激光表面合金化制備陶瓷缸套成形性預(yù)測*

楊保健，鐘永華，吳勇華，李福海

（1.五邑大學機電工程學院，廣東江門 529020，2.廣東省新材料研究所，廣東廣州 510650）

0 引言

氣缸缸套工作時燃氣的爆發(fā)壓力達4×104Pa，瞬時最高溫度達2 000℃左右，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零件之一，也是最容易磨損的零件之一；加之活塞環(huán)在其內(nèi)壁作高速往復(fù)運動，極易導(dǎo)致缸套出現(xiàn)異常磨損、穴蝕、拉缸、缸套碎裂等失效[1-2]。激光表面合金化是利用激光輻照加熱工件，使之熔化至所需深度，同時添加適當?shù)暮辖鹪匾愿淖兓牡谋砻娼M織，形成新的非平衡微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕性能[3-4]。

論文采用復(fù)合涂層技術(shù)，通過先涂覆后光整，將陶瓷顆粒硬化物彌散到缸套內(nèi)壁表層，從而形成一層很薄的物理強化層，大大提高缸套內(nèi)壁的強度、剛度、耐熱性和耐磨性。與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比，該復(fù)合工藝強化效果更好，可精確控制，且強化效果可保持到較高溫度，將大大改善缸套在高溫、高壓、強摩擦條件下的服役性能；減少尾氣排放，對汽車摩托車產(chǎn)業(yè)升級、環(huán)保領(lǐng)域等具有顯著的工程價值和社會效益。

1 激光表面合金化理論分析

在激光表面合金化過程中，缸套內(nèi)壁表面的薄層（約0.1～1 mm）被熔化，填充材料陶瓷粉末同時被添加到熔池中，發(fā)生熔化并熔接到基材的熔池中[5]。熔池中的材料的對流造成了填充材料與基材之間的混合（如圖1所示）。當激光束移動時，由于熱流流向了熔池周圍的材料中，促使熔池快速冷卻。復(fù)合陶瓷粉末在極大的溫度梯度下遠離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩(wěn)相及新相，提供了制備功能梯度原位生成顆粒增強復(fù)合涂層的熱力學和動力學條件。在彌散化過程中，填充材料陶瓷粉末不融化或者半熔化。熔池中的對流導(dǎo)致了彌散化粒子的分布。凝固后，彌散層一般由軟質(zhì)的基體材料和硬質(zhì)顆粒組成。

圖1 激光表面合金化示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser surface alloying

影響激光表面合金化質(zhì)量的主要因素有：激光系統(tǒng)、處理條件、基材和合金化材料。激光系統(tǒng)包括激光器類型、光束模式、光束的作用方式、輸出功率等。基材包括表面狀態(tài)、化學成分、幾何尺寸及形狀、原始組織等。處理條件包括光束形狀、光斑直徑、激光輸出功率、掃描速度、搭接率、氣體的流速、流量及流向等。添加材料包括化學成分、粉末粒度及加入方式、預(yù)置涂層的厚度等[6-7]。其中激光輸出功率、掃描速度、搭接率及預(yù)涂合金層厚度對激光表面合金化質(zhì)量影響比較大。

論文選取某摩托車用的RTCr2耐熱鑄鐵缸套，抗拉強度150 MPa；硬度HB207～288，其化學成分如表1所示。合金化組元選擇TiC、SiC、WC、B4C、Al2O3等合金元素。

表1 耐熱缸套化學成分Tab.1 Chemical component of cast cylinder

2 有限元仿真

2.1 激光表面合金化的熱源模型

建立最為接近實際情況的激光合金化熱源模型是進行數(shù)值分析的關(guān)鍵。ANSYS軟件中，熱源分為點熱源、面熱源及體熱源三種。在激光表面合金化過程中，激光熱流沿激光掃描方向是不對稱分布的[8-9]。由于激光掃描速度較快，激光前方的加熱區(qū)域比激光后方的少，且加熱區(qū)域是關(guān)于激光中心線不對稱的兩個半橢球體[10-11]?；诖耍撐慕⑷鐖D2所示的體熱源模型。

作用于基材上的體積熱源分成前后兩部分。假定雙半橢球體的半軸為（af，ar，b），則前、后半橢球體內(nèi)的熱流分布：

其中：x和y分別是以熱源中心為原點坐標系的橫、縱坐標值，Qf和Qr分別是前、后半橢圓的熱輸入率，af和ar分別為前、后半橢圓長軸，b為橢圓的短半軸（兩橢圓短半軸相等）。

圖2 雙橢球功率密度分布熱源圖Fig.2 Double ellipsoidal model of power density distribution

2.2 正交方案

缸套的內(nèi)徑為200 mm，外徑為210 mm，長度為600 mm。陶瓷粉末的密度為7 500 kg/m3，熱膨脹系數(shù)為4E-06/℃，楊氏模量為8E+10 Pa，彈性模量為7.407E+10 Pa，泊松比為0.32。節(jié)點的數(shù)量為84 061，網(wǎng)格的單元數(shù)量為14 555。激光合金化工藝參數(shù)如表2所示。

2.3 溫度場與應(yīng)力場分布

圖3顯示的是第6號試樣的溫度場、應(yīng)力場及變形量分布。從圖（a）中可看出，在激光表面合金化時，激光熱流沿激光掃描方向是非對稱分布的，激光掃描方向的前方的加熱區(qū)域比激光后方的少，且前方溫度較后方高，最高溫度約為1 545℃，工件在整個過程中的熱變形也是較均勻的。

3 實驗分析

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，考慮到激光表面合金化過程的復(fù)雜性，取試樣6的工藝參數(shù)進行了相應(yīng)的試樣試制。圖4是在DL-LP型激光數(shù)控加工機上對RTCr2耐熱鑄鐵缸套內(nèi)表面進行了激光合金化WC-B4C-TiC混合粉末所得合金化層的掃描電鏡照片和顯微硬度分布圖。從圖4(b)和(c)中可以看出，合金化表層中碳化物硬相分布較均勻，在合金化區(qū)中距離表面0.05 mm處硬度為1 100 HV0.3左右，隨后距離表面越深，硬度逐漸升高，在距離表面0.3 mm硬度達到最大值為1 300 HV0.3，比基材硬度的240HV0.3提高了5倍多。

表2 正交實驗參數(shù)表Tab.2 Orthogonal experimental parameters table

圖3 試樣6的溫度場與應(yīng)力場分布Fig.3 Distribution of temperature and stress by FEM

圖4 試樣試制與性能測試Fig.4 Experimental research of No.6 sample

4 結(jié)論

激光表面合金化制備陶瓷缸套是一個受激光能量密度、掃描速度、基材的預(yù)熱程度和復(fù)合粉末的特性所影響的復(fù)雜工藝過程。論文在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，進行了試探性的實驗分析，得出在激光功率為1 000 W，鐵粉與陶瓷粉末的配比為1∶1，掃描速度為400 mm/min等基礎(chǔ)條件下試制的試樣6的顯微結(jié)構(gòu)中碳化物硬相分布較均勻，表層顯微硬度約為基體的4倍，基本驗證了激光表面合金化制備陶瓷缸套是可行的，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。