激光熔覆镍基复合涂层有限元模拟

发布时间：2020-10-18 03:48

　　 镍基高温合金具有较高的高温强度、良好的耐腐蚀和疲劳性能等优异综合性能,因而广泛应用于航天航空发动机、舰船和工业燃气轮机等大型构建的热端部件的制备。但镍基高温合金成分复杂,容易偏析,形成脆性相,传统的制备方法限制了该类合金性能的充分发挥。激光熔覆法具有高能量密度,兼有急热快冷特点,能够有效地解决该问题。激光熔覆法容易出现较大的残余应力,因此如何控制残余应力是当务之急。目前的实验手段难于获取制备过程的温度场和流场的数据,因此通过计算机模拟技术研究激光熔覆过程具有重要意义。本文运用COMSOL Multiphysics软件对激光熔覆镍基高温合金过程进行了研究,建立了四路同轴送粉和熔覆过程模型,得到以下结论:(1)不同的惰性气体密度和动力粘度系数差异较大,气体密度和气体动力粘度系数越小,气体流动速度越大。在氩气、氮气、氦气三种惰性气体中,氦气的流动速度最大。粉末流在距送粉头喷嘴竖直距离14-18.2mm区域内汇聚性最佳。粉末粒子粒径在250-300目,载粉气流量为6-7L/min时,粉末粒子汇聚性最好,粉末粒子在汇聚区域的流动速度约为3.2m/s。(2)在熔覆过程的前0.7秒内,随着熔覆时间的增加,熔覆层宽度和熔池深度以及熔池内温度逐渐增大。0.7秒后,熔覆层几何形貌和温度场分布趋于稳定,基板与熔覆层组成的系统能量接近守恒,粉末粒子输送也趋于稳定。熔池后端自上而下温度梯度逐渐增大,但界面形成速度逐渐减小,熔覆层顶层形成晶粒较为细小的等轴晶,熔池底部易形成晶粒尺寸较为粗大的树枝晶或柱状晶。通过实验与模拟数据对比,模拟结果与实验数据吻合,熔池形貌、熔池宽度与激光功率变化规律误差为5.14%;熔覆层高度随扫描速度的变化误差为6.1%。(3)熔池上端流体流动速度较大,且俯视呈对称双环状,环上流体流动速度最大,越往内环中心和熔池边界流体流动速度越小,环形后端流动速度较前端大。表面张力温度系数为负时,熔池横切面所在平面左侧流体流动方向为逆时针,右侧为顺时针,熔池纵截面所在平面流体后端流动环上流体逆时针流动,前端流动环为顺时针流动。即表面张力温度系数为负值时,熔池中部流体由下往上流动,当表面张力温度系数为正值时,由表面张力温度系数与温度梯度共同作用,熔池中部的流体流动方向将由上往下流动。
【学位单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 激光熔覆技术
    1.3 激光熔覆镍基合金
    1.4 激光熔覆同轴送粉粉末流模拟
    1.5 激光熔覆温度场和流场模拟
        1.5.1 温度场模拟
        1.5.2 熔池流场模拟
    1.6 本文研究目的和主要内容
第二章 四路同轴送粉粉末流模拟
    2.1 计算流体力学理论
        2.1.1 流体性质
        2.1.2 连续介质
        2.1.3 不可压缩流体控制方程
    2.2 计算模型的建立
        2.2.1 物理模型
        2.2.2 几何模型
        2.2.3 网格划分
        2.2.4 粉末粒子流模型假设
        2.2.5 气/粉两相流控制方程
        2.2.6 边界条件
        2.2.7 求解器设置
        2.2.8 COMSOLMultiphysics简介
    2.3 连续相流动模拟结果分析
        2.3.1 送粉头进气口速度
        2.3.2 连续相流场
        2.3.3 不同气体性质对流场的影响
        2.3.4 载粉气流量对连续相流场的影响
    2.4 粉末粒子运动轨迹
        2.4.1 粉末粒子运动轨迹
        2.4.2 粉末粒径对粉末粒子运动的影响
        2.4.3 粉末密度对粉末粒子运动的影响
        2.4.4 载粉气流量对粉末粒子运动的影响
    2.5 本章小结
第三章 激光熔覆温度场模拟
    3.1 模型的建立
        3.1.1 几何模型及网格划分
        3.1.2 物理模型
        3.1.3 基本假设
        3.1.4 粉末粒子的温升及其对激光束的遮蔽作用
        3.1.5 激光热源模型
        3.1.6 相变传热模型
        3.1.7 边界条件
    3.2 材料热物性计算
        3.2.1 材料成分
        3.2.2 JMatPro软件介绍
        3.2.3 材料热物性计算
    3.3 温度场模拟结果
        3.3.1 温度场分布
        3.3.2 温度场分布对凝固特征的影响
        3.3.3 激光功率对温度场及熔覆层形貌的影响
        3.3.4 扫描速度对温度场及熔覆层形貌的影响
        3.3.5 送粉率对温度场及熔覆层形貌的影响
    3.4 本章小结
第四章 激光熔覆熔池流场模拟
    4.1 模型建立
        4.1.1 几何模型建立及网格剖分
        4.1.2 物理模型
        4.1.3 基本假设
        4.1.4 流体理论基础
        4.1.5 流体流动方程
        4.1.6 边界条件
    4.2 模拟结果与分析
        4.2.1 熔池内流场分布
        4.2.2 表面张力温度系数对流体流动方向的影响
    4.3 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
个人简介 在读期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2845754