激光熔覆成形馬氏體不銹鋼應(yīng)力演化及調(diào)控機制.pdf

1、殘余應(yīng)力問題是激光熔覆增材制造及再制造大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用最亟待解決的問題之一。激光熔覆過程劇烈的溫度場演化必然伴隨應(yīng)力、應(yīng)變演化，導(dǎo)致零件存在高水平的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力將影響零件的服役性能和安全，甚至使零件在制造過程中由于開裂和變形而報廢。因此，研究激光熔覆過程中應(yīng)力演化規(guī)律及機理，更好地實現(xiàn)殘余應(yīng)力水平及分布的調(diào)控，具有非常重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。
　　本文系統(tǒng)研究了馬氏體不銹鋼激光熔覆過程中的結(jié)構(gòu)、物性、應(yīng)力演化，闡述了馬氏體

2、相變對應(yīng)力場演變的影響規(guī)律及機理，探討了通過調(diào)控相變來調(diào)整殘余應(yīng)力水平及分布的方法，研制了激光熔覆用可免熱處理高強高韌鐵基合金粉末，并將該粉末用于大型壓縮機葉輪的激光熔覆再制造。
　　研究了馬氏體不銹鋼激光熔覆成形過程中的物性演化，分析了固態(tài)相變對物性的影響。采用MTS810萬能材料實驗機、DIL801熱膨脹儀、Setaram Setsys Evo同步熱分析儀及耐馳LFA427激光閃射法熱導(dǎo)儀，確定了馬氏體不銹鋼不同溫度和物相下的

3、物性參數(shù)，分析了固態(tài)相變對各參數(shù)的影響，具體參數(shù)包括屈服強度、彈性模量、塑性模量、膨脹系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。指出了相變溫度和高溫相化學(xué)元素含量是影響相變體積效應(yīng)大小的關(guān)鍵因素。
　　研究了奧氏體化條件、降溫條件、載荷對馬氏體不銹鋼激光熔覆成形過程中固態(tài)相變的影響。采用L78RITA淬火相變儀研究不同溫度循環(huán)對相變動力學(xué)系數(shù)、相變點、相變后組織特點的影響，結(jié)果表明，在實驗條件下，室溫下材料均為馬氏體組織，但不同溫度歷程會導(dǎo)致材料

4、中有效元素含量不同、奧氏體相穩(wěn)定性不同，進而影響固態(tài)相變點及相變動力學(xué)系數(shù)。采用Gleeble3500研究不同外加載荷對馬氏體相變點、相變動力學(xué)系數(shù)及相變塑性的影響，當(dāng)外載小于屈服強度的時候，相變塑性可用Greenwood-Johoson機制解釋。
　　討論了相變塑性及其對應(yīng)力演化的影響。較大值的恒定外載條件下，相變塑性應(yīng)變可遠遠超過體積效應(yīng)應(yīng)變，激光熔覆Fe-Cr-Ni-Mo-B-Si鋼室溫下為脆性材料，其拉伸實驗表明，相變塑性

5、可以使其獲得高達30％的延伸率。激光熔覆過程中，剛開始發(fā)生固態(tài)相變的時候，相變塑性對應(yīng)力演化影響顯著，但隨著相變過程的進行，應(yīng)力水平降低，相變塑性的影響逐漸削弱。
　　給出了馬氏體不銹鋼激光熔覆成形宏觀模擬的溫度場、應(yīng)力場、固態(tài)相變處理方法，并給出了邊界、初始條件及模型參數(shù)?？紤]了應(yīng)力對相變動力學(xué)系數(shù)及相變溫度的影響，給出了相變體積效應(yīng)及相變塑性的處理方法，依據(jù)Greenwood-Johoson相變塑性機制，給出了相變塑性參數(shù)。給

6、出了混合相物性的處理方法，分別給出了高低溫相的彈性模量、屈服強度、塑性模量、膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、密度等參數(shù)同溫度及物相的關(guān)系。
　　采用宏觀模擬和實驗結(jié)合的方法，研究了單道、多層多道激光熔覆過程中應(yīng)力的演化規(guī)律。分別考慮了無固態(tài)相變、發(fā)生固態(tài)相變、不同溫度固態(tài)相變、低溫預(yù)熱等多種情況下應(yīng)力場的演化，結(jié)論認為：固態(tài)相變點較低的材料，固態(tài)相變對最終殘余應(yīng)力分布具有決定性的影響，固態(tài)相變將顯著降低縱向殘余拉應(yīng)力，甚至導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力

7、出現(xiàn)；相變完全的情況下，固態(tài)相變點越低，則殘余拉應(yīng)力越小，若出現(xiàn)壓應(yīng)力，則殘余壓應(yīng)力越大；若材料在熔覆結(jié)束后整體發(fā)生固態(tài)相變，則熔覆部分及附近區(qū)域應(yīng)力場分布均勻性較好，殘余拉應(yīng)力水平較低，此情況下，即便是固態(tài)相變點較高，固態(tài)相變對殘余應(yīng)力的主導(dǎo)作用也很顯著。提出了一種表征激光熔覆成形材料殘余拉應(yīng)力積累水平的方法，拉應(yīng)力積累系數(shù)ζ=бR-L/б0.2。
　　針對大型壓縮機葉輪激光熔覆再制造的殘余應(yīng)力問題，討論了影響馬氏體相變點的因素