感应洛伦兹力对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响

为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响,建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布;施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。     

QT600球墨铸铁激光熔覆数值模拟与实验研究

目的 揭示QT600球墨铸铁激光熔覆动态演化过程的机理,为球墨铸铁熔覆过程中拓宽熔覆材料范围、优化工艺参数、改进熔覆质量提供理论依据。方法 同时考虑移动高斯热源、材料物性参数温变影响、熔池表面张力和浮力对熔融态金属流动的Marangoni效应等因素,建立球墨铸铁激光熔覆多场耦合三维数值模型。通过QT600球墨铸铁激光熔覆实验,利用Zeiss?SIGMA HD场发射SEM观察熔覆层的形貌及显微组织,采用QNESS?Q10M硬度仪测试熔覆层和基体显微硬度。结果 在光源中心形成了“椭球”状热影响区,沿激光扫描方向温度明显呈单峰分布,且周期性前移,流速在1 s时达到0.24 m/s,前半部熔池呈顺时针环流,后半部熔池呈逆时针环流,在活性元素影响下将导致熔池环流发生逆转。受温度梯度的影响,光斑后方呈收缩状应力带。数值模拟熔覆层形貌与实验一致,显微组织形态符合快速凝固原理的变化规律,验证了模型的有效性,熔覆层硬度明显高于基体,约为基体的1.6倍。结论 数值模拟揭示了温度场、流场、塑性应力场瞬态演变规律,实验表明激光熔覆IN625合金粉末可有效改善球墨铸铁件的表面质量,提高其力学性能。     

Cr12MoV激光熔覆温度场的模拟与验证

为了验证熔池温度场在激光熔覆过程中的变化,利用有限元软件ANSYS建立激光熔覆过程的三维模型,采用移动基模高斯热源对温度场分布进行了动态模拟。分析了激光功率和扫描速度对试样熔覆层宏观形貌、表面硬度及组织的影响。结果表明,熔池呈拖尾状,靠近熔池前方等温线密集,温度梯度大。模型的模拟结果准确、可靠。     

激光熔覆工艺热-弹-塑-流多场耦合数值模拟与试验

熔覆过程存在极其复杂的传热及热-弹-塑-流多场耦合变化,将影响对流、传热、传质、凝固和相变,而熔覆中的急冷急热会产生复杂的残余应力与变形,产生熔覆裂纹,影响熔覆层质量。揭示熔覆过程中多场耦合演变机理是控制和避免产生熔覆裂纹的关键。文中以CALPHAD法计算温变物性参数,建立了碟片激光器激光熔覆过程多场耦合模型,综合考虑了光束与粉末间的相互作用,熔池表面张力、浮力对液态金属流动的影响,熔覆带的瞬时变化,计算得出了熔覆过程温度场、速度场、应力场的瞬时变化规律。运用Zeiss-∑IGMA HD扫描电镜进行金相实验,验证了所建模型的准确性。计算表明：形成近似2 mm×1.5 mm×1 mm椭球体熔池,最高温度在光斑中心偏后位置;700 ms后,等效热应力稳定在548 MPa左右,熔池底部热应力最大。该研究为减小和消除残余应力提供了有效途径与方法。     

镍基单晶高温合金激光多道搭接熔覆过程晶体生长行为和微观组织分布的研究

建立了一个三维模型来数值模拟激光多道搭接熔覆镍基单晶高温合金过程中的晶体生长行为和微观组织分布,并与激光熔覆镍基单晶高温合金Rene N5的实验结果进行对比。结果表明:搭接率和搭接方式直接影响搭接过程中的熔池形状,并最终影响搭接部分的晶体生长行为和微观组织分布,数值模拟结果和实验结果吻合很好。     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

焊接熔池凝固过程组织演变模拟

以枝晶生长动力学和晶粒生长能量最小原理为基础,建立了宏观传热与微观传质、形核、生长相耦合的焊接熔池CAMC晶粒生长二维数学模型.模型以CA方法模拟晶粒生长主干,MC在内部辅助晶粒生长以体现枝晶分枝机制,同时考虑非均匀形核对熔池结晶的影响因素,模拟了焊接熔池组织形成过程.结果表明,CAMC模型能够定量地描述熔池晶粒数目、尺寸和形貌演变,可以较准确地反映焊接熔池微观组织结构和熔池凝固过程中晶粒择优生长、柱状晶向等轴晶转换等物理机制.     

T15高速钢异质材料激光熔覆过程的多相流模型

激光熔覆过程中熔池的演变包含能量输入、质量添加、高温金属液体流动、金属熔化凝固以及材料扩散等复杂过程。基于多相流理论,建立了T15高速钢在42CrMo基板上激光熔覆的物质传输模型。其中,质量添加与能量输入过程采用添加在熔池表面单元的源项模拟,而气液界面的捕捉则采用了CLSVOF方法。通过试验获得的熔覆层关键形貌参数,被用来验证数值模型的有效性。结果表明,T15高速钢由于其自身含有较高的硫含量,在激光熔覆熔池中,在Marangoni力的驱动下具有明显内向流动的特征。高温液体向下流动,形成较大的熔深。以熔覆层高度、深度、稀释率等3个形貌参数为比较依据,验证了异质材料激光熔覆的多相流模型,在不同工艺参数组合下试验值与仿真值均具有较好的一致性,证明了该模型可准确反映激光熔覆过程熔池内的微流动与物质传输行为。     

激光熔覆成形的熔池形貌及熔池温度研究综述

激光熔覆成形技术是一个涉及到光、粉、气多物理场耦合的复杂过程,其最小的成形单元熔池是整个累加制造的基础,熔覆过程中熔池的稳定能提高成形的尺寸精度和熔覆质量。通过工艺参数优化、数值模拟、在线监控构建闭环控制等方法,对熔池几何形貌、熔池温度进行控制,保证熔覆过程中熔池的几何形貌和温度的稳定,能有效提高熔覆质量。总结了近年来国内外关于激光熔覆成形的熔池形貌及熔池温度的研究现状以及发展趋势。     

激光焊接瞬态小孔与运动熔池行为模拟

提出了一种三维瞬态小孔与瞬态熔池相结合的激光小孔焊接耦合数学模型.该模型综合考虑了多重反射菲尼尔吸收、小孔界面上的间断边界条件、金属蒸气/等离子体的辐射传热、Marangoni力、固-液相间的摩擦力、浮力、粘性力、蒸发潜热、熔化/凝固潜热,以及热传导、对流、辐射等多种因素对激光小孔焊接过程的耦合作用.采用水平集方法和快速扫描方法对小孔演化方程进行求解,得到了三维瞬态小孔形貌;并采用SOLA方法求解了瞬态熔池的三维传热和流动过程.结果表明,该模型能够较好地模拟激光小孔焊接中瞬态小孔和熔池的动态演化行为.     

脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

目的 揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制,改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象,提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能,为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法 综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式,以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响,构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验,利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证,采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况,并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果 由数值模拟分析结果可知,脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层,其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布,显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在,Laves相的体积分数降低至2.93%,在细晶强化和固溶强化作用下,熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论 脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律,数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度,能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析,离散并细化γ枝晶组织,降低Laves相的体积分数,显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下,提升涂层的力学性能。     

激光熔覆制备高熵合金涂层研究进展

激光熔覆具有加热和冷却速度快、稀释度低(<5％)、热影响区小以及可以对表面性质进行精准调整等优点,是当今工业应用较为广泛的表面改性技术之一.利用激光熔覆技术制备高熵合金涂层,既能保证涂层具有简单的相结构和优异的性能,又可使涂层与基体之间获得良好的冶金结合.主要对激光熔覆制备高熵合金涂层的设计准则、性能及提高机理、凝固行为以及数值模拟的研究进行阐述.首先从设计理论方面对高熵合金进行概念阐述,由熵和吉布斯自由能可知,通过增加主元(至少5个)和位形熵来设计元素组成,通过吉布斯自由能控制相的稳定性.其次,对涂层的性能提高机理分类总结,其中高熵合金的四大效应与激光熔覆快冷快热的特点相结合是涂层性能提高的主要原因.此外,还阐述了激光熔覆过程中熔池的凝固行为,包括凝固过程中的晶粒生长方式和液相分离现象,以及其他因素引起的凝固行为变化.之后,对粉末流动特性、熔池温度场和熔覆层性能的数值模拟以及这些模型的缺陷进行综述与分析.最后,总结与展望激光熔覆制备高熵合金涂层研究的发展前景与应用方向.     

NUMERICAL ANALYSIS OF HEAT TRANSFER DURING LASER CLADDING TO SYNTHESIZE TiCp／Al COMPOSITE

Based on the continuum model for binary solid-liquid phase change system, the mathematic model to simulate the process of laser cladding in situ synthesis TiCp/Al composite on the surface of aluminum alloy was formulated. The additive source method was employed to treat with the heat release of synthetic reaction in powder mixture at certain temperatures, and also to solve the momentum and heat transfer caused by the relative movement between laser beam and the specimen. Two different types of driving forces for)flow were considered in the model, i.e., the buoyancy force and the surface tension gradient at the laser pool surface. The three-dimensional transient temperature field simulation program was developed being based upon the commercial software PHOENICS. The calculated and observed fusion boundaries were compared and very good agreement was obtained.     

垂直定向凝固条件下通道偏析形成过程的数值模拟

建立了描述合金凝固过程热－溶质对流和宏观偏析形成过程的数学模型。模型中耦合求解了凝固过程中质量、动量、能量和溶质守恒方程；同时，基于固液两相区中温度和成分的耦合关系建立了固相分数场的更新方法。利用该模型模拟了底部冷却的二维矩形区域内Fe-C合金凝固过程中通道偏析的形成和发展过程。模拟结果表明，垂直定向凝固条件下通道偏析形成于液相线前沿附近，而不是两相区内部。这一结果很好地支持了文献中基于实验观察提出的通道偏析形成机理。     

Phase-field simulation of solidification morphology in laser powder deposition of Ti-Nb alloys

A phase-field model of alloy solidification is coupled to a new heat transfer finite element model of the laser powder deposition process. The robustness and accuracy of the coupled model is validated by studying spacing evolution under the directional solidification conditions in laser powder deposition of Ti-Nb alloys. Experimental Ti-Nb samples reveal the microstructure on a longitudinal section with significant change in the size of the dendrites across the sample. Quantitative phase-field simulations of directional solidification under local steady-state conditions extracted from the results of the finite element thermal model confirmed this behavior. Specifically, the phase-field simulations agree with the results of the analytical model of Hunt in predicting a minimum spacing value, which is due to the mutual effects of the increasing temperature gradient and decreasing solidification velocity towards the bottom of the microstructure. This work demonstrates the potential of coupling the phase-field method to complex heat transfer conditions necessary to simulate topologically complex microstructure morphologies present in laser powder deposition and other industrially relevant casting conditions.     

电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变(CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。     

铜基体上激光熔覆钴基合金的数值模拟

以黄铜为基材,钴基合金为熔覆粉末,采用预置粉末方式实现激光熔覆加工,对此过程建立三维有限元模型。考虑温度变化对热物性参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和应力场进行了分析。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,熔覆层横截面上不同点热循环曲线呈锯齿状衰减;最大残余应力值出现在靠近基体的熔覆层中间位置;在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度为8mm/s,熔覆过程的稀释率为11.5%,可以获得良好的冶金结合,并进行了试验验证;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速度为6和10mm/s熔覆过程中较为合适的功率分别为2.96和3.82kW。