摘要：目的通过模拟钢基体表面电火花沉积钨涂层过程中的熔池区域温度场变化及其残余应力分布，以更好的理解电火花沉积钨涂层的工艺过程，得到钨涂层成膜过程中的温度场分布和残余应力形成机制;方法采用了电极低速旋转与上下点动相结合的电火花沉积工艺，由点到线再到面的沉积顺序，在钢基体表面均匀制备了抗烧蚀钨涂层，同时，采用ANSYS仿真软件对该工艺制备的钨涂层的温度场和残余应力进行了模拟与仿真;结果采用高斯热源模型较好的模拟出了电火花沉积钨涂层过程中熔池区域温度场分布，并在此基础上，将温度场分布数据作为应力分析的载荷导入到力学分析模型中，实现了温度场与应力场的耦合计算，得到了钨涂层沉积过程中熔池区域的应力变化状态和凝固后的残余应力大小;结论随着电火花沉积功率的增大，熔池直径和深度均会增加，熔池峰值温度增高，电火花沉积的钨涂层的残余应力增大;单排钨涂层沉积过程中，除第一个熔池外，其余熔池都会受到前一个熔池的影响，相对于单点钨涂层残余应力明显减小;多排熔池群形成的钨涂层残余应力大小主要与沉积速率有关，沉积速率越快，钨涂层残余应力越大。
关键词:电火花沉积钨涂层温度场残余应力有限元模拟
引言
为进一步提高固体火箭发动机的工作时间和推力，要求作为动能转换装置的喷管必须具有优异的抵抗高温燃气烧蚀和高速固体颗粒冲刷作用的特性，在喷管喉部制备高熔点抗烧蚀涂层成为重要发展方向。钨的熔点高达3410℃，室温强度高达800MPa，具有良好的化学稳定性以及高温特性，2000℃高温环境下的导热性能达(105±10)W/(mžK)，而1500℃时热膨胀系数仅为7.4×10-6K-1，是非常好的喷管抗烧蚀涂层材料。相对于传统等离子喷涂、物理化学气相沉积和激光熔覆等钨涂层制备工艺，电火花沉积技术具有热影响区小，工件不易变形，涂层与基体冶金结合强度高，工件温升低不影响基体材料力学性能等优势，非常适合钢基体喷管喉部制备抗烧蚀、耐冲刷钨涂层[1-8]。
电极高速旋转式电火花沉积工艺采用的是线接触模式，能够在平面类钢基体表面沉积出厚度较为均匀的涂层。但是，高速旋转的电极难以在异型内孔表面走出规则的直线状轨迹，无法满足喷管喉部抗烧蚀钨涂层的均匀制备，本文采用了电极低速旋转与上下点动相结合的电火花沉积工艺，由点到线再到面的沉积顺序，在钢基体喷管喉部均匀制备了抗烧蚀钨涂层。钨涂层沉积过程中，电极材料与钢基体接触的区域形成电弧放电作用，钢基体表面在电弧作用下产生高温热源，电弧放电区域受到急速的加热作用，进而形成熔融态熔池，熔池区域及周围的材料先是被急速加热、溶化，热膨胀作用下向周围传递压应力，形成超过屈服极限的热压缩;当电弧放电结束后，这部分熔融态的材料会迅速向周围未加热区域传导热量，形成凝固现象，冷却凝固过程中的收缩变形又会受到周围较冷区域的限制，因而产生向内的拉应力，这种拉应力不可避免[9-17]。
1.3有限元模型
根据电火花沉积钨涂层的厚度和结构特征，在通用有限元网格划分软件HYPERMESH中进行几何建模和网格划分，为提高模拟结果的准确性，对仿真模型进行了简化，钢基体即选取80mm×80mm方形结构，钨涂层厚度取100μm，划分4层网格，放电热源区域取与电极直径相同的3mm，总体网格尺寸约为0.2mm，单元总量20万，网格模型如图2所示。
计算模型的位移边界条件为：释放边界X方向的平动自由度，限制其转动自由度，Y向边界释放全部自由度，如图3所示。电火花沉积钨涂层的残余应力模拟仿真需要满足的边界条件为：(1)计算模型初始条件选取室温25℃;(2)残余应力模拟仿真模型分别模拟三种热载荷工况，即：①单个熔池的残余应力状态分析，残余应力分析模型中熔池为1个;②单排熔池群的残余应力分析，残余应力分析模型中熔池为1×10=10个，依次从左到右的顺序进行沉积;③多排熔池群的残余应力分析，残余应力分析的模型中熔池为7×10=70个，依次从左到右和从上到下的顺序进行沉积。
1.4材料属性
由于熔池的形成过程是瞬态非线性加热过程，金属材料的物理化学性能参数如比热、导热系数等受温度影响较大，电火花沉积钨涂层过程中，温度变化速度较快，为了精确模拟电弧放电过程的温度场，需要知道涂层材料和基体材料的热物理性能参数，及其与温度之间的变化关系。本文电极材料为纯钨，钨含量达到99%以上，基体材料为PCrNi3MoVA炮钢，其成分如表1所示，涂层和基体材料的基本物理性能参数如表2所示。涂层与钢基体之间为冶金结合，通过能谱分析表明涂层材料中含有大约30%左右的钢基体成分，因此对材料属性作了如下假设：(1)涂层材料主要成分为钨，质量百分数为70%，钢基体成分为30%;(2)涂层材料均匀且各向同性，不考虑微观缺陷;(3)涂层材料的热物理性能为温度的函数，采用专业软件(JMATPRO等)对这些函数进行了拟合，结果如图4所示。
2结果与讨论
2.1温度场分析
图5是电火花沉积功率900W(a，b)和1200W(c，d)条件下，图3中模型1点处多个脉冲放电结束后单个熔池的温度场分布。可以看出，电源输出功率为1200W时，熔池核心温度最高达到1744℃，不同功率条件下电火花沉积的钨涂层，在基体材料上形成熔池的直径都与采用的钨合金电极直径相近;相对于低功率900W电火花沉积的钨涂层，高功率1200W沉积钨涂层过程中，形成的单个熔池直径和深度都有明显的增大和加深。此外，随沉积停留时间的延长，单个熔池的热影响区直径变大，深度变深。
图5(a)和(b)为低功率900W条件下，电火花沉积钨涂层过程中形成的单个熔池及其热影响区温度场分布，当沉积停留时间为0.72s时，单个熔池热影响区直径为3.06mm，热影响区深度0.27mm;当沉积停留时间增加到1.10s后，单个熔池热影响区直径增加到3.52mm，热影响区深度增加到0.36mm;当沉积停留时间达到1.53s后，单个熔池热影响区直径达到3.98mm，热影响区深度达到0.45mm。图5(c)和(d)为高功率1200W条件下，沉积钨涂层过程中形成的单个熔池热影响区温度场分布，当沉积停留时间为0.72s时，单个熔池热影响区直径就达到了3.39mm，热影响区深度0.34mm，随沉积停留时间的延长，单个熔池热影响区直径和深度都有较大的增加趋势，且形成的温度梯度更明显。
电火花沉积钨涂层过程中，单个熔池的形态、尺寸需要与钨电极保持协调，否则会导致结合力不足、厚度不均和涂层孔洞等缺陷，单个熔池的形态、尺寸主要与电火花沉积过程中的电源输出功率、沉积停留时间等参数有关。如果熔池过小，表明电源输出的功率不足或者沉积停留时间过短，会造成熔池不完整和熔融深度不足，进而导致熔池之间的重叠部位不统一，严重影响沉积的钨涂层均匀性、结合力等性能;反之若熔池过大，表明电源输出的功率太大或者沉积停留时间过长，呈熔融态的熔池材料会发生比较严重的“飞溅”现象，造成涂层厚度降低，涂层均匀性不好，甚至形成气泡、孔洞等缺陷。因此，电源输出功率和沉积停留时间是影响熔池形态和尺寸的主要因素，通过ANSYS模拟仿真软件计算得到的熔池状态，可以获得熔池状态随工艺参数变化的趋势，进而优化电流、电压、沉积速率等工艺参数。
图6是电源输出频率100Hz、沉积功率900W和1200W条件下在图3模型1点处熔池温度随时间变化曲线。可以看出，在电火花沉积钨涂层的开始阶段，钨电极与钢基体表面形成的熔池温度急剧升高到4000℃，但是会在0.004s时间内迅速回落到1500℃～1700℃，并趋于稳定。电源输出频率为100Hz时，一个脉冲周期为0.01s，如果钨电极在钢基体表面停留时间为0.72s，则该段时间内会有72个脉冲，每个脉冲都会形成一个4000℃的峰值并迅速回落的温度曲线，最终得到如图6所示的温度曲线，熔池温度场由多个脉冲周期形成的电弧放电叠加而成。此外，仿真结果表明当采用900W的电火花沉积功率时，电弧放电温度明显低于采用1200W沉积功率形成的电弧放电温度。
图7是沉积停留时间0.72s沉积功率900W和1200W条件下图3模型1点处熔池温度随深度变化曲线。可以看出，涂层的表面温度最高，随着深度的增加，涂层及基体材料受到的热影响急剧变小，温度随深度的增加而快速降低，同时可以看到，同一深度条件下，采用的沉积功率越高，基体材料的温度越高，对涂层及基体材料在深度方向的影响也越大。
2.2残余应力分析
2.2.1单个熔池残余应力分析
图8是沉积单点涂层形成的单个熔池在X方向的应力σx和Y方向的应力σy的变化云图及其应力变化曲线，从图8(a)和(b)可以看到，当沉积停留时间为0.72s时，可以得到与熔池形状几乎相同的应力分布状态，并向熔池周围扩散。此时，峰值应力主要集中在-309MPa到244MPa之间，拉应力和压应力并存，熔池中心部位以压应力为主，最大压应力集中在熔池边缘，熔池周围的应力以拉应力为主。
图8(a)是单个熔池在X方向的应力分布云图，(c)是单点熔池以圆心为原点X轴上的主应力分布状态，可以看到，X方向应力集中于熔池边缘，以压应力为主，远离熔池中心的区域呈正向的拉应力，正负交替的变化速率较大，应力曲线以Y轴为对称轴呈左右对称状态。图8(b)是单个熔池Y方向的应力分布云图，(d)是单点熔池以圆心为原点Y轴上的主应力分布状态，可以看到，Y方向的应力曲线以X轴为对称轴呈左右对称状态。
单点钨涂层的电火花沉积过程中，仅仅在钢基体表面形成单个熔池，不会受到周围熔池的影响，残余应力大小主要受到电火花沉积功率和沉积停留时间等参数的影响。图9为沉积停留时间0.72s不同沉积功率下制备的钨涂层等效残余应力σMises计算结果。结果表明，随沉积功率的增加，制备的钨涂层等效残余应力呈增加的趋势，当沉积功率由900W增加到1200W后，钨涂层表面的残余应力从290MPa增加到了340MPa。同时可以看到，随着深度的增加，残余应力快速减小，当深度达到200μm以后，残余应力快速减小。
2.2.2单排熔池残余应力分析
采用从左到右的沉积顺序沉积9个点，在钢基体表面进行直线状钨涂层的电火花沉积，对其形成的单排熔池群残余应力进行了仿真分析，得到了如图10所示的应力变化云图。对单排直线状熔池在X方向应力σx和Y方向应力σy的变化云图进行了分析，结果表明：钨涂层既存在-200MPa的压应力，也存在171MPa的拉应力，X方向的应力σx从左到右呈递减的趋势，即左面主要受拉应力，右面主要受压应力。这是因为在X方向，当前熔池会受到前一个熔池的高温和残余应力的影响，由于两个熔池间的沉积间隔时间较短，前一个熔池的高温相当于对钢基体表面进行了预热处理，减少了钨涂层与基体材料之间的温度梯度。Y方向的应力σy以X轴为对称轴呈对称状态，这与单个熔池的残余应力状态几乎相同。
对X方向和Y方向的应力的主应力区进行分析，以当前熔池圆心为原点，沉积移动方向为X轴，建立坐标系，以位置坐标为X轴，主应力为Y轴，建立主应力区位置坐标曲线，如图10(c)和(d)所示，可以看到，X方向的应力变化曲线呈左高右低的变化趋势，形成了一个拉应力到压应力的过渡区，Y方向的应力大小以X轴为对称轴而对称。
电火花沉积钨涂层是一个局部不均匀加热和冷却的过程，受熔池及其周围热影响区的高温影响，在钨涂层内将产生非均匀残余应力分布。试验结果表明，基体材料预热对电火花沉积的钨涂层的残余应力影响较大，图11是基体材料预热和不预热沉积的钨涂层的残余应力大小对比，可以看到沉积钨涂层前将基体材料进行300～400℃的预热处理后，可以明显减小钨涂层的残余应力。这主要是因为将基体材料预热处理，既可以减少钨涂层沉积过程中涂层与钢基体之间的温度梯度，降低基体材料对钨涂层的约束度，同时也能减少钨涂层冷却过程中形成的收缩拉应力。
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2.2.3多排熔池残余应力分析
按照图3模型的顺序在钢基体表面完成一个面的钨涂层沉积，对其残余应力进行了模拟与仿真。图12(a)和(b)分别是电火花沉积钨涂层的X方向和Y方向的应力分布状态。可以看到，电火花沉积钨涂层过程中，同时存在正向的拉应力和负向的压应力，这与前面单个熔池和单排熔池的应力状态相同;拉应力最大达到130MPa以上，新形成的熔池及其周围主要受压应力作用，局部压应力峰值达到-225MPa，压应力以新熔池为中心向熔池周围辐射。每个新形成的熔池会受到周围已经形成熔池的高温和残余应力影响，所以与单个熔池和单排熔池的应力状态有较大的区别。对图12(a)和(b)的新熔池及其周围的主应力区进行了分析，建立了应力变化曲线，如图12(c)和(d)所示，由于受到周围已经形成的熔池影响，X方向受到的应力不再对称，而是呈左高右低的状态，压应力峰值集中在距离原点2.4mm位置，达到-225MPa;从图12(d)可以看到，Y方向受到的应力上下大小相差不大，表明已经形成的熔池对现有熔池在Y方向的应力状态影响不大，而是对X方向应力大小影响较大。
对单个熔池经过0.72s沉积停留时间形成的多排熔池的第一主应力进行了模拟与仿真，结果如图13所示，模拟过程中选取了沉积与冷却时间为6718s，模拟得到的应力即为电火花沉积的钨涂层残余应力，结果表明：钨涂层的残余应力以拉应力为主，局部峰值残余应力达到213Mpa以上。
电火花沉积大面积钨涂层过程中，当前熔池会受到周围已经形成熔池的影响，影响的大小与沉积速率有关，图14是采用相同工艺参数，熔池间不同沉积间隔时间条件下，计算得到图3模型36点处的等效残余应力σMises状态。可以看到，电火花沉积的钨涂层表面等效残余应力最大约为250MPa，随着深度的增加而逐渐减小。此外，随熔池间的沉积间隔时间的延长，钨涂层的等效残余应力σMises呈减小的趋势，这可能是因为周围熔池的拉应力会部分抵消正在沉积的熔池形成的压应力，而沉积间隔时间越长，抵消的压应力越多，得到的钨涂层残余应力越低。——论文作者：陈海涛1张晶2丛大龙1张敏1宋凯强1李忠盛1谢兰川1
