激光熔覆成形金屬零件中微裂紋的控制技術(shù)研究

激光熔覆成形技術(shù)是一種新的快速原型制造技術(shù)，它具有成形零件性能優(yōu)良、組織結(jié)構(gòu)致密和成本低的優(yōu)點，是快速原型制造技術(shù)中一個重要的發(fā)展方向。激光熔覆成形技術(shù)在我國還處于起步階段，需要研究的問題很多，如激光熔覆成形零件的變形問題、成形零件的尺寸精度問題、成形零件的表面質(zhì)量問題和成形粉末的設(shè)計及調(diào)整問題等。但激光熔覆成形零件中的微裂紋問題是其中最重要的，因為激光熔覆成形的零件如果產(chǎn)生了微裂紋，則這個零件等于報廢，零件的其它性能根本都談不上。本項目在深入分析激光熔覆成形工藝規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了控制微裂紋的五種方法，即優(yōu)化熔覆成形基體材料、優(yōu)選和匹配熔覆成形粉末、優(yōu)化熔覆成形環(huán)境、監(jiān)控激光熔覆成形熔池溫度和在激光熔覆成形過程中引入超聲振動。通過對這五種方法的深入研究，找到合適的工藝參數(shù)和規(guī)律，達到控制激光熔覆成形零件微裂紋的目的，促進激光熔覆成形技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用，也為其它激光加工技術(shù)提供參考。 2100433B

《鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴展》一書系統(tǒng)地研究分析了鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴展規(guī)律及其影響因素。本書主要內(nèi)容包括緒論、基于元胞自動機的鋁鑄軋微觀數(shù)值模擬、基于有限元的鋁鑄軋成形過程數(shù)值模擬、基于損傷力學(xué)的鑄軋輥輥套疲勞壽命研究、基于有限差分的鑄軋過程鑄嘴型腔流動數(shù)值模擬、鋁鑄軋過程試驗研究、基于分子動力學(xué)的鋁及鋁合金裂紋擴展數(shù)值模擬、基于有限元的鋁合金細觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)及裂紋擴展數(shù)值模擬、鋁合金高溫塑性變形條件下的變形機制。本書內(nèi)容對研究鋁及鋁合金的鑄軋成形與裂紋擴展，從而獲得高質(zhì)量的鋁及鋁合金產(chǎn)品具有較強的指導(dǎo)作用。

裂紋的形成是連鑄過程中力學(xué)因素和冶金特性綜合作用的結(jié)果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應(yīng)力，且材料本身不能承受此應(yīng)力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應(yīng)力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進行，可能有明顯的裂紋開始和擴張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的形成機理進行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機理

有證據(jù)表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關(guān)。這些區(qū)域熔點低，且由于向結(jié)晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導(dǎo)致熱扯裂。當碳含量達到出現(xiàn)包晶的程度時，表面橫向裂紋增加，盡管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在結(jié)晶器之后的低溫區(qū)，當其受到來自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時那樣的應(yīng)力作用時，當這些應(yīng)力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內(nèi)，表面橫向裂紋很嚴重。由于熱延展性受微合金影響強烈，所以有報道認為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂紋的擴張。這是由于振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機理

連鑄坯表面縱向裂紋的產(chǎn)生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據(jù)認為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結(jié)晶器彎月面附近產(chǎn)生，在二冷區(qū)得到擴展，因此，其根源在于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為及其影響因素。各種原因?qū)е碌牟痪鶆騻鳠岷筒痪鶆蚰虝斐设T坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結(jié)晶組織粗化，對裂紋敏感性強。坯殼出結(jié)晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過熱度、拉速、保護渣甚至是操作等導(dǎo)致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產(chǎn)生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內(nèi)部裂紋的形成機理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹?。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進行，S,P等元素發(fā)生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處于液態(tài)，對于與柱狀晶方向垂直的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而言，處于液相的晶界幾乎沒有塑性。開始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當結(jié)晶器摩擦力引起的應(yīng)力、坯殼鼓肚應(yīng)力、熱應(yīng)力、矯直應(yīng)力、以及由于導(dǎo)輥變形、不對中引起的附加機械應(yīng)力作用于凝固前沿時，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開裂形成裂紋，并向固相擴展，同時凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時伴隨著偏折線一起出現(xiàn)的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴展，由于溫度逐漸降低，塑性和強度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴展被抑制。在隨后的凝固過程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應(yīng)力或應(yīng)變的作用，則已形成的內(nèi)裂紋將隨著凝固界面的推進而連續(xù)“生長” 。

無氧銅連鑄坯凝固是包含流動、傳熱、傳質(zhì)的動力學(xué)過程，也是具有高溫、多相及相互影響特征的復(fù)雜體系，如何控制連鑄坯凝固過程，減少鑄坯微裂紋的產(chǎn)生對鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要。本項目從連鑄坯凝固行為、高溫力學(xué)性能、作用在連鑄坯上的各種應(yīng)力應(yīng)變、化學(xué)成分以及微觀偏析行為等角度出發(fā)，探索鑄坯微裂紋產(chǎn)生的機理和控制因素，對銅液凝固過程提出揭示枝晶生長的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及其變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，研究穩(wěn)定性常數(shù)等微觀參數(shù)和拉速等澆注參數(shù)對連鑄凝固過程的影響規(guī)律；通過建立實時完全熱-力耦合的凝固傳熱模型，預(yù)測鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)溫度分布和凝固狀態(tài)，分析影響連鑄坯鑄造質(zhì)量的因素；對連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)傳熱、流動、應(yīng)力應(yīng)變進行完全耦合計算，提出一種鑄坯微裂紋產(chǎn)生的預(yù)測判據(jù)。本項目的研究成果將為我國無氧銅連鑄工藝理論體系的完善提供有益補充，具有十分明顯的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。