本文采用有限元法计算分析在不同工艺条件下 FeCrNiMo 不锈钢合金粉末在 27SiMn 钢基板上的激光熔覆过程中的温度场和应力应变场的演变过程。针对该研究对象特点， 做出以下基本假设：(1) 工件连续且均匀， 忽略材料内部的孔隙， 裂纹及其他缺陷对材料热物性参数的影响；(2) 热源的输入功率稳定， 不随时间发生波动；(3) 热辐射系数和激光吸收率均匀稳定， 不随温度和工件状态变化；(4) 固液两相区界面、 熔覆层与基板界面均为连续介质， 忽略界面热阻对传热的影响；(5) 忽略熔池内部液体的流动和搅拌作用对传热的影响。

? ? ? 为研究熔覆层上某点在整个激光熔覆过程中的 Mises 应力变化历程， 取图 1 中的点 G 和点 H分别作 Mises 应力 - 时间曲线， 如图 7 所示。在不同功率情况下， 点 G 的 Mises 应力变化趋势相似， 随着激光输入功率增大， 输入能量密度提高，熔覆层中心线附近的应力下降。熔覆层边缘 H 点的Mises应力随温度程波动变化：在0.5~1.5s时段，激光光斑位于点 G 附近， 点 G 为熔池区域， 应力接近为零；而熔覆层焊趾部位（H 点） 处于固液界面附近， 存在较大温度梯度， 从 0.5s 到 1.5s 时段， 应力迅速升高， 并达到一个局部的峰值。随光斑移开后， H 点的应力有所波动， 此后随冷却继续进行， 应力又缓慢增大， 并趋于稳定。随着输入功率（能量密度） 的增大， 熔覆层焊趾（H 点）的应力峰值增大， 因此当输入能量密度较高时（如功率 3000W 能量密度为 40 J/mm3?时） ， 熔覆层容易在边缘发生开裂， 这与图 4(c) 的实验结果相吻合。整体而言， 熔覆层在对称中心线附近（点 G）的应力较熔池焊趾部位（点 H） 的更大。

? ? ? 其中，?εe?是弹性应变量， 与材料的杨氏模量有关；εie?是非弹性应变量， 与屈服极限、 塑性关系有关；εth?是热膨胀导致的应变量， 与材料的热膨胀系数有关， 上述材料参数也都是与温度相关，并呈非线性关系的物理量， 可通过一系列材料性能实验获得。

摘要：针对煤矿液压支架和海洋平台立柱的表面防护与修复的工程需求，采用 FeCrNiMo 马氏体不锈钢粉末在27SiMn 结构钢基体表面进行激光熔覆，以改善基体表面的耐磨、耐蚀综合性能。本文旨在研究激光能量密度对FeCrNiMo 熔覆层的截面特征及其开裂倾向的影响，采用热力耦合有限元模拟方法，基于双椭圆平面热源模型，计算分析了 FeCrNiMo 不锈钢粉在 27SiMn 钢基板表面的激光熔覆过程中，在不同的激光输入能量密度条件下，熔覆层的温度场和应力场的演变过程。并采用相同工艺参数进行激光熔覆实验，通过稀释率（熔覆层横截面中，母材熔化的面积与整个熔覆层横截面积的百分比）和熔宽情况的对比，以验证模拟结果的可靠性。进而研究激光能量密度对熔覆层稀释率、熔宽及其开裂倾向的影响规律。熔覆层的稀释率、熔宽均随输入能量密度的增加而增大，当输入功率达到 3000W，熔覆速度 6mm/s 时可获得较理想的稀释率和熔宽。而熔覆层边缘的应力随输入能量密度的增加而增大，其开裂倾向增大；而熔覆层中心线附近的应力随功率增大而有所降低。在激光熔覆过程中提高输入能量虽有利于增大熔宽，提高熔覆效率，但是同时增加了熔覆层的稀释率及其边缘开裂倾向。

本文所研究的激光熔覆工艺特点是：光斑面积较大， 移动速度较低 (6mm/s)， 类似于热导型焊接， 因此本文拟采用双椭圆平面热源模型来模拟该激光熔覆过程。为探究 FeCrNiMo 不锈钢激光熔覆过程中的温度场以及工件中的应力分布状况，优化熔覆工艺， 减少其开裂倾向， 本文拟采用热力耦合有限元模拟的方法， 分析 FeCrNiMo 不锈钢粉末在 27SiMn 高强结构钢基体表面的激光熔覆过程， 并研究熔覆工艺对其熔覆层质量和开裂倾向的影响。

? ? ? 本文采用有限元法对 FeCrNiMo 马氏体不锈钢粉末在 27SiMn 结构钢基板表面的激光熔覆过程进行了模拟计算， 并分析了熔覆过程的温度历程， 及其对熔覆层熔宽及稀释率的影响， 以及应力演变历程对熔覆层开裂倾向的影响， 得出如下结论。
? ? ? (1) 随着输入功率和能量密度的增加熔覆层的稀释率、 熔宽逐渐增大， 但当功率为 2400W， 能量密度为 32J/mm3?时， 粉层刚好可以完全熔透，但稀释率极低几乎为零， FeCrNiMo 熔覆层与27SiMn 母材难以形成良好的冶金结合。当功率为3000W， 能量密度为 40J/mm3?时， 熔覆层可以稳定沉积， 具有一定的稀释率。熔池附近温度分布极为不均， 从中心到外缘温度梯度极大。

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