一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法技术

本发明专利技术属于激光熔覆涂层服役性能评估领域，具体涉及一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法。是采用数值模拟的方法，针对现有大尺寸工件表面激光熔覆涂层，考虑典型部件实际工况，对大尺寸工件表面激光熔覆涂层成型进度与服役性能进行评估。本发明专利技术创新地采用数值模拟计算的方式考虑大尺寸工件表面激光熔覆涂层材料特性，量化了大尺寸激光熔覆涂层服役性能的评估方法，使评估结果更加具体、直观，可作为一种简洁实用的大尺寸激光熔覆涂层服役性能评估技术手段，有着切实的应用价值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法


[0001]本专利技术属于激光熔覆涂层服役性能评估领域，具体涉及一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法。

技术介绍

[0002]激光熔覆以激光为热源,发光电源实现电能—光能转换，偏振片、反射镜实现激光叠阵化,汇集系统实现光束汇集,能量密度峰值在焦点区域，激光束辐照局部区域，使其迅速升温形成熔池，覆材和基材熔融混合，再经过急速冷却后形成冶金结合的表面增强涂层。激光熔覆可修复工件表面缺陷，并确保尺寸精度，可适应复杂的表面加工需求。
[0003]相比传统表面处理技术，激光熔覆技术可以在不影响工件机械性能的同时优化工件表面工作层的综合性能。大尺寸工件表面激光熔覆涂层的服役性能决定熔覆层的经济效应，本申请采用有限元法，结合典型工件实施例，采用数值模拟与实验相结合的方法，建立一种激光熔覆大尺寸工件表面涂层服役性能评估方法，为大尺寸工件表面激光熔覆修复技术提供参考与依据。

技术实现思路

[0004]与大多数基于概率的风险估计不同，本专利技术采用数值模拟的方法，针对现有内燃机气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层，考虑气缸盖在内燃机工作过程中受到热载荷和机械载荷的综合作用，燃烧室内部较大的热流密度和温度梯度导致气缸盖内表面产生热应力及热应变。交变热应力会引发气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层发生开裂，界面破坏导致剥落将影响内燃机服役寿命。本申请采用有限元法建立一种适用于大尺寸激光熔覆涂层的服役性能的评估方法，讨论大尺寸激光熔覆涂层是否可以对气缸盖形成有效的保护作用。
[0005]本专利技术采用累积损伤模型计算需要建立内燃机气缸盖工作的数学模型、有限元模型以及材料模型。
[0006]建立数学模型，气缸盖内表面直接暴露在高温燃气环境中，其主要通过热对流的方式从高温燃气中获得热量，气缸盖内部以热传导的方式传热，其传热方式遵循傅里叶定理，傅里叶定律的函数式为：T＝
‑
λgradT其中：q为热流密度；λ为材料的导热系数；grad T为温度梯度，负号代表q的方向与T降低的方向保持一致。
[0007]根据传热学理论，气缸盖温度场函数式为：T＝f(x,y,z,τ)其中：x,y,z分别代表了空间笛卡尔坐标，τ代表时间。
[0008]在内燃机工作时，热辐射占比较小，本申请忽略热辐射的边界条件。
[0009]建立材料模型，激光熔覆涂层多为多组元混合元素，在实际操作中可以通过实验与计算结合的方法获得激光熔覆涂层的物性参数。
[0010]比热熔表示在恒压下单位质量物体受热升高1K所需热量。本申请通过差示扫描量热法分析熔覆材料在升温与降温过程中对热量的吸收与释放情况。测试仪器采用同步热分析仪，加热时使用流动的氩气作为保护器，避免熔覆材料在加热时内部氧化。加热和冷却温度范围选取100摄氏度至熔覆材料熔点，加热速率取10K/min，每隔100摄氏度计算一次。对数据进行多项式回归，回归方程和拟合优度可作为熔覆材料比热容的预测模型。
[0011]热扩散系数表示物体两点温度扰动的传递速率，即物体内部温度梯度传递速率。激光熔覆涂层受热时吸收环境中的热量，导致局部升温，涂层内部温度分布达到平衡之前热量通过热传导的方式在激光熔覆涂层内部传递。热扩散系数大，热量扩散快，则激光熔覆涂层温度分布更容易达到平衡。基于此规律将热扩散系数量化为：D＝λ/ρc
p
其中，D为热扩散系数(mm2/s)，λ为热导率(W/m*℃)，ρ为激光熔覆涂层的密度(g/cm),Cp为定压比热容(J/(kg*℃))。
[0012]根据国标GB/T1108
‑
2017，采用闪光法测量激光熔覆涂层的热扩散系数，使用激光导热仪向激光熔覆涂层发射激光脉冲，激光熔覆涂层内部升温形成温度梯度，采用红外探测器测定温度变化，结合变温时间，计算拟合激光熔覆热扩散系数。
[0013]热导率表示单位时间通过单位面积的热量与单位面积两侧的温度梯度的比例系数。根据热扩散系数量化函数式计算热导率，其中比热容、热扩散系数、密度为已知量。
[0014]热膨胀系数表示温度变化导致物体尺寸变形，平均热膨胀系数表示在温度变化为1℃时，目标试样在测量方向上的尺寸变化，函数关系式为：式子中，t1和t2为初始温度和最终温度，L1和L2为初始尺寸和最终尺寸，L0为室温下试样尺寸，采用TMA静态热机械法获取温度最小范围内激光熔覆涂层的尺寸变化量，计算平均线性膨胀系数。采用标准分数归一化法对热膨胀系数进行归一化，然后采用多项式回归法对热膨胀系数进行拟合，基于实验结果拟合目标温度范围内的尺寸变化量，结合平均热膨胀系数函数计算目标温度对应下试样的热膨胀系数。
[0015]弹性模量表示材料拉伸弹性范围内主应力与主应变之间的线性关系，即胡克定律：σ＝Eε式中σ表示材料拉伸后的主应力，ε表示材料拉伸后的主应变，E为主应力与主应变的比例系数，即弹性模量。材料拉伸弹性阶段，在垂直于载荷方向也存在应变值，其与主应变的关系式为：ε
x
＝
‑
νε
y
式中ν表示垂直于载荷方向的应变与沿载荷方向的应变的比值，此比例系数即为泊松比。根据拉伸实验确定激光熔覆涂层常温下的弹性模量和泊松比。由于气缸盖的有限元计算需要激光熔覆材料工况温度下的弹性模量，因此采用混合法估算激光熔覆涂层的弹性模量，统计对应温度下激光熔覆涂层中各元素的弹性模量，高温下金属单质的弹性模量基于唯象关系式进行估算，关系式为：E＝E0(1
‑
2α5T式中E0为常温下金属材料的弹性模量，α是材料在常温下的热膨胀系数，T是所需温度。
[0016]建立有限元模型，为了提高建模及计算效率，本申请将大尺寸激光熔覆涂层简化为实体涂层。基于ABAQUS/CAE平台建立气缸盖有限元模型，由于本申请计算重点在于激光熔覆涂层区域，因此对涂层区域进行加密网格处理，网格类型采用DC3D8和C3D8R单元。
[0017]在实际工作中，气缸盖承受机械载荷与热载荷的综合作用，本申请采用顺序热
‑
力耦合的有限元法，将稳态温度场作为已知条件，根据实际工况中的燃气压力设气缸盖内表面单位面积所受压力。依据第三类边界条件，通过气缸盖内表面的换热系数和环境温度来描述其换热行为，并将传热分析得到的温度场作为预定义边界条件进行热应力分析。
[0018]建立寿命模型，基于Fe
‑
Safe及Abaqus建立气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层疲劳寿命模型。在Fe
‑
Safe中定义材料属性，将材料属性输入Fe
‑
Safe中创建材料疲劳属性。气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层的S
‑
N曲线的准确性对疲劳寿命有较大的影响，因此需要有气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层与气缸盖材料精确的S
‑
N曲线，获取S
‑
N曲线的途径有两种，第一种方法是通过实验利用光滑试棒做疲劳拉伸实验总结得出；第二种方法通有限元平台提供的材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立大尺寸工件激光熔覆涂层数学模型；步骤2：根据步骤1中建立的数学模型，结合典型部件气缸盖实际工况，采用实验和仿真结合的方法，建立有限元分析所需要的材料模型；步骤3.：将大尺寸激光熔覆涂层简化为实体涂层；基于ABAQUS/CAE平台建立气缸盖有限元模型，采用热
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力耦合法分析气缸盖承受机械载荷与热载荷的综合作用；步骤4：根据步骤2建立的材料模型，计算典型部件汽缸盖内表面激光熔覆涂层疲劳特性，基于步骤3计算有限元结果，提取典型部件汽缸盖内表面激光熔覆涂层应力应变结果，定义循环区间，建立典型部件汽缸盖内表面激光熔覆涂层服役寿命模型；步骤5：基于步骤4计算得到的气缸盖内表面大尺寸激光熔覆涂层服役状态，通过BP
‑
神经网络优化涂层服役寿命模型。2.根据权利要求1所述的一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法，其特征在于：所述步骤1包括：步骤1.1：结合典型部件气缸盖实际工况，遵循傅里叶定律，建立气缸盖内表面在高温燃气环境下的传热模型；傅里叶定律的函数式为：T＝
‑
λgradT，其中：q为热流密度；λ为材料的导热系数；grad T为温度梯度，负号代表q的方向与T降低的方向保持一致；步骤1.2：推导气缸盖内表面温度场分布函数，气缸盖温度场函数式为：T＝f(x,y,z,τ)，设置温度场对应的边界条件。3.根据权利要求1所述的一种大尺寸工件表面激光熔覆涂层服役性能评估方法，其特征在于：所述步骤2包括：步骤2.1：通过差示扫描量热法得到熔覆材料在升温与降温过程中对热量的吸收与释放情况；测试仪器采用同步热分析仪，加热时使用流动的氩气作为保护器；加热和冷却温度范围选取100摄氏度至熔覆材料熔点，加热速率取10K/min，每隔100摄氏度计算一次；对数据进行多项式回归，回归方程和拟合优度可作为熔覆材料比热容的预测模型；步骤2.2：采用闪光法测量激光熔覆涂层的热扩散系数；步骤2.3：根据热扩散系数量化函数式计算热导率，其中比热容、热扩散系数、密度为已知量；热扩散系数量化函数式为：D＝λ/ρc
p
，其中，D为热扩散系数(mm2/s)，λ为热导率(W/m*℃)，ρ为激光熔覆涂层的密度(g/cm),Cp为定压比热容(J/(kg*℃))；步骤2.4：采用TMA静态热机械法获取温度最小范围内激光熔覆涂层的尺寸变化量，计算平均线性膨胀系数；采用标准分数归一化法对热膨胀系数进行归一化，然后采用多项式回归法对热膨胀系数进行拟合，基于TMA静态热机械法结果拟合目标温度范围内的尺寸变化量，结合平均热膨胀系数函数计算目标温度对应下试样的热膨胀系数；步骤2.5：根据拉伸实验确定激光熔覆涂层常温下的弹性模量和泊松比，采用混合法估算激光熔覆涂层的弹性模量，统计对应温度下激光熔覆涂层中各元素的弹性模量，高温下
金属单质的弹性模量基于唯象关系式进行估算，关系式为：E＝E0(1
‑
25αT)，式中E0为常温下金属材料的弹性模量，α是材料在常温下的热膨胀系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙耀宁，姜立恒，程旺军，徐一飞，种振曾，孟阿聪，马旭峰，陈玉锋，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：