激光熔覆成形馬氏體不銹鋼應力演化及調控機制.pdf

1、殘余應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力、應變演化，導致零件存在高水平的殘余應力，殘余應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力演化規(guī)律及機理，更好地實現殘余應力水平及分布的調控，具有非常重要的科學意義和現實意義。
　　本文系統(tǒng)研究了馬氏體不銹鋼激光熔覆過程中的結構、物性、應力演化，闡述了馬氏體

2、相變對應力場演變的影響規(guī)律及機理，探討了通過調控相變來調整殘余應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激光閃射法熱導儀，確定了馬氏體不銹鋼不同溫度和物相下的

3、物性參數，分析了固態(tài)相變對各參數的影響，具體參數包括屈服強度、彈性模量、塑性模量、膨脹系數、比熱容、導熱系數等。指出了相變溫度和高溫相化學元素含量是影響相變體積效應大小的關鍵因素。
　　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)對相變動力學系數、相變點、相變后組織特點的影響，結果表明，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系數。采用Gleeble3500研究不同外加載荷對馬氏體相變點、相變動力學系數及相變塑性的影響，當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力演化的影響。較大值的恒定外載條件下，相變塑性應變可遠遠超過體積效應應變，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，相變塑性對應力演化影響顯著，但隨著相變過程的進行，應力水平降低，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?？紤]了應力對相變動力學系數及相變溫度的影響，給出了相變體積效應及相變塑性的處理方法，依據Greenwood-Johoson相變塑性機制，給出了相變塑性參數。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、比熱容、熱導率、密度等參數同溫度及物相的關系。
　　采用宏觀模擬和實驗結合的方法，研究了單道、多層多道激光熔覆過程中應力的演化規(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、低溫預熱等多種情況下應力場的演化，結論認為：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力，甚至導致殘余壓應力

7、出現；相變完全的情況下，固態(tài)相變點越低，則殘余拉應力越小，若出現壓應力，則殘余壓應力越大；若材料在熔覆結束后整體發(fā)生固態(tài)相變，則熔覆部分及附近區(qū)域應力場分布均勻性較好，殘余拉應力水平較低，此情況下，即便是固態(tài)相變點較高，固態(tài)相變對殘余應力的主導作用也很顯著。提出了一種表征激光熔覆成形材料殘余拉應力積累水平的方法，拉應力積累系數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力問題，討論了影響馬氏體相變點的因素