多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟
发布时间：2021-01-07 02:07
针对多元合金激光熔覆过程,基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型,通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合.针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟,研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了试验验证.结果表明,模拟结果与实际物理过程吻合较好,所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.
【文章来源】：焊接学报. 2020,41(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
激光增材制造示意图Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-
拟激光熔覆凝固组织形貌，有必要建立激光熔覆过程熔池传热传质的三维模型.图1激光增材制造示意图Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-facturing在激光熔覆沉积增材制造过程中，熔覆层几何形貌受到工艺参数的影响[8].为了简化计算，假设沿扫描方向的纵平面上的传热传质行为是对称的，计算时只对一半模型进行计算.熔覆层前端表面几何形状描述为x2a2+y2b2+z2c2=1(1)式中：a，b，c分别代表熔覆层前端长度、半宽、高度[8-9]，如图2所示.激光熔覆熔池中，凝固组织形貌取决于瞬态凝固条件.为了获得熔池不同位置瞬态凝固条件，首先建立三维熔池传热传质模型.熔池中的传热传质行为可以通过质量守恒方程(式(2))、动量守恒方程(式(3))以及能量守恒方程(式(4))来描述，通过求解控制方程，可以获得熔池内部温度场分布.在三维笛卡尔坐标系下的形式为(ρui)xi=0(2)(ρuj)t+(ρujui)xi=xi(μujxi)+Sj(3)ρht+(ρuih)xi=xi(kcphxi)ρLftρ(uiLf)xi(4)式中：下标i和j表示空间指数；ρ是金属的密度；ui是速度；Sj表示液态金属所受到的体积力；h是焓变；k是导热系数；cp是热熔；Lf是熔化潜热.其中，熔化潜热通过对材料热容进行修正，即cp=LfTlTs+cp(5)式中：cp*是修正的热熔；Tl是液相温度；Ts是固相温度.式(5)适用在Ts和
用于定义凝固区域、动力学边界条件和移动热源，流程图如图3所示.图3FE-CA耦合模型示意图Fig.3SchematicdiagramofFE-CAcoupledmodel2计算结果及分析2.1熔池温度场及流场激光熔覆粉末采用的是IN718粉末，成分详见文献[10].计算中采用的激光功率为390W，扫描速度200mm/min，速度场和温度场计算结果如图4所示.其中扫描方向沿着x轴，箭头表示熔池内熔融金属的速度矢量，熔池自由表面上存在较大温度梯度，由此产生表面张力驱动的熔池液态金属流动，熔池内流场计算结果如图4中所示.图4熔池传热传质模型Fig.4Heatandmasstransfermodelofmoltenpool2.2单道凝固组织形貌凝固组织形态与形核和生长过程密切相关，在熔覆工艺确定的情况下，影响组织形态的具体因素包括母材晶粒尺寸以及异质形核参数.为验证模型合理性，针对不同母材晶粒尺寸以及异质形核参数进行模拟.图5所示为不同基板晶粒尺寸下的模拟结果.由结果可知，熔合区半熔化母材晶粒的尺寸直接影响熔覆层凝固过程中外延形核的数目，随着基板晶粒尺寸的增加，熔覆层中外延形核的柱状晶粒数目减少，平均尺寸增加.图5不同基板晶粒尺寸模拟结果Fig.5Simulationresultsofdifferentgrainsizeofsubstrates.(a)20μm；(b)40μm除外延形核外，凝固过程中的异质形核对熔覆层中等轴晶的形成以及柱状晶向等轴晶转变行为(columnartoequiaxedtransition，CET)有直接影响.图6所示为采用不同的异质形核参数时的模拟结果，计算中保持激光熔覆条件以及基本母材晶粒尺寸不变.由结果可知，熔覆层凝固开始于熔合线的外延形核，由于靠近熔合线位置温度梯度G较?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟[J]. 张敏,周玉兰,薛覃,李继红. 焊接学报. 2018(03)
[2]Ti-6Al-4V激光快速成形熔池凝固过程研究[J]. 王志坚,王宗园,宋鸿武,李文艺. 机械设计与制造. 2017(08)
[3]激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟[J]. 魏雷,林鑫,王猛,黄卫东. 物理学报. 2015(01)
[4]镍基合金焊缝凝固组织演变过程模拟和仿真[J]. 马瑞,董志波,魏艳红,占小红. 焊接学报. 2010(07)
本文编号：2961684
【文章来源】：焊接学报. 2020,41(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
激光增材制造示意图Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-
拟激光熔覆凝固组织形貌，有必要建立激光熔覆过程熔池传热传质的三维模型.图1激光增材制造示意图Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-facturing在激光熔覆沉积增材制造过程中，熔覆层几何形貌受到工艺参数的影响[8].为了简化计算，假设沿扫描方向的纵平面上的传热传质行为是对称的，计算时只对一半模型进行计算.熔覆层前端表面几何形状描述为x2a2+y2b2+z2c2=1(1)式中：a，b，c分别代表熔覆层前端长度、半宽、高度[8-9]，如图2所示.激光熔覆熔池中，凝固组织形貌取决于瞬态凝固条件.为了获得熔池不同位置瞬态凝固条件，首先建立三维熔池传热传质模型.熔池中的传热传质行为可以通过质量守恒方程(式(2))、动量守恒方程(式(3))以及能量守恒方程(式(4))来描述，通过求解控制方程，可以获得熔池内部温度场分布.在三维笛卡尔坐标系下的形式为(ρui)xi=0(2)(ρuj)t+(ρujui)xi=xi(μujxi)+Sj(3)ρht+(ρuih)xi=xi(kcphxi)ρLftρ(uiLf)xi(4)式中：下标i和j表示空间指数；ρ是金属的密度；ui是速度；Sj表示液态金属所受到的体积力；h是焓变；k是导热系数；cp是热熔；Lf是熔化潜热.其中，熔化潜热通过对材料热容进行修正，即cp=LfTlTs+cp(5)式中：cp*是修正的热熔；Tl是液相温度；Ts是固相温度.式(5)适用在Ts和
用于定义凝固区域、动力学边界条件和移动热源，流程图如图3所示.图3FE-CA耦合模型示意图Fig.3SchematicdiagramofFE-CAcoupledmodel2计算结果及分析2.1熔池温度场及流场激光熔覆粉末采用的是IN718粉末，成分详见文献[10].计算中采用的激光功率为390W，扫描速度200mm/min，速度场和温度场计算结果如图4所示.其中扫描方向沿着x轴，箭头表示熔池内熔融金属的速度矢量，熔池自由表面上存在较大温度梯度，由此产生表面张力驱动的熔池液态金属流动，熔池内流场计算结果如图4中所示.图4熔池传热传质模型Fig.4Heatandmasstransfermodelofmoltenpool2.2单道凝固组织形貌凝固组织形态与形核和生长过程密切相关，在熔覆工艺确定的情况下，影响组织形态的具体因素包括母材晶粒尺寸以及异质形核参数.为验证模型合理性，针对不同母材晶粒尺寸以及异质形核参数进行模拟.图5所示为不同基板晶粒尺寸下的模拟结果.由结果可知，熔合区半熔化母材晶粒的尺寸直接影响熔覆层凝固过程中外延形核的数目，随着基板晶粒尺寸的增加，熔覆层中外延形核的柱状晶粒数目减少，平均尺寸增加.图5不同基板晶粒尺寸模拟结果Fig.5Simulationresultsofdifferentgrainsizeofsubstrates.(a)20μm；(b)40μm除外延形核外，凝固过程中的异质形核对熔覆层中等轴晶的形成以及柱状晶向等轴晶转变行为(columnartoequiaxedtransition，CET)有直接影响.图6所示为采用不同的异质形核参数时的模拟结果，计算中保持激光熔覆条件以及基本母材晶粒尺寸不变.由结果可知，熔覆层凝固开始于熔合线的外延形核，由于靠近熔合线位置温度梯度G较?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟[J]. 张敏,周玉兰,薛覃,李继红. 焊接学报. 2018(03)
[2]Ti-6Al-4V激光快速成形熔池凝固过程研究[J]. 王志坚,王宗园,宋鸿武,李文艺. 机械设计与制造. 2017(08)
[3]激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟[J]. 魏雷,林鑫,王猛,黄卫东. 物理学报. 2015(01)
[4]镍基合金焊缝凝固组织演变过程模拟和仿真[J]. 马瑞,董志波,魏艳红,占小红. 焊接学报. 2010(07)
本文编号：2961684
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