扫描电子束铝合金表面处理温度场分析与实验验证

根据扫描电子束焊机的实际工作环境,建立了扫描电子束铝合金表面处理温度场三维有限元分析模型,分析了试样经电子束照射后表面熔池的形态及组织变化,分析过程中,考虑了试样表面的热辐射和材料的相变,并用实验验证了仿真结果.讨论了束流、束斑直径和扫描半径对扫描电子束表面处理温度场的影响.结果表明:在其它参数不变的情况下,随着束流的增大,试样表面的最高温度基本上呈线性增高,熔池的宽度和深度也有所增大;随着束斑直径的增加,试样表面的最高温度呈线性下降,熔池的深度也略有减小,而宽度则快速地增大;随着扫描半径的增加,最高温度、熔池的宽度和深度均急剧下降.     

电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程数值模拟

利用PROCAST有限元软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金连铸凝固过程进行数值模拟,研究不同工况条件下的温度场分布规律、熔池形状以及组织分布特征.结果表明:在相同的浇注温度条件下,随着铸造速度的增加,熔池加深,糊状区域变浅,初生枝晶半径和二次枝晶臂间距逐渐增加,凝固组织变得粗大.而在铸造速度相同的条件下,随着浇注温度的提高,过热度增大,熔池加深,糊状区域变浅,合金的晶粒尺寸增大.在本实验条件下,选择铸造速度10 mm/min以及浇注温度1 760 ℃作为最佳工艺参数,这有利于在保证较高生产效率的同时,获得组织细小、冶金质量优良的钛合金铸锭.     

钒与V-5Cr-5Ti合金在氯离子溶液中的电化学腐蚀行为

采用电化学腐蚀测试技术对钒与V-5Cr-5Ti合金在氯离子溶液中的电化学腐蚀行为进行了研究。结果表明,在50μg/gCl-的氯化钾溶液中,钒的腐蚀电位高于V-5Cr-5Ti合金而具有更好的热力学稳定性;相对于V-5Cr-5Ti合金,钒具有较大的极化电阻和较小的腐蚀电流;钒与V-5Cr-5Ti合金具有相似的阴极极化行为;在阳极极化过程中,钒主要表现为Tafel行为,而V-5Cr-5Ti合金具有"伪钝化"和钝化行为;二者均具有负的循环极化滞后环;钒的抗腐蚀性能优于V-5Cr-5Ti合金。     

TC4钛合金扫描电子束焊接温度场数值模拟

建立了TC4钛合金扫描电子束焊接三维温度场的数学模型.采用电子束光斑半径较大的焊接工艺,开展了椭圆扫描/无扫描电子束焊接的试验和数值模拟研究.模拟结果与试验结果吻合良好.结果表明,电子束扫描可使高温熔池的深度减小、宽度增加、提前进入稳态,并且显著降低熔池最高温度和冷却速度.对加速电压为60 kV、电子束流为10 mA、焊接速度为0.9 m/min的电子束焊接工艺,频率为500 Hz的电子束椭圆扫描可使熔池最高温度降低近1900K、冷却速度每秒降低近100 K.     

激光选区熔化WC 12Co复合材料温度场模拟研究北大核心CSCD

为提高激光选区熔化WC 12Co硬质复合材料的成形质量,采用有限元仿真软件Ansys 2021R1对SLM成形WC 12Co硬质复合材料过程的温度场进行数值模拟仿真研究,研究成形温度场的温度分布和成形工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和基板预热温度)对温度场的影响,为优化WC 12Co硬质复合材料成形提供试验依据。结果表明:激光功率增大,成形区域温度增大,位置点3的峰值温度从3507.47℃增大至3837.52℃;激光扫描速度增大,成形区域温度降低,位置点5的峰值温度从3592℃下降至2897℃,峰值温度下降695℃;扫描间距的增加使各扫描区域的温度有所降低,位置点3的峰值温度从3330℃逐渐降低至3123℃。在同一成形工艺参数下,激光扫描前一路径对后一路径有预热作用,随着扫描路径的增加,成形区域的温度呈现逐渐上升趋势。基板预热至120℃能够提高熔池的内部温度,减小成形件之间的温度差异,缩小温度梯度差。当激光功率增大时,熔池的宽度和深度随之增大;当激光扫描速度增大时,熔池的宽度先增大后减小,熔池的深度线性反向减小;当扫描间距增大时,熔池的宽度和深度均减小。模拟获得的温度场仿真结论能够大致反映成形试样的表面质量和合金粉末的熔化状态随成形工艺参数变化的趋势。     

TC4合金的电子束冷床熔炼热平衡计算

通过对TC4合金电子束冷床熔炼过程热平衡的计算和实验验证,为制定合理的熔炼工艺提供了理论依据。结果表明,对于100kg/h的熔炼速度,维持冷床液态熔池表面125℃过热和结晶坩埚内100℃过热的条件下,熔炼原料的功率为70kW,维持冷床内液态熔池的功率为122kW,维持结晶坩埚良好凝固温度的功率为62kW。在此功率熔炼时冷床内液态熔池表面温度和计算吻合。     

AlSi10Mg粉末激光选区熔化温度场的数值模拟

使用有限元软件Ansys模拟Al Si10Mg激光选区熔化过程的温度场。考虑材料的热物性参数及激光能量吸收率随温度变化的特性,将激光热源视为三维高斯体热源,实现在粉床上的移动加载,实时进行材料由粉末态转化为实体态的单元属性转变,研究激光功率、扫描速度及扫描间距对粉床热行为的影响。结果表明:熔池最高温度、熔池尺寸及冷却速度随激光功率的增大逐渐增大;熔池最高温度与熔池尺寸随扫描速度的增大逐渐减小,熔池冷却速度随扫描速度的增大逐渐增大;扫描间距对熔池的最高温度、冷却速度及熔池尺寸影响不大,但扫描间距过大容易形成孔洞缺陷。     

数值模拟电极缩孔对IN718合金电渣重熔过程的影响

利用自主开发的ESR过程仿真软件,针对直径430 mm的IN718合金铸锭,通过设计不同形状尺寸的电极缩孔,进行电渣重熔过程的数值模拟计算和分析。结果表明,基于电磁场、流场和温度场等多物理场耦合计算自主开发的ESR数学模型及仿真软件,可以用于ESR冶炼全过程数值模拟,模型计算的熔池形状和深度、二次枝晶臂间距分布规律与实际剖锭分析结果接近。电极中存在缩孔改变了电极与渣池的接触面积,从而显著影响渣池的焦耳热和电磁力分布,而缩孔沿电极轴向尺寸的变化对二者分布的影响则很少。在恒熔速条件下,当缩孔半径小于0.025 m时,缩孔对熔炼过程几乎没有影响;当缩孔尺寸继续增大时,渣池温度场和流场发生明显改变,渣池温度逐步升高,中心向下流速相对减弱;电极缩孔尺寸变化对熔池温度场及两相区尺寸影响不明显。缩孔半径尺寸对电流和功率等熔炼参数的影响呈非线性关系,临界变化值约为0.05 m,当缩孔半径低于临界值时,对电流和功率等影响较小;高于临界值时,随着缩孔半径增加,电流和功率显著增加,并且增速不断加快。从工艺过程控制稳定性角度而言,该尺寸电极缩孔半径应控制在0.05 m以下。     

复合阻隔镀层对钒合金与不锈钢电子束焊接头组织与性能的影响

钒基合金被公认为是理想的聚变反应堆结构材料,为了更有效和经济地利用钒基合金,需要将钒合金与不锈钢进行连接。通过电镀Ni+Au作为复合中间层,采用电子束阻隔熔化焊方法来实现V-5Cr-5Ti钒合金与HR-2不锈钢之间的连接。结果表明:电子束流偏向钒合金一侧焊接得到的钒合金与不锈钢接头界面将产生贯穿性裂纹,直接导致焊接失败。电子束流偏向不锈钢一侧,电镀Ni+Au作为界面阻隔层,很好地抑制了V/Fe界面的金属间化合物的产生,显著提高了接头性能,接头抗拉强度最高达到430 MPa。电子束阻隔熔化焊得到的钒合金/不锈钢异种金属焊接接头焊缝正反面成形良好,X射线探伤未发现裂纹和气孔缺陷。     

镀层金属对钒合金与不锈钢电子束焊接头组织与性能的影响

采用高真空电子束阻隔熔化连接异种金属V-5Cr-5Ti钒合金和HR-2不锈钢,通过焊缝成型、微观组织和接头性能的对比分析,研究不同镀层金属(Au、Ag、Cr和Ni)的影响。结果表明:通过电子束流的偏移均可实现V-5Cr-5Ti/Au(Ag、Cr、Ni)/HR-2异种金属的连接,接头平滑过渡,焊缝正反面成型良好;V-5Cr-5Ti与熔化区的界面较为平直,在靠近钒合金一侧形成一个明显的镀层金属富集带;熔化区内部晶粒细小均匀,在靠近HR-2处形成取向明显的树枝晶。Au和Ag起到了很好的阻隔作用,V-5Cr-5Ti/HR-2接头的抗拉强度明显增加,达到400 MPa,X射线探伤未发现裂纹和气孔缺陷;镀层金属为Cr、Ni时,接头抗拉强度低于100 MPa。     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据。首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工艺参数下熔池温度场的变化;其次基于温度场的仿真结果,计算不同工艺参数下熔池固液界面处温度梯度和凝固速度的变化,分析凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变条件,预测熔池不同深度上的微观组织。研究结果发现提高激光功率有利于等轴晶的形成,而扫描速度对等轴晶厚度占比影响不大,另外降低激光功率和提高扫描速度将促使形成的微观组织尺寸更细小。     

电子束扫描横焊薄铌板的熔池动力学行为

在电子束焊接过程中，金属液体蒸发的反冲压力、表面张力、重力等驱动力共同作用于熔池，对焊缝成形有显著影响. 在扫描横焊的情况下，电子束作用范围的扫描摆动和重力方向的旋转使熔池的动力学行为变得更复杂. 采用试验和数值计算方法对电子束扫描横焊薄铌板的熔池形态和凝固后熔合区形貌进行研究，数值模拟得到的熔池形态和熔合区形状与试验结果吻合. 熔池流场分析结果表明，半熔透熔池的驱动力主要为液态金属蒸发引发的反冲压力；全熔透熔池的上表面Marangoni流动占主导，表面张力与反冲压力共同作为熔池流动的驱动力；重力与焊接扫描共同作用使得熔池两侧的质量分布和流场分布不对称，造成了焊缝两侧熔合线的不对称.     

NUMERICAL SIMULATION OF INDUCTION SKULL MELTING PROCESS FOR TITANIUM-ALUMINIUM BASE ALLOY

The mathematics model for temperature field of water-cooling copper crucible induction skull melting process was established. The program for simulating temperature field of melting process was developed with finite element method. The temperature field of the melting process for Ti-47Al-2Cr-2Nb aUoy was calculated. During melting period, the temperature is raised gradually along radius augmentation direction. The elements of the charge near the crucible wall are molten first. The center elements of the charge are molten last. The melting time of the center element is just that of all the charge melting. The melting time of Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy is 15min. In which, the charge was heated by low power 80kW for 9min and by high power 300kW for 6min. When melting Ti-47AI-2Cr-2Nb aUoy,the loading power is nearly direct proportion to melt temperature. Increasing loading power may raise melt temperature. The best melting power of Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy is 305-310kW. This is identical with the melting test and has guidance sense to the melting process of actual titanium aUoy.     

On Ti6Al4V Microsegregation in Electron Beam Additive Manufacturing with Multiphase-Field Simulation Coupled with Thermodynamic Data

Electron beam additive manufacturing is an effective method for the fabrication of complex metallic components. With rapid solidification, the characteristics of microsegregation within the interdendritic region are interesting and important for the subsequent phase transformation and final mechanical properties. However, in view of the microsecond lifetime and the small length scale of the molten pool, experimentally investigating microsegregation is challenging, even with electron probe micro-analysis. In this study, a multiphase-field model coupled with the real thermodynamic data of Ti6Al4V alloy was successfully developed and applied to simulate the rapid solidification of columnar β grains via electron beam additive manufacturing. The thermal gradient (G) and cooling rate (R) were obtained from a 3D powder-scale multiphysics simulation and provided as inputs to a multiphase-field model. The effects of the electron beam process parameters and thermal conditions on the columnar β grains were investigated. Liquid films and droplets were observed to have solute enrichment in the intercellular region. The size of the liquid film increased at a lower scanning speed and energy power. Increasing the scanning speed and energy power refined the columnar β grains and decreased the liquid film size. The extent of microsegregation considerably increased at lower energy power, whereas the change in scanning speed had little effect on the microsegregation. The results also indicate that solute vanadium results in significant solute trapping and microsegregation during the rapid solidification of the Ti6Al4V alloy.     

基于有限元模拟研究激光除锈时金属基底表面温度场

目的 根据激光除锈后金属基底表面熔池直径,通过有限元模拟,表征激光除锈时金属基底表面温度场分布。方法 考虑到激光除锈时,使用的脉冲激光具有功率小、重复频率大和脉宽短的特征以及金属具有对激光反射率大的特征,采用高斯面热源和有限元网格划分策略,可以较好地实现描述激光除锈时金属基底表面温度场分布。采用白光干涉仪和扫描电子显微镜测量和观察激光除锈后金属基底表面熔池的尺寸。结果 经过反复模拟计算和实验结果对比,最终确定高斯面热源参数为：热源效率48%,高斯系数1,热源半径30 mm。根据金属基底表面单个节点温度与时间的关系,分析表明在激光除锈过程中,金属基底表面形成了一个极快速的加热冷却温度场。结论 根据激光除锈后金属基底表面熔池直径,确定热源模型参数,进而通过模拟计算得到了较为准确的金属基底表面温度场的分布。     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

CuZnSnSi合金钎料相变过程的热分析动力学

CuZnSnSi合金钎料在钎焊钢工件中具有良好的综合性能.为进一步探究其合金性能,借助差示扫描分析(DSC)和热重分析(TG)技术,分别采用微分非等温法和积分非等温法分析了CuZnSnSi合金钎料相变过程的热分析动力学.结果表明,CuZnSnSi合金的相变温度范围为1150.5~1221.5 K,吸热峰温度为1174.46 K,在相变过程中没有化学反应,但出现升温段的吸热峰温度滞后于降温段的放热峰,说明了合金钎料在结晶过程需要一定的过冷度;非等温分析法计算得到合金钎料相变表观活化能为615.72 kJ/mol;由Arrhenius公式得出合金钎料相变速率常数k的变化规律为1.71×1027exp(-6.16×10⁵/RT).     

中频电磁场作用下金属液面稳定性的研究

为了控制电磁铸造过程中金属液面的稳定性 ,借助于激光测量传感器研究了低熔点伍德合金在 2 5 0 0Hz交变电磁场作用下液面波动情况及液面形状。试验发现 ,在电磁场作用下沿金属液面半径方向各点的波动规律相似 ,当金属液面与感应线圈上平面平齐 ,并且施加适当功率的电磁场时 ,能获得更好的液面形状 ,并使液面波动更平缓。