TiAl合金表面激光重熔复合陶瓷涂层温度场数值模拟及组织分析

为了研究激光重熔工艺参数对等离子体喷涂复合陶瓷涂层组织结构的影响,根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,建立了TiAl合金表面激光重熔等离子体喷涂Al2O3-13%TiO2(质量分数)复合陶瓷涂层连续移动三维温度场有限元模型,对激光重熔温度场进行了分析.分析结果表明,当陶瓷涂层厚度较大时,受到陶瓷材料导热系数较低的影响,激光重熔时无法使整个陶瓷层实现完全重熔,根据重熔时作用区温度场分布,可将整个涂层分为重熔区、烧结区和残余等离子体喷涂区;在优化的工艺参数下,采用相对较低的激光重熔功率和较低的扫描速度能够获得厚度较大的重熔区和烧结区.实验结果表明,重熔后的陶瓷涂层形成了晶粒细小且致密的等轴晶重熔区、烧结区和片层状残余等离子体喷涂区,并且重熔区和烧结区厚度的计算值和实验值吻合较好.     

连续激光表面重熔平面—非平面系合金的数值模拟

本文对连续激光表面重熔铝硅、铁碳合金温度场的变化,及快速凝固的微观组织形态的演绎进行了数值模拟,以期通过对这两种典型的f-nf系合金的研究,得到f-nf系合金在激光表面重熔下微观组织形态演绎的共同特征。数学模型在能量平衡方程的基础上,考虑到激光束空间Gauss分布特性,计算了物体表面温度场三维分布,在此基础上结合枝晶分布KGT模型以及共晶分布经修正的TMK模型,建立起一个完整的从激光重熔到共晶生长的计算模型。利用此模型模拟计算了f-nf合金激光重熔后,快速凝固的微观组织的共晶生长的范围。     

45钢喷射电镀Ni层激光重熔温度场数值模拟及其性能研究

根据传热学理论和数值模拟方法研究了45钢喷射电镀Ni层激光重熔温度场的分布规律,考虑了热物性参数、对流换热、相变潜热等随温度变化的因素,应用ANSYS有限元分析软件,建立了连续移动三维瞬态激光重熔喷射电镀Ni层温度场的计算模型。利用建立的模型所优选的参数,进行了激光重熔试验,研究了45钢喷射电镀Ni层激光重熔后试件的性能特点。     

激光重熔对Fe-C合金快速凝固共晶生长的数值模拟

本文通过数值模拟，计算出了Ｆｅ－Ｃ合金的共晶共生区，并以此作为实际加工中激光处理参数优化选择的手段。数学模型从计算物体表面温度场三维分布入手，考虑到激光空间Ｇａｕｓｓ分布特性，得到物体表面温度梯度分布。结合枝晶分布ＫＧＴ模型以及共晶分布经修正的ＴＭＫ模型，得到一个完整的从激光重熔到共晶生长的计算模型，并计算了微观结构和共晶生长的范围。     

钛合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层温度场数值模拟

根据激光重熔的特点,考虑了材料热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素,应用ANSYS的参数化设计语言建立了TC4钛合金表面激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层连续移动三维温度场有限元模型,并分析了激光功率和扫描速度对温度场的影响.结果表明与激光功率相比,激光扫描速度对试样温度场的影响较小.实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的.通过该计算模型,可以掌握激光重熔过程加热和冷却规律,为制备高性能的MCrAlY涂层优化工艺参数提供依据.     

激光烧结陶瓷温度场的数值模拟

根据热传导理论，推导出了激光烧结陶瓷过程中的热传导方程;并采用数值模拟的方法，编写了基于有限差分法的计算机程序。在此基础上，分别模拟计算了在各种不同的烧结工艺条件下，CO2激光辐照Al2O3陶瓷的温度场,结果表明,采用激光辐照的办法烧结陶瓷可以使陶瓷在短时间内达到很高的温度。此外，还计算了烧结过程中材料的温度随空间的变化曲线,结果表明,平行于激光辐照方向的温度梯度大小不随烧结时间变化而只与激光功率有关，激光功率越大温度梯度越大。研究还发现：垂直激光辐照方向的温度梯度的大小取决于激光束的功率密度分布和光斑大小。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

多道搭接激光熔覆层开裂的机理和试验分析

利用数值分析和试验相结合的办法,对多道搭接激光熔覆层的开裂机理和规律进行了研究。数值分析结果表明,激光熔覆后,熔覆层内部呈明显的拉应力状态,且主要集中在熔覆层底部与基体的交界处,因此单道熔覆时熔覆层的开裂倾向主要是垂直于扫描方向。在两道搭接熔覆时,前一次熔覆输入试样的激光能量在试样内部传递和扩散已有一定的时间,试样的整体温度升高后,第二次熔覆时激光能量输入产生的热量在试样内部形成的温度梯度就会有所减小,从而降低了工件内部的应力水平。两道熔覆完成后,由于熔覆层在扫描所受的拉应力降低的幅度最大,而垂直于扫描方向所受的拉应力变化不大,此时若熔覆层开裂,则开裂的方向将不再是垂直于扫描方向,而是会与扫描方向成一定的夹角。实际熔覆中,对单道、多道熔覆时熔覆层的开裂现象进行了观察,试验结果与分析结果较好地吻合。     

多道搭接激光熔覆层残余应力测试方法研究

为了克服多道搭接激光熔覆层的开裂问题,分析了熔覆层与基体材料之间的力学关系,建立了激光熔覆层残余应力测试方法,推导了残余应力的计算公式。利用该方法对多道搭接激光熔覆层的残余应力分布进行了实验测定。测试结果表明,熔覆层的表层残余应力为拉应力,在过渡区出现残余压应力。此方法有助于准确测定熔覆层的残余应力分布。     

TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层热力耦合有限元分析

根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件中的间接热力耦合方法,建立了TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层热力耦合有限元模型,对激光重熔温度场和应力场进行了分析.通过该计算模型,可以掌握激光重熔以及冷却过程中温度场和应力场随时间的变化规律.在温度场和应力场分析的基础上,讨论了激光重熔层中裂纹形成的机理及影响因素,并提出了一些解决重熔层裂纹产生的主要方法.     

脉冲Nd：YAG激光表面熔凝流场与热场的数值模拟

以合金相交多区域统一模型为基础，利用数值模拟方法，对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光表面熔凝过程的非稳态温度场和熔区内的流场进行了理论分析。能量方程求解中考虑了固液相变潜热的吸收与释放；合金元素气化热损失、自然对流与辐射热损失；动量方程求解中考虑了热表面张力与浮力联合驱动流。结合实验条件计算了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢在低频脉冲熔凝情况下熔区的形状和尺寸，并与实验解剖进行了比较。结果表明，在占空比较小时，系列脉冲中每一脉冲形成的表面熔区形状和尺寸可用定点轴对称脉冲模型很好地近似。     

激光表面熔凝温度场的二维数值模型

建立了激光表面快速熔凝条件下温度场的二维数值模型,并利用有限差分法对Cu-Mn合金在激光表面快速熔凝条件下的温度场进行了计算。计算结果表明该模型能准确描述激光表面快速凝固条件下熔池的温度场信息,而且在保证计算精度的条件下简化了计算(相对于三维)。计算结果与实验结果相吻合。     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。     

BT20钛合金的激光表面重熔

激光表面重熔对提高钛合金表面的耐蚀性具有显著的效果.采用脉冲Nd-YAG激光器对BT20钛合金进行了重熔.表面显微结构、硬度分布和在3wt% NaCl与1M HCl溶液中的耐蚀性进行了研究.激光重熔处理后耐蚀性得到显著的提高.耐蚀性的提高归因于快速凝固造成的组织变化.     

激光重熔镍基合金火焰喷焊层组织及性能

利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析不同激光工艺参数重熔后的Ni基合金火焰喷焊层及其经不同温度回火处理的显微组织和相组成,并进行了显微硬度和耐磨性测定.试验结果表明,重熔喷焊层的组织主要由γ-(Ni,Fe)固溶体和Cr23C6,Cr7C3,Cr2B,Cr2B,Fe3B,Fe2B等组成,与火焰喷焊层相比,显微组织得到进一步细化,硬度和耐磨性都有较大幅度的提高.在相同工艺条件下,激光扫描速度愈快,显微组织愈敛密、细小,硬度和耐磨性愈好,但重熔喷焊层的熔深较浅;不同激光工艺参数的重熔喷焊层,经不同温度回火后,硬度都得到了进一步的提高;扫描速眨为360 mm/min,经600 C×3 h回火后的重熔喷焊层硬度相比为最高.采用合适的激光重熔处理工艺及随后的热处理,或使Ni基合金火焰喷焊层进一步强化,使用性能得到进一步改善.     

斜齿轮轴齿面激光熔覆过程中温度场的数值分析

对某汽轮机滑油泵转子的斜齿轮轴齿面的激光熔覆过程进行了研究,利用有限元软件ANSYS对其温度场进行了数值分析。结果表明,在齿面激光熔覆过程中,激光能量输入产生的热量大量集中在轮齿内部,且在熔覆层与齿根结合部位等温线分布比较密集,导致在轮齿内部出现较大的温度梯度,且激光输入产生的热量可对相邻轮齿产生预热的效果;计算结果还表明,越靠近齿顶,等温线越深入基体,若将轮齿的侧面和顶部同时熔覆,极易造成齿顶的过度熔化而塌陷。根据计算结果,提出了齿侧与齿顶分步熔覆的工艺,通过实际熔覆实验,在轮齿表面获得了连续、完整的熔覆层。