合金鋼軋輥激光快速熔凝組織及性能研究.pdf

1、軋輥是軋機的主要部件，也是生產(chǎn)中的主要消耗部件之一，尺寸大，價格比較昂貴，降低輥耗是生產(chǎn)中面臨的一個很重要的問題。而采用激光加熱的方法對金屬材料進行快速凝固加工可制備出具有優(yōu)異物理化學性能的微晶、非晶、準晶等非平衡亞穩(wěn)組織，從而獲得成分、組織及性能完全不同于零件基材、具有細小均勻快速凝固非平衡組織特征，可顯著提高材料的性能。因此，進行“軋輥激光表面快速熔凝組織與性能的研究”具有很重要的實際意義和理論價值。 本文通過采用5KW橫流

2、CO2激光器對軋輥鋼進行了激光熔凝試驗，對熔凝過程對材料的組織、硬度、裂紋敏感性等進行了探討；并采用大型有限元軟件SYSWELD對激光熔凝過程進行了數(shù)值模擬，分析了溫度場、應力場、硬度場變化規(guī)律。 激光熔凝后，改性層顯微組織可分為三個區(qū)：熔凝區(qū)、熱影響區(qū)和基體。熔凝區(qū)主要由胞狀晶+樹枝晶組成，顯微組織為馬氏體、殘余奧氏體和彌散分布的碳化物，熱影響區(qū)主要由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成。軋輥激光快速熔凝處理，沿層深方向硬度呈現(xiàn)梯度

3、分布，熔凝層硬度稍有降低，熱影響區(qū)出現(xiàn)硬度最大值，且當功率和光斑直徑一定時，熔凝層深與掃描速度成反比。激光快速熔凝處理的宏觀質(zhì)量受掃描速度的影響很大，隨著掃描速度的增大，表面裂紋敏感性增加，熔池的深度逐漸減小，而熔池寬度逐漸減小，得到的ΔH/W之比逐漸增大。激光快速熔凝單道掃描在熔凝區(qū)兩側(cè)均出現(xiàn)裂紋，進行搭接處理，當搭接量較小時在搭接區(qū)都出現(xiàn)了裂紋，搭接量達到光斑直徑的一半時，搭接區(qū)域組織較為均勻且無裂紋出現(xiàn)，搭接區(qū)存在回火軟化現(xiàn)象，硬

4、度值下降。 建立了激光寬帶三維體熱源模型，利用此熱源模型能夠模擬出符合深/寬尺寸情況的激光熔凝熔池形狀，計算得到的激光熔凝區(qū)寬度和深度與實測值符合得較好，驗證了模型的適用性。該模型對激光寬帶加工溫度場的模擬結(jié)果更符合實際。 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，激光熔凝過程是一個快速加熱、快速冷卻的過程，其溫度變化率可達104℃/s數(shù)量級；經(jīng)過激光熔凝后的材料硬度得到了顯著的提升，中心部位的硬度小于熔凝區(qū)其它區(qū)域的硬度；熔凝區(qū)的殘余應力為

5、壓應力，而熱影響區(qū)則存在著較大的拉應力，成為形成裂紋的危險區(qū)域；碳含量的不均勻變化導致熔凝區(qū)的壓應力分布不均。激光熔凝加工后得到不同工藝參數(shù)下熔凝區(qū)的不同殘余應力分布。熔凝層表面和層深方向的Mises應力和平均應力分布規(guī)律相似，掃描速率過大或者過小，應力幅值均有所降低。當激光束掃描速率V=600～1000mm/min時，熔凝區(qū)得到了殘余壓應力分布，有利于提高工件的使用性能。激光熔凝區(qū)殘余應力的產(chǎn)生與熔凝區(qū)材料發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，得到了硬脆的馬