激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，特别是涉及一 种使用异种金属材料进行熔覆再制造的产品的损伤特征的定量评估方法。
【背景技术】
[0002] 近年来激光熔覆技术广泛受到人们的关注，并且正在逐渐被应用到高附加值工业 产品的表面改性以及再制造等过程中去。当前人们围绕该技术展开的研宄主要以如何对 工艺进行优化以提高产品的使用性能为主，但是对于其中的损伤特征及其评价方法研宄较 少。对于过程热损伤的研宄，由于缺乏统一的评价标准和严格的定义，在不同的行业有不同 的表述方式，比较典型的研宄领域主要包括磨削、刹车制动以及焊接等。对于磨削，热损伤 一般被认为是伴随工件材料的再奥氏体化而产生，其本质是材料受磨削热作用而产生微观 组织变化。对于其损伤程度的评价还局限在一种简单的目测观察上，例如通过磨削后试件 的颜色来区分是属于正常磨削、过度磨削还是非正常磨削（"平面磨削温度场及热损伤的 研宄"，博士学位论文，湖南大学，2008年）。对于高速刹车引起的制动盘、车轮踏面的热损 伤，一般被视作为材料的塑性变形、微裂纹的形成与扩展等，主要宏观表现形式为热斑、热 裂纹以及热应力引起的开裂等（"Thermallevelsandsubsurfacedamageinducedby theoccurrenceofhotspotsduringhigh-energybraking''，Wear, 2011 年第270卷5-6 期，355-64.)。此外，在车轮周向拉应力的出现也被视作热损伤的一种表现形式（"Wheel thermaldamagelimits''，ProceedingsofIEEE/ASMEJointRailroadConference, 1994 年3月22-24,NewYork,NY,USA:IEEE;57-63.)。Wang基于材料连续性的破坏对焊接热 影响区的塑性疲劳损伤行为建立了连续损伤力学模型进行研宄（"Acontinuumdamage modelforductilefractureofweldheataffectedzone''，EngineeringFracture Mechanics, 1991年第40卷6期，1075-1082)。Hasebe等认为热损伤主要是由于相变而导 致材料微观结构的退化，因为这种相变会导致相邻材料力学性能的差异（"Microstrueture degradationinstainlesssteelweldmetalsduetothermalandmechanical histories''，MaterialsScienceResearchInternational, 1997年第3卷3期，178-184) 〇 针对激光熔覆热损伤的评估，Zeng等人对金属陶瓷层中铸造WC颗粒的烧损方式和机理进 行了研宄，阐述了WC颗粒的烧损类型并建立了评定其烧损率的半定量公式（"Heatdamage mechanismsandevaluationmethodofWCparticlesinlasercladWC_Nicomposite coating"，ActaMetallurgicaSinica, 1997年第33卷8期，863-868)。意大利的Valsecchi 等人认为激光熔覆的热损伤出现在基体中，他们认为有望通过热影响区的微观结构分析 和显微硬度测量对热损伤进行研宄（"Characterisationofthethermaldamagein amartensiticsteelsubstrateconsequenttolasercladdingprocess''，Procedia Engineering, 2011年第10卷，2851-2856)。然而以上这些方法对于热损伤特征的评价指标 都相对单一，并且都是定性的评价。暂未发现针对激光熔覆再产品制造过程热损伤程度进 行定量评估的方法。
【发明内容】
[0003] 为了对激光熔覆再制造产品的热损伤特征进行定量评价，本发明提供一种包含多 参量的损伤特征定量评估方法。该方法通过选用与熔覆再制造产品相同的材料在规整表 面进行单道熔覆并对熔覆后的损伤特征进行描述，用以评估相同工艺参数下再制造产品的 损伤水平。该方法对于损伤特征的评估主要是通过材料微观连续性破坏，相变以及材料性 质差异导致的大硬度梯度以及残余应力特征等进行综合评价。通过将损伤特征量限定在 〇~1的区间内，实现了与经典损伤力学接轨的损伤定义方法，其现实意义在于能对激光熔 覆再制造产品的损伤程度进行定量评估。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光熔覆再制造产品热损伤特 征的定量评估方法，其特点是包括以下步骤：
[0005] 第一步，恪覆试样制备：选择与再制造产品基体材料相同的试块作为基体，选择拟 用于涂覆制造的粉末金属材料为熔覆材料，在试块表面进行单道熔覆；
[0006] 第二步，测量并计算微观连续性破坏损伤因子：在熔覆涂层中间部位横向垂直于 试件表面将试件切开，对截面进行抛光处理，将抛光截面的熔覆涂层置于光学显微镜下，选 择不同位置随机拍摄若干张显微图片；
[0007] 图像摄取完成后，统计每一张图片中微孔洞区域像素，同时统计整个图片像素，分 另IJ记为Pp_sity和ptotal，在此基础上计算微孔洞区域像素所占整个图片像素的比例，用以表 示材料连续性损伤单量，表示为
[0008]
【主权项】
1. 一种激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，其特征在于包括以下步骤： 第一步，熔覆试样制备：选择与再制造产品基体材料相同的试块作为基体，选择拟用于 涂覆制造的粉末金属材料为熔覆材料，在试块表面进行单道熔覆； 第二步，测量并计算微观连续性破坏损伤因子：在熔覆涂层中间部位横向垂直于试件 表面将试件切开，对截面进行抛光处理，将抛光截面的熔覆涂层置于光学显微镜下，选择不 同位置随机拍摄若干张显微图片； 图像摄取完成后，统计每一张图片中微孔洞区域像素，同时统计整个图片像素，分别记 为Pp_sity和Pttrtal，在此基础上计算微孔洞区域像素所占整个图片像素的比例，用以表示材 料连续性损伤单量，表示为
对所计算的若干? A:,数值进行统计分析，计算其在一定置信度下的平均值用以表达非 连续性损伤因子Din; 第三步，测量并计算硬度损伤因子：使用显微硬度仪测量截面上从熔覆涂层到基体内 部的硬度分布曲线，从上之下依次划分为熔覆层、重熔区、热影响区，试件表面以上为熔覆 层，取重熔区最大深度为热影响区最大深度为d h，选择截面上熔覆层顶点所在纵向直 线与试件表面相交处为原点，在熔覆层内测量若干个点，在基体内测量若干个点，相邻点 之间间距为〇. 1mm，计算基体软化水平Dhvs及硬度梯度，对梯度大小进行归一化处理得到 Dhvj；，构建硬度损伤因子分量函数Dhv= D(Dhv_s，Dhvj;)，函数D选择需满足在自变量区间 [〇，1] X [0，1]内连续且单调增。其中的自变量的计算方法如下 软化损伤：
其中，HVmi，HVb分别表示热过程导致的基体软化区的硬度最小值和正常基体的硬度 硬度水平； 硬度梯度G的计算为硬度曲线上相邻两个点的差值除以间距0. 1mm，对于硬度梯度因 子的表述首先需定义两个理论上的最大梯度和最小梯度值，分别表示为
其中HV_^P d i min*别表示硬度曲线上的最大值、相邻硬度压痕中心在对角线方向的 最小距离，根据压痕大小与压力大小之间的关系，Cli min表示为
其中F表示硬度测量所选用的压力大小（kgf)，在此基础上计算梯度损伤为
第四步，进行熔覆仿真分析并计算应力损伤因子：建立与物理模型对应一致的有限元 模型对熔覆过程进行热力学分析，待到试件完全冷却后，定义熔覆层对称面上中部贯穿上 下表面的一条路径，获取残余应力第一主应力沿该路径的分布曲线并导出相关数据，分别 取应力曲线上熔覆层内第一主应力的最大值及基体内应力的最大值计算得到应力损伤因 子D。为
公式中〇 d，〇 bl，Orf以及〇 bt分别表示路径第一主应力曲线上应力在熔覆层内和基 体内的最大值以及熔覆材料和基体材料的抗拉强度； 第五步，构建通用损伤函数f，使得综合损伤量大小为D = f (Din, Dhv, D。），该函数的构 造满足以下条件： 1)函数定义域为[〇, 1] X [0, 1] X [0, 1]，并且在定义域内任意点可微；
2. 根据权利要求1所述的激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，其特征在 于：步骤1中基体尺寸为80mmX30mmX 10mm，涂层位于沿基体长度方向中间位置。
3. 根据权利要求1所述的激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，其特征在 于：步骤2中对截面进行抛光处理达到镜面效果，抛光使用金相砂纸手工完成，砂纸的选用 由粗到细，最后使用金刚石研磨膏进行研磨，抛光后将截面使用丙酮清洁干净，显微图片的 拍摄视野为截面中熔覆涂层〇. ImmXO. Imm范围内，拍摄图片数量为50张，将每一张图片在 Photoshop软件中打开，使用魔棒工具选择微孔洞区域并统计其像素，计算50个数值， 在MATLAB软件中使用Weibull分布函数对所计算的50个数值进行统计分析，计算50 个把数值在95%置信度下的平均值用以表达非连续性损伤因子Din。
4. 根据权利要求1所述的激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，其特征在 于：步骤3中在熔覆层内测量5个点，在基体内测量25个点，相邻点之间间距为0. 1mm。
5. 根据权利要求1所述的激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，其特征在 于：步骤4中使用ANSYS软件建立与物理模型对应的有限元模型，建立纵向对称模型的一半 对熔覆过程进行热力学分析。
【专利摘要】本发明公开了一种激光熔覆再制造产品热损伤特征的定量评估方法，用于解决现有热损伤评估方法中特征单一、无法定量描述等技术问题。该方法使用结构微观连续性破坏特征，相变以及材料本身性质差异导致的硬度剧变和基体软化，影响疲劳寿命的残余拉应力等物理量共同描述损伤。技术方案是使用与激光熔覆再制造产品相同的材料相同的工艺在规整表面进行单道熔覆，通过试验方法检测熔覆层横截面上的微孔洞特征及截面上的硬度曲线特征，通过有限元方法计算激光热过程产生的残余应力特征。对从试验和仿真结果中得到的损伤特征，结合其对结构强度的影响通过数学变换将其转化为0～1之间的标量，以达到定量描述损伤的目的。
【IPC分类】G01N3-40
【公开号】CN104819904
【申请号】CN201510019356
【发明人】田威, 曾超, 廖文和
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年1月14日