激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，特別是涉及一 種使用異種金屬材料進(jìn)行熔覆再制造的產(chǎn)品的損傷特征的定量評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)激光熔覆技術(shù)廣泛受到人們的關(guān)注，并且正在逐漸被應(yīng)用到高附加值工業(yè) 產(chǎn)品的表面改性以及再制造等過(guò)程中去。當(dāng)前人們圍繞該技術(shù)展開(kāi)的研宄主要以如何對(duì) 工藝進(jìn)行優(yōu)化以提高產(chǎn)品的使用性能為主，但是對(duì)于其中的損傷特征及其評(píng)價(jià)方法研宄較 少。對(duì)于過(guò)程熱損傷的研宄，由于缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的定義，在不同的行業(yè)有不同 的表述方式，比較典型的研宄領(lǐng)域主要包括磨削、剎車(chē)制動(dòng)以及焊接等。對(duì)于磨削，熱損傷 一般被認(rèn)為是伴隨工件材料的再奧氏體化而產(chǎn)生，其本質(zhì)是材料受磨削熱作用而產(chǎn)生微觀 組織變化。對(duì)于其損傷程度的評(píng)價(jià)還局限在一種簡(jiǎn)單的目測(cè)觀察上，例如通過(guò)磨削后試件 的顏色來(lái)區(qū)分是屬于正常磨削、過(guò)度磨削還是非正常磨削（"平面磨削溫度場(chǎng)及熱損傷的 研宄"，博士學(xué)位論文，湖南大學(xué)，2008年）。對(duì)于高速剎車(chē)引起的制動(dòng)盤(pán)、車(chē)輪踏面的熱損 傷，一般被視作為材料的塑性變形、微裂紋的形成與擴(kuò)展等，主要宏觀表現(xiàn)形式為熱斑、熱 裂紋以及熱應(yīng)力引起的開(kāi)裂等（"Thermallevelsandsubsurfacedamageinducedby theoccurrenceofhotspotsduringhigh-energybraking''，Wear, 2011 年第270卷5-6 期，355-64.)。此外，在車(chē)輪周向拉應(yīng)力的出現(xiàn)也被視作熱損傷的一種表現(xiàn)形式（"Wheel thermaldamagelimits''，ProceedingsofIEEE/ASMEJointRailroadConference, 1994 年3月22-24,NewYork,NY,USA:IEEE;57-63.)。Wang基于材料連續(xù)性的破壞對(duì)焊接熱 影響區(qū)的塑性疲勞損傷行為建立了連續(xù)損傷力學(xué)模型進(jìn)行研宄（"Acontinuumdamage modelforductilefractureofweldheataffectedzone''，EngineeringFracture Mechanics, 1991年第40卷6期，1075-1082)。Hasebe等認(rèn)為熱損傷主要是由于相變而導(dǎo) 致材料微觀結(jié)構(gòu)的退化，因?yàn)檫@種相變會(huì)導(dǎo)致相鄰材料力學(xué)性能的差異（"Microstrueture degradationinstainlesssteelweldmetalsduetothermalandmechanical histories''，MaterialsScienceResearchInternational, 1997年第3卷3期，178-184) 〇 針對(duì)激光熔覆熱損傷的評(píng)估，Zeng等人對(duì)金屬陶瓷層中鑄造WC顆粒的燒損方式和機(jī)理進(jìn) 行了研宄，闡述了WC顆粒的燒損類(lèi)型并建立了評(píng)定其燒損率的半定量公式（"Heatdamage mechanismsandevaluationmethodofWCparticlesinlasercladWC_Nicomposite coating"，ActaMetallurgicaSinica, 1997年第33卷8期，863-868)。意大利的Valsecchi 等人認(rèn)為激光熔覆的熱損傷出現(xiàn)在基體中，他們認(rèn)為有望通過(guò)熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)分析 和顯微硬度測(cè)量對(duì)熱損傷進(jìn)行研宄（"Characterisationofthethermaldamagein amartensiticsteelsubstrateconsequenttolasercladdingprocess''，Procedia Engineering, 2011年第10卷，2851-2856)。然而以上這些方法對(duì)于熱損傷特征的評(píng)價(jià)指標(biāo) 都相對(duì)單一，并且都是定性的評(píng)價(jià)。暫未發(fā)現(xiàn)針對(duì)激光熔覆再產(chǎn)品制造過(guò)程熱損傷程度進(jìn) 行定量評(píng)估的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了對(duì)激光熔覆再制造產(chǎn)品的熱損傷特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本發(fā)明提供一種包含多 參量的損傷特征定量評(píng)估方法。該方法通過(guò)選用與熔覆再制造產(chǎn)品相同的材料在規(guī)整表 面進(jìn)行單道熔覆并對(duì)熔覆后的損傷特征進(jìn)行描述，用以評(píng)估相同工藝參數(shù)下再制造產(chǎn)品的 損傷水平。該方法對(duì)于損傷特征的評(píng)估主要是通過(guò)材料微觀連續(xù)性破壞，相變以及材料性 質(zhì)差異導(dǎo)致的大硬度梯度以及殘余應(yīng)力特征等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)將損傷特征量限定在 〇~1的區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了與經(jīng)典損傷力學(xué)接軌的損傷定義方法，其現(xiàn)實(shí)意義在于能對(duì)激光熔 覆再制造產(chǎn)品的損傷程度進(jìn)行定量評(píng)估。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特 征的定量評(píng)估方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：
[0005] 第一步，恪覆試樣制備：選擇與再制造產(chǎn)品基體材料相同的試塊作為基體，選擇擬 用于涂覆制造的粉末金屬材料為熔覆材料，在試塊表面進(jìn)行單道熔覆；
[0006] 第二步，測(cè)量并計(jì)算微觀連續(xù)性破壞損傷因子：在熔覆涂層中間部位橫向垂直于 試件表面將試件切開(kāi)，對(duì)截面進(jìn)行拋光處理，將拋光截面的熔覆涂層置于光學(xué)顯微鏡下，選 擇不同位置隨機(jī)拍攝若干張顯微圖片；
[0007] 圖像攝取完成后，統(tǒng)計(jì)每一張圖片中微孔洞區(qū)域像素，同時(shí)統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖片像素，分 另IJ記為Pp_sity和ptotal，在此基礎(chǔ)上計(jì)算微孔洞區(qū)域像素所占整個(gè)圖片像素的比例，用以表 示材料連續(xù)性損傷單量，表示為
[0008]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，其特征在于包括以下步驟： 第一步，熔覆試樣制備：選擇與再制造產(chǎn)品基體材料相同的試塊作為基體，選擇擬用于 涂覆制造的粉末金屬材料為熔覆材料，在試塊表面進(jìn)行單道熔覆； 第二步，測(cè)量并計(jì)算微觀連續(xù)性破壞損傷因子：在熔覆涂層中間部位橫向垂直于試件 表面將試件切開(kāi)，對(duì)截面進(jìn)行拋光處理，將拋光截面的熔覆涂層置于光學(xué)顯微鏡下，選擇不 同位置隨機(jī)拍攝若干張顯微圖片； 圖像攝取完成后，統(tǒng)計(jì)每一張圖片中微孔洞區(qū)域像素，同時(shí)統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖片像素，分別記 為Pp_sity和Pttrtal，在此基礎(chǔ)上計(jì)算微孔洞區(qū)域像素所占整個(gè)圖片像素的比例，用以表示材 料連續(xù)性損傷單量，表示為
對(duì)所計(jì)算的若干? A:,數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其在一定置信度下的平均值用以表達(dá)非 連續(xù)性損傷因子Din; 第三步，測(cè)量并計(jì)算硬度損傷因子：使用顯微硬度儀測(cè)量截面上從熔覆涂層到基體內(nèi) 部的硬度分布曲線，從上之下依次劃分為熔覆層、重熔區(qū)、熱影響區(qū)，試件表面以上為熔覆 層，取重熔區(qū)最大深度為熱影響區(qū)最大深度為d h，選擇截面上熔覆層頂點(diǎn)所在縱向直 線與試件表面相交處為原點(diǎn)，在熔覆層內(nèi)測(cè)量若干個(gè)點(diǎn)，在基體內(nèi)測(cè)量若干個(gè)點(diǎn)，相鄰點(diǎn) 之間間距為〇. 1mm，計(jì)算基體軟化水平Dhvs及硬度梯度，對(duì)梯度大小進(jìn)行歸一化處理得到 Dhvj；，構(gòu)建硬度損傷因子分量函數(shù)Dhv= D(Dhv_s，Dhvj;)，函數(shù)D選擇需滿足在自變量區(qū)間 [〇，1] X [0，1]內(nèi)連續(xù)且單調(diào)增。其中的自變量的計(jì)算方法如下 軟化損傷：
其中，HVmi，HVb分別表示熱過(guò)程導(dǎo)致的基體軟化區(qū)的硬度最小值和正?；w的硬度 硬度水平； 硬度梯度G的計(jì)算為硬度曲線上相鄰兩個(gè)點(diǎn)的差值除以間距0. 1mm，對(duì)于硬度梯度因 子的表述首先需定義兩個(gè)理論上的最大梯度和最小梯度值，分別表示為
其中HV_^P d i min*別表示硬度曲線上的最大值、相鄰硬度壓痕中心在對(duì)角線方向的 最小距離，根據(jù)壓痕大小與壓力大小之間的關(guān)系，Cli min表示為
其中F表示硬度測(cè)量所選用的壓力大?。╧gf)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算梯度損傷為
第四步，進(jìn)行熔覆仿真分析并計(jì)算應(yīng)力損傷因子：建立與物理模型對(duì)應(yīng)一致的有限元 模型對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，待到試件完全冷卻后，定義熔覆層對(duì)稱(chēng)面上中部貫穿上 下表面的一條路徑，獲取殘余應(yīng)力第一主應(yīng)力沿該路徑的分布曲線并導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)，分別 取應(yīng)力曲線上熔覆層內(nèi)第一主應(yīng)力的最大值及基體內(nèi)應(yīng)力的最大值計(jì)算得到應(yīng)力損傷因 子D。為
公式中〇 d，〇 bl，Orf以及〇 bt分別表示路徑第一主應(yīng)力曲線上應(yīng)力在熔覆層內(nèi)和基 體內(nèi)的最大值以及熔覆材料和基體材料的抗拉強(qiáng)度； 第五步，構(gòu)建通用損傷函數(shù)f，使得綜合損傷量大小為D = f (Din, Dhv, D。），該函數(shù)的構(gòu) 造滿足以下條件： 1)函數(shù)定義域?yàn)閇〇, 1] X [0, 1] X [0, 1]，并且在定義域內(nèi)任意點(diǎn)可微；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，其特征在 于：步驟1中基體尺寸為80mmX30mmX 10mm，涂層位于沿基體長(zhǎng)度方向中間位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，其特征在 于：步驟2中對(duì)截面進(jìn)行拋光處理達(dá)到鏡面效果，拋光使用金相砂紙手工完成，砂紙的選用 由粗到細(xì)，最后使用金剛石研磨膏進(jìn)行研磨，拋光后將截面使用丙酮清潔干凈，顯微圖片的 拍攝視野為截面中熔覆涂層〇. ImmXO. Imm范圍內(nèi)，拍攝圖片數(shù)量為50張，將每一張圖片在 Photoshop軟件中打開(kāi)，使用魔棒工具選擇微孔洞區(qū)域并統(tǒng)計(jì)其像素，計(jì)算50個(gè)數(shù)值， 在MATLAB軟件中使用Weibull分布函數(shù)對(duì)所計(jì)算的50個(gè)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算50 個(gè)把數(shù)值在95%置信度下的平均值用以表達(dá)非連續(xù)性損傷因子Din。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，其特征在 于：步驟3中在熔覆層內(nèi)測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，在基體內(nèi)測(cè)量25個(gè)點(diǎn)，相鄰點(diǎn)之間間距為0. 1mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，其特征在 于：步驟4中使用ANSYS軟件建立與物理模型對(duì)應(yīng)的有限元模型，建立縱向?qū)ΨQ(chēng)模型的一半 對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種激光熔覆再制造產(chǎn)品熱損傷特征的定量評(píng)估方法，用于解決現(xiàn)有熱損傷評(píng)估方法中特征單一、無(wú)法定量描述等技術(shù)問(wèn)題。該方法使用結(jié)構(gòu)微觀連續(xù)性破壞特征，相變以及材料本身性質(zhì)差異導(dǎo)致的硬度劇變和基體軟化，影響疲勞壽命的殘余拉應(yīng)力等物理量共同描述損傷。技術(shù)方案是使用與激光熔覆再制造產(chǎn)品相同的材料相同的工藝在規(guī)整表面進(jìn)行單道熔覆，通過(guò)試驗(yàn)方法檢測(cè)熔覆層橫截面上的微孔洞特征及截面上的硬度曲線特征，通過(guò)有限元方法計(jì)算激光熱過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力特征。對(duì)從試驗(yàn)和仿真結(jié)果中得到的損傷特征，結(jié)合其對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響通過(guò)數(shù)學(xué)變換將其轉(zhuǎn)化為0～1之間的標(biāo)量，以達(dá)到定量描述損傷的目的。
【IPC分類(lèi)】G01N3-40
【公開(kāi)號(hào)】CN104819904
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510019356
【發(fā)明人】田威, 曾超, 廖文和
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年1月14日