电、磁耦合场辅助激光熔覆304不锈钢粉末的实验和仿真研究

发布时间：2020-06-26 01:49

【摘要】：激光熔覆技术具有绿色环保、质量优异等特性,在材料表面改性领域得到了广泛的研究和推广,逐渐成为高端制造行业中不可缺少的一环。针对熔覆层内部性能不稳定、组织结构不均匀等问题,学者们开展了大量的实验进行优化研究。交变磁场等外部能量场辅助技术与激光熔覆技术相结合,可以改善激光熔覆技术中存在的不足,有效提升熔覆工件的质量和性能。然而,单一磁场对熔池内部的调控能力较弱,目前的辅助方案依然不够完善。因此,本文选用304不锈钢熔覆粉末和45钢熔覆基体,提出一种直流电场、交变磁场共同耦合辅助激光熔覆技术,在待熔覆基体周围施加交变磁场的同时,直接对待熔覆基体通入直流电流,让直流电场和交变磁场在熔池内部发生相互叠加,通过多能量场耦合作用,使熔池内部的搅拌效应得到加强,从而强化熔池内的对流分布,改善熔覆层的形貌和性能。实验通过设计搭建电、磁耦合场辅助平台,使施加在熔覆工件中的直流电场和交变磁场同时可控,从而探究不同交变磁场和直流电场参数下,熔覆层形貌结构和物理性能的变化。同时采用有限元模拟方法,提出Maxwell和Fluent间接耦合模拟方案,探究耦合场对激光熔覆中熔池内部对流的影响。首先,对电、磁耦合场辅助下的熔覆层截面形貌和晶粒结构进行分析。实验表明,在激光功率P=1500W,扫描速度v=4mm/s,光斑直径D=4mm的条件下,耦合场中随着交变磁场强度的上升,熔覆层的高度下降、宽度增加,其形貌变得相对扁平,当交变磁场强度达到60mT和80mT时,熔覆层中部的晶粒结构出现明显的细化。同时发现,耦合场中随着直流电场强度的上升,熔覆层的熔深增加,当直流电场强度达到6A和8A时,熔覆层表面细晶粒区的面积出现稍稍扩大。然后,对电、磁耦合场辅助下的熔覆层物理性能进行分析。实验表明,在相同激光参数下,耦合场中随着交变磁场强度的上升,熔覆层的性能得到一定改善,其显微硬度稍稍增加、摩擦系数下降、耐磨性增加,且物相中出现了Cu-Ni化合物。同时发现,耦合场中电场强度的上升对熔覆层物理性能的影响有限,不过电场强度对物相中Cu元素的分布有较大影响。进一步,采用Maxwell和Fluent有限元间接耦合模拟方法,分析熔覆工件中电场、磁场、电磁力的分布,以及电、磁耦合场对熔池流动的影响。模拟表明,耦合场中电场分布由交变磁场产生的感应电流和直流电场产生的稳定恒流共同形成,且磁场强度沿磁感线方向会出现一定的衰减。同时从基体内部到上下表面,电磁力的值将会逐渐增大,其方向和大小呈周期性变化。此外,加入电、磁耦合场后,熔池内部会出现多个搅拌涡流,熔液的速度曲线出现了明显的上下波动。本文不仅对直流电场、交变磁场耦合辅助技术进行了实验研究,还对其产生的耦合物理场进行了有限元仿真模拟分析,为在激光熔覆中多外部能量场共同耦合调控熔覆组织和形貌提供了一定的技术参考和指导意义。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

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图 1.1 激光熔覆示意图Fig.1.1 Diagram of laser cladding.2 激光熔覆的影响因素激光熔覆后的涂层质量受熔覆材料的种类、熔覆材料的供给方式、熔覆

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【参考文献】