Invar合金激光熔化沉积过程微观组织建模与仿真研究

发布时间：2020-08-13 18:17

【摘要】：Invar合金因其具有极低的热膨胀系数而被广泛应用于精密结构和航空复合材料模具的制造,激光熔化沉积技术因其独有特性在形状复杂的Invar合金精细结构成形及模具修复方面具有显著优势。沉积结构的性能与沉积层中的微观组织形态密切相关,而传统实验方法难以对熔池微观组织的动态演变过程进行有效研究。本文通过建立宏观有限元模型与微观元胞自动机模型并对二者耦合求解,实现对Invar合金激光熔化沉积熔池中微观组织动态演化过程的仿真。首先,建立针对不同参数沉积结构的特征化几何模型,并考虑沉积过程中粉末与激光束的相互作用,构建不同工艺参数条件下Invar合金激光熔化沉积过程宏观温度场有限元模型;基于元胞自动机方法相关理论,建立激光熔化沉积熔池中微观组织演变的元胞自动机模型,并构建宏观温度场有限元模型与微观元胞自动机模型的插值耦合模型。其次,对不同工艺参数Invar合金激光熔化沉积过程宏观温度场进行模拟计算,并对仿真结果进行校核验证。结果表明,激光熔化沉积过程中熔池正面表现为前短后长的椭圆形状,熔池前方温度梯度明显大于熔池后方;随着激光功率的提高,熔池最高温度和热影响区域逐渐增大,而随着激光扫描速度的加快,熔池最高温度和热影响区域逐渐减小。再次,通过对宏观温度场结果的插值计算,实现了对激光熔化沉积熔池中不同尺度组织形态演变过程的仿真求解。结果表明,熔池底部介观尺度柱状晶粒在生长过程中的竞争优势不仅与自身生长取向有关,更受周围晶粒生长取向的影响;熔池顶部柱状晶粒向等轴晶粒转变的实质是二者的竞争生长,熔池底部相同取向的胞状亚晶呈相互平行的状态生长,并无明显的竞争现象出现。最后,开展Invar合金激光熔化沉积组织形态验证性实验,对沉积层宏观形貌及微观组织进行分析。结果表明,不同工艺参数对沉积层的宏观形貌具有显著影响。沉积层金相组织由熔池底部的外延柱状晶粒和熔池顶部的等轴晶粒组成,单层多道沉积层顶部等轴晶与柱状晶交替出现。通过对沉积层中不同组织形态实验结果与仿真结果的对比分析,验证了仿真结果的合理性,进而说明本文仿真模型能够有效实现对Invar合金激光熔化沉积熔池中微观组织演变过程的模拟仿真。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG132.1
【图文】：

形貌,熔池温度,沉积过程,形状

南京航空航天大学硕士学位论文2011 年，A. Suárez 等人[12]利用非线性热-冶金模型研究了 Ti6Al4V 合金激光熔化沉积过程中的热过程及相转变过程。J.T. Hofman 等人[13]提出了一个用于分析激光熔覆过程中熔覆层几何形貌及稀释率的数学模型，并采用该模型对不同工艺参数下熔覆层形貌与稀释率间的关系进行定量分析。Qingming Chang 等人[14]建立了一个三维模型用于镁合金激光熔覆过程的模拟，定量地讨论了熔覆参数对熔池的影响，并分析了 Marangoni 力对熔池轮廓及其内部熔体流动的影响2012 年，Simon Morville 等人[15]借助 COMSOL 软件对激光熔化沉积过程进行研究，通过求解质量方程、动量方程以及能量方程建立了一个二维模型，该模型考虑了沉积材料、表面张力以及热迁移过程，并分析了不同工艺参数对熔池状态的影响，其模拟结果如图 1.1 所示。同年，S. Marimuthu 等人[16]借助三维热-机耦合模型分析了激光沉积成形航空发动机零件过程中温度场及残余应力的分布特点。

温度场分布,激光熔覆,温度场分布,熔覆

Invar 合金激光熔化沉积过程微观组织建模与仿真研究有限元方法分析沉积层的成形及热量的变化。Yousub Lee 等人[20]利用实验与数值模拟相结方法，研究了镍基合金激光熔覆过程中熔池流动对枝晶间距的影响。2015 年，Michael F. Gouge 等人[21]综合考虑了激光沉积过程中对流对热场的影响，对有模型进行改进，获得了更为精确的温度演化数据。同年，北京理工大学马立杰[22]提出了用究激光熔覆过程的数学解析模型，并采用双椭球型热源对熔覆中的热过程进行了细致研究图 1.2 所示为采用该解析模型对熔覆过程温度场的仿真结果。

晶粒形貌,激光熔化,沉积层,晶粒形貌

激光熔化沉积层的显微组织进行分析，在沉积层沉积方向上发现了定向生长的微细柱状晶粒，沉积层顶部由定向的微细树枝晶和非定向的树枝晶组成。2013 年，C.M. Liu 等人[29]研究了钛合金激光熔化沉积层的微观组织特征，在沉积层中发现了三种类型的晶粒结构，即大的柱状晶、小的柱状晶以及等轴晶，其中，大的柱状晶分布在相邻扫描路径的重叠区域，小柱状晶和等轴晶主要分布在单独沉积层的底部和顶部。2014 年，Zheng Liu 等人[30]利用激光熔化沉积技术沉积了Ti 6.5Al 3.5Mo 1.5Zr 0.3Si合金，并对其微观组织进行了分析。分析结果表明，由于基体晶粒的外延生长形成了柱状晶结构，并且柱状晶大致平行于沉积的方向。燕山大学李小榕[31]对钛合金激光熔化沉积层的组织及性能进行了详细分析。2015 年，T. Wang 等人[32]利用基本的形核与长大理论研究了钛合金激光熔化沉积成形过程中晶粒形貌的演化行为。研究发现，在熔池中存在两种凝固机制，一种是在部分熔化粉末基础上的非均匀形核机制，在该机制下将产生等轴晶结构；另一种是针对熔池底部晶粒的外延生长机制，在这种机制下沉积层的微观形貌表现为柱状晶，两种机制的竞争结果将决定最终沉积层的微观组织形貌，其实验结果如图 1.3 所示。

【参考文献】