激光熔覆成形金屬零件中微裂紋的控制技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

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(diǎn)，是快速原型制造技術(shù)中一個(gè)重要的發(fā)展方向。激光熔覆成形技術(shù)在我國(guó)還處于起步階段，需要研究的問(wèn)題很多，如激光熔覆成形零件的變形問(wèn)題、成形零件的尺寸精度問(wèn)題、成形零件的表面質(zhì)量問(wèn)題和成形粉末的設(shè)計(jì)及調(diào)整問(wèn)題等。但激光熔覆成形零件中的微裂紋問(wèn)題是其中最重要的，因?yàn)榧す馊鄹渤尚蔚牧慵绻a(chǎn)生了微裂紋，則這個(gè)零件等于報(bào)廢，零件的其它性能根本都談不上。本項(xiàng)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(guò)程中引入超聲振動(dòng)。通過(guò)對(duì)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(dá)到控制激光熔覆成形零件微裂紋的目的，促進(jìn)激光熔覆成形技術(shù)在我國(guó)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(kuò)展》一書(shū)系統(tǒng)地研究分析了鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其影響因素。本書(shū)主要內(nèi)容包括緒論、基于元胞自動(dòng)機(jī)的鋁鑄軋微觀數(shù)值模擬、基于有限元的鋁鑄軋成形過(guò)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(guò)程鑄嘴型腔流動(dòng)數(shù)值模擬、鋁鑄軋過(guò)程試驗(yàn)研究、基于分子動(dòng)力學(xué)的鋁及鋁合金裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬、基于有限元的鋁合金細(xì)觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)及裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬、鋁合金高溫塑性變形條件下的變形機(jī)制。本書(shū)內(nèi)容對(duì)研究鋁及鋁合金的鑄軋成形與裂紋擴(kuò)展，從而獲得高質(zhì)量的鋁及鋁合金產(chǎn)品具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

裂紋的形成是連鑄過(guò)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(lèi)裂紋的形成過(guò)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(jiàn)得均勻進(jìn)行，可能有明顯的裂紋開(kāi)始和擴(kuò)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(jī)理進(jìn)行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機(jī)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(diǎn)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(dāng)碳含量達(dá)到出現(xiàn)包晶的程度時(shí)，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(dāng)其受到來(lái)自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時(shí)那樣的應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)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?chē)?yán)重。由于熱延展性受微合金影響強(qiáng)烈，所以有報(bào)道認(rèn)為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機(jī)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(kuò)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(huì)使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機(jī)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(rèn)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(kuò)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?huì)造成鑄坯凹陷，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(duì)裂紋敏感性強(qiáng)。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(yán)重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過(guò)熱度、拉速、保護(hù)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(jī)理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細(xì)小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹АＶ鶢罹У姆较蚧旧吓c坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進(jìn)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(duì)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(méi)有塑性。開(kāi)始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當(dāng)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?zhàn)冃?、不?duì)中引起的附加機(jī)械應(yīng)力作用于凝固前沿時(shí)，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開(kāi)裂形成裂紋，并向固相擴(kuò)展，同時(shí)凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進(jìn)入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時(shí)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(kuò)展，由于溫度逐漸降低，塑性和強(qiáng)度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴(kuò)展被抑制。在隨后的凝固過(guò)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(jìn)而連續(xù)“生長(zhǎng)” 。

無(wú)氧銅連鑄坯凝固是包含流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)程，減少鑄坯微裂紋的產(chǎn)生對(duì)鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要。本項(xiàng)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(jī)理和控制因素，對(duì)銅液凝固過(guò)程提出揭示枝晶生長(zhǎng)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(duì)連鑄凝固過(guò)程的影響規(guī)律；通過(guò)建立實(shí)時(shí)完全熱-力耦合的凝固傳熱模型，預(yù)測(cè)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(duì)連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)傳熱、流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行完全耦合計(jì)算，提出一種鑄坯微裂紋產(chǎn)生的預(yù)測(cè)判據(jù)。本項(xiàng)目的研究成果將為我國(guó)無(wú)氧銅連鑄工藝?yán)碚擉w系的完善提供有益補(bǔ)充，具有十分明顯的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。