梯度功能材料等离子熔积成形过程的Level-Set方法模拟

利用Level-Set方法与有限体积法(finite volume method,FVM)建立梯度功能材料(functionally graded material,FGM)等离子熔积制造(plasma deposition manufacturing,PDM)过程多相混态场统一模型;研究了在不同热输入功率下熔池形貌、温度场与流场以及溶质分布的变化规律.结果表明,热功率是影响梯度功能材料成分分布和性能的重要工艺参数.并用等离子熔积制造方法制备Al2O3-AISI316梯度功能材料,验证了模拟计算结果的正确性和可靠性.     

外加颗粒增强表层复合材料制备方法

按照采用热源和陶瓷增强颗粒的添加方式,对外加颗粒增强表层复合材料的制备方法分类.详细介绍了堆焊、激光熔覆、激光熔射、等离子熔化-注射等颗粒增强表层复合材料的制备方法,并分析了各种制备技术的优缺点.堆焊特点是基体与表层为冶金结合,效率高.激光熔覆可以实现输入的准确控制,冷却速度快,热畸变小.但是堆焊和激光熔覆过程都存在裂纹问题.激光熔射不受基体可焊性限制,可制备颗粒增强相连续分布的表层,避免裂纹的形成.等离子熔化-注射技术与激光熔射技术类似,可以制备出增强相体积分数从0～100%连续变化的梯度复合材料.避免由于增强颗粒分布不均引起的裂纹,实现低投入、低成本运行.     

外磁场下MIG焊梯度功能材料制备模拟及实验研究

建立了梯度功能材料MIG焊熔积成形制备时磁场环境、焊枪及金属焊样的三维有限元模型.采用Maxwell涡流场及瞬态场对永磁场、交变磁场以及无外加磁场3种MIG焊工艺进行了模拟,并进行了相关实验验证.模拟结果表明,永磁场条件下,熔池受恒定强磁力作用,对熔化金属的搅拌能力弱,无法充分使Al粉和合金钢焊丝融合,不能实现制备梯度功能材料的目的;交变磁场条件下,因熔池受到轴向振荡磁力和横向挤压磁力的共同作用,对熔池的搅拌作用强,有助于梯度功能材料的熔积成形.实验结果与模拟结果符合良好,无磁场条件下,制备出的材料Al含量梯度功能不佳;永磁场条件下,Al粉无法进入焊样中;交变磁场条件下熔积成形的焊样中Al含量呈梯度分布.     

基于FLUENT的CMT焊接熔池流场的数值分析

CMT是一种新型的低热输入焊接工艺,在传热学和流体动力学的基础上,结合CMT熔滴过渡在一冷一热不断交替中完成特点,同时考虑了相变潜热、材料热物理性参数随温度变化等问题,建立了CMT焊接熔池三维瞬态数学模型。对熔滴及母材分别施加弓柱状热源与双椭球热源,并利用UDF进行二次开发,成功实现了热量与熔池体积力脉冲施加。用所建模型研究了CMT焊接熔池的演变过程,较好的模拟了不同焊接参数对CMT焊接流场的影响规律以及准稳态时基值电流与峰值电流作用期间熔池流场的分布规律,同时分别分析了浮力、电磁力、重力对熔池流场分布的影响。     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

活性剂对激光焊熔池动态行为的作用机理研究

为阐明活性剂对铝合金激光焊熔池作用机理,建立了三维瞬态移动热源作用下的激光焊接熔池数学模型,研究表面张力梯度及激光吸收率对温度场以及流场的影响规律,揭示活性剂作用下激光焊熔深的增强机制。结果表明,在无活性剂时模拟得到的焊缝形貌与实际试验结果吻合。在低功率铝合金活性激光焊接中,活性剂的加入虽然可以改变表面张力梯度,但表面张力梯度的改变对熔深增加效果不明显。分析认为,活性剂的加入使铝合金对激光吸收率的提高才是熔深增加的主要原因。     

穿孔等离子弧焊接熔池流动和传热过程的数值模拟

考虑熔池与小孔的耦合作用,建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态熔池流体流动和传热过程的数学模型.采用流体体积函数法追踪小孔的形状与尺寸,利用焓-孔隙度法处理凝固熔化过程中的相变潜热以及动量损耗问题.针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式.对8 mm板厚的不锈钢工件进行了穿孔焊接工艺实验和数值模拟,获得了等离子弧焊接过程中熔池出现、小孔形成、流场与温度场演变、工件熔透与穿孔等动态过程的基础数据,展示了小孔穿孔前后熔池流体流动规律.工件背面小孔形状尺寸以及焊缝横断面的数值模拟结果与实验测试结果基本吻合.     

等离子多层熔积混相瞬态流场与温度场的模拟

建立了一种二维等离子熔积成形瞬态模型,该模型描述了熔积成形过程中多层熔积层的自由表面发展,并模拟了熔池内流体流动和传热.通过水平集(Level-Set)方法处理熔积轨迹、液/气界面等因素,考虑了熔体流动的主要驱动力-表面张力梯度、表面曲率以及浮力等.并采用SIMPLEC算法求解控制方程.以K163合金为例,对多层熔积成形过程混相瞬态场进行了模拟,所得到的计算结果与试验结果基本一致;并分析了熔积工艺参数(熔积电流、熔积扫描速度和送粉速度)对熔积层表面形貌及熔积质量的作用规律.     

超高强钢表面激光和等离子制备钕和镍基复合涂层界面的控形模拟研究

针对激光重熔等离子喷涂制备的耐磨防腐涂层与超高强钢基体结合界面的形貌控制问题,建立了激光重熔等离子喷涂制备的钕基和镍基复合涂层的数值模型,模型中考虑了材料不同温度下的热物理性能参数、不同温度下的相变潜热及激光热源等因素的综合影响。结果表明:随着激光功率的增加,涂层与基体结合界面的熔池形貌由扁平状逐渐过渡到月牙形与扁平形的复合形貌,这是由于等离子喷涂制备的涂层与基体的熔点及热物理性能参数等因素存在差异;随着激光扫描速度的增加,涂层与基体结合界面处的扁平形熔池和月牙形熔池的宽度降低,最大温度梯度增加;激光重熔过程中喷涂构件厚度方向的等值线疏密程度不同,呈现出"减小-增大-减小"的变化趋势。     

激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展

简述了激光熔覆熔池的受力,包括表面张力、黏性剪力、重力以及保护气压力等,并从组织生长和熔池流淌对熔覆层的形成机理作了简要分析。同时,对激光熔覆仿真模拟中采用的不同热源模型的能量分布规律和方程进行了归纳,包括表面高斯热源、表面环形热源、高斯体热源、椭圆球热源、组合体热源等。在此基础上,分类评述了近年来国内外激光熔覆熔池温度场及流场的数值模拟方面的研究进展,并分析了各种热源模型的优势及不足,总结了不同热源的适用环境及获得的温度场、流场分布规律。此外,对熔池自由液面的研究方法进行了总结,归纳了温度场流场数值模拟模型的验证方法。同时,针对激光熔覆熔池数值模拟研究存在的问题,分别从数值模型、边界条件等方面进行了归纳,最后对其未来的发展方向进行了展望。