模拟计算结果

图5-3为激光功率密度为53000W/cm2，激光重熔扫描速度为8m/min时，在不同时刻（0.2s、0.25s、0.3s和0.45s）有限元计算所得激光重熔试样整体的温度场分布结果。从图5-3可以看出，随着时间的增加，激光热源沿熔覆层纵向向前移动，在激光的下方由于激光的辐照作用，其温度值最高。当时间为0.2s时，重熔层的最高温度为1456K；0.25s时，最高温度为1851K；0.3s时，最高温度为2220K；在0.45s时，其最高温度也是2220K。因此可以得出，在开始的一段时间内，温度场是不稳定的，但重熔经0.3s以后，便达到了饱和的状态，形成暂时稳定的温度场。此时试样上每点的温度虽然都随时间而变化，但当激光热源移动时，则发现温度场与激光热源以相同的速度跟随。类似于焊接时形成的准稳定温度场，若采用移动坐标系，坐标的原点与热源的中心相重合，试样上点的温度只取决于系统的空间坐标，而与时间无关［143］。本研究在进行激光重熔工艺时，在激光重熔试样前、后都放置一定长度的基体板材，从而保证获得的整个重熔层的温度分布处于饱和状态，即具有相同的温度分布和热循环过程，最终整个重熔层的组织分布也是均匀一致的。

图5-3 经激光重熔不同时间时的有限元计算结果

（a）0.2s （b）0.25s （c）0.3s （d）0.4s

为更好地了解激光重熔时不同截面处的温度分布值，图5-4给出了在激光热源下方重熔层截面的温度分布图。由图5-4（a）可以看出，温度的最高值出现在重熔层的顶端，由于激光熔覆层和基体的热传导作用，由表及里，温度值逐渐降低。将图5-4（a）中的计算结果进行处理，给出其中大于熔覆层材料熔点（1304K）的区域，如图5-4（b）中深色区域所示。图5-4（b）表明，在熔覆层中部被重熔的深度较大，而由中间到两侧重熔层的深度逐渐降低。这主要是由于在激光辐照时，熔覆层两侧的导热条件更好造成的。

图5-4（c）为模拟结果和试验结果的对比，左半部分为有限元计算结果，右半部分为重熔层截面的扫描电镜宏观照片，在重熔层内的上半部分深灰色区为重熔层。由图5-4（c）可以发现使用本研究中的加载方式和单元划分，所获得的激光重熔层宽度及深度和试验所获得的结果非常接近。也就是说，本研究采用的有限元计算模型是基本正确的，计算结果可以用来分析后续的合金在重熔过程中的热循环行为。

图5-4 稳定阶段温度场在截面的分布

（a）、（b）有限元计算结果 （c）试验结果

图5-5为激光重熔过程采用不同激光扫描速度时计算所得重熔层顶端的热循环（温度时间）曲线。由图可见在激光重熔时，激光光源移动到熔覆层某一位置时，该处的温度迅速上升，到达峰值温度后又快速冷却降温。在不同扫描速度时，其峰值温度是不一致的，扫描速度越低，其峰值温度越高，这是由于在扫描速度降低时，相当于在单位长度上激光辐照的时间增加，从而有更多的热流导入熔覆层所致。为考察熔覆层合金在重熔过程中的非晶形成能力，对重熔过程的冷却速率这一参数进行考察是十分必要的。随着液相温度的降低，当降至Tm（液态合金的凝固温度）以下进入Tm～Tg范围时（Tg为合金的玻璃化温度），液相处于过冷状态而可能发生结晶；如冷速很快使形核来不及进行而温度降至Tg以下，液相的黏度大大增加，原子迁移难以进行，处于“冻结”状态，故结晶过程被抑制而进入玻璃态。合金由液相转变为非晶态（金属玻璃）的能力，既决定于冷却速率也决定于合金成分等多项因素。由液相最高温度到Tg之间能够抑制结晶过程实现非晶化的最小冷速称为临界冷速。因此本研究在针对熔覆涂层重熔过程的热过程模拟结果的分析，也采用由液相最高温度到该合金的玻璃化温度（Tg）之间的温度差与冷却时间之间的比值作为其冷却速率。这种计算方式也在多个非晶态合金的研究中得到应用［144］。本研究的Ni-Fe-B-Si-Nb合金体系其玻璃化温度Tg为743K。

图5-5 不同重熔扫描速度时重熔涂层在重熔过程的热循环曲线

图5-5中，采用不同扫描速度进行激光重熔时，其冷却速率也是不同的。在有限元计算结果中找出不同扫描速度时，对应的峰值温度以及由峰值温度冷却到玻璃化温度所需的时间，就可得出在考察过冷液体非晶形成能力时对应的冷却速率这一重要参数。重熔时激光扫描速度不同对重熔层顶部冷却速率的影响如图5-6所示。图5-6表明，随重熔时激光扫描速度的增加，重熔合金的冷却速率也逐渐增加。激光重熔时冷却速率的数量级为104K/s。由第2章的研究结果可知，当重熔时激光功率密度为53000W/cm2、扫描速度为6m/min时，重熔层内获得了部分非晶组织，但是在重熔层内还存在部分晶体相组织。而当重熔时激光扫描速度为8m/min时，重熔层内除NbC颗粒外，基本为非晶组织，也就是说当激光重熔扫描速度为8m/min时，可基本抑制晶体的形核和长大现象。因此这里重点讨论，激光功率密度为53000W/cm2，扫描速度为8m/min时重熔过程的热循环特点。

图5-6 激光重熔时激光扫描速度对重熔层冷却速率的影响

图5-7为激光功率密度为53000W/cm2，重熔扫描速度为8m/min时，在同一重熔层内，有限元计算所得涂层截面不同位置处的热循环曲线。可以看出，在重熔层截面顶端，其峰值温度及冷却速率都最高。随深度的增加，其峰值温度和冷却速率逐渐降低。在深度为250μm时，其峰值温度为1350K，略高于合金的熔点。再继续深入，其峰值温度已低于合金的熔点，不能使合金熔化，这也和扫描电镜微观组织观察结果相统一。由有限元计算结果可得不同深度处的冷却速率结果如图5-8所示。

图5-7 重熔涂层截面不同深度处在重熔过程的热循环曲线

图5-8 激光重熔涂层不同深度处的冷却速率