉应力）的存在对成形件性能存在诸多危害：熔覆过程中产生的瞬间??热应力过大会导致裂纹的产生，使得熔覆层初期不能稳定成形；同时，冷却时由残余??应力引起的变形和翘曲还会影响零件的成形精度；，冷却后零件内的残余应力超过材??料屈服极限时，甚至会突发脆性断裂。??根据相关文献［４４］［４５］熔覆层内存在较大的残余拉应力是导致激光增材制造熔覆层??开裂的主要原因，裂纹延伸的方向即使残余应力较大的方向，裂纹的扩展方向主要沿??着垂直于激光扫描方向而延伸，所以从熔覆层开裂倾向可以判断，沿着激光扫描方向??的残余拉应力较大。研究结果［４６］显示熔覆层三维残余应力对比结果，可以认为沿着熔??覆层激光扫描
【参考文献】：
期刊论文
[1]316L不锈钢粉末激光熔覆工艺研究[J]. 昝少平,焦俊科,张文武. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[2]焊接接头表面改性的研究进展[J]. 滕诚信,左松,赵琨,兰绪文,朱海洋,张元彬. 表面技术. 2014(04)
[3]铁基激光熔覆层的开裂行为及开裂机理研究[J]. 李杰,高峰,张鑫,田玉亮,陆在平. 热喷涂技术. 2013(04)
[4]Fe314合金熔覆层残余应力激光冲击消除机理[J]. 闫世兴,董世运,徐滨士,王玉江,肖爱民,鲁金忠. 中国激光. 2013(10)
[5]激光冲击及其对金属材料组织和性能的影响[J]. 罗新民,苑春智,张静文,马辉,赵广志,杨坤,张永康. 热处理. 2012(01)
[6]激光冲击强化技术研究及其在钛合金中的应用[J]. 赵恒章,杨英丽,洪权,冯亮,奚正平. 钛工业进展. 2011(06)
[7]激光熔覆过程残余应力的数值模拟[J]. 顾建强,骆芳,姚建华. 激光与光电子学进展. 2010(10)
[8]激光熔覆成形技术的研究进展[J]. 宋建丽,李永堂,邓琦林,胡德金. 机械工程学报. 2010(14)
[9]高性能金属零件激光快速成形技术研究进展[J]. 张永忠,石力开. 航空制造技术. 2010(08)
[10]提高铝合金强度的技术途径和方法[J]. 张伟,刘金明,欧阳玲玉. 铝加工. 2008(06)
博士论文
[1]两种典型金属零部件激光增材制造技术基础比较研究[D]. 马明明.华中科技大学 2016
[2]特殊钢棒线材热连轧过程的有限元模拟与分析[D]. 原思宇.大连理工大学 2007
[3]激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值分析[D]. 刘振侠.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]基于超声冲击的激光快速成形镍基高温合金强化技术研究[D]. 戚永爱.南京航空航天大学 2014
[2]316L不锈钢粉末激光熔覆工艺热—力耦合数值模拟[D]. 罗明贤.燕山大学 2011
[3]不锈钢焊缝激光冲击强化试验研究与有限元仿真分析[D]. 宁吉平.江苏大学 2010
[4]激光熔覆残余应力场的数值模拟[D]. 顾建强.浙江工业大学 2010
[5]激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟[D]. 郭乃国.江苏大学 2007
[6]钛合金激光搭接焊及数值模拟[D]. 彭善德.华中科技大学 2006
[7]激光快速成形过程温度测量及组织控制研究[D]. 谭华.西北工业大学 2005
本文编号：3347424
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