超高速激光熔覆铁基合金数值模拟研究
发布时间：2024-06-12 19:06
2017年由德国提出的超高速激光熔覆技术,突破了传统熔覆的效率瓶颈,通过对熔覆头的精巧设计,调整粉末焦平面与激光焦平面的相对位置以实现激光与粉末路径的最佳耦合,使得在一定线能量输入下,粉末在飞行空间熔化的同时仅在基体表面形成微溶池,在保障冶金结合的基础上,实现粉末利用率85%以上的均匀薄涂层的高效制备。在超高速激光熔覆装备引起广泛关注与跟踪仿制的同时,超高速激光熔覆与传统激光熔覆的沉积行为差异,尤其是超高速激光熔覆准二维熔池的非平衡凝固行为尚不明确。本文基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件,对超高速激光熔覆铁基合金涂层的熔覆过程进行了研究,建立了基于自主研发的环形同轴送粉喷嘴的粉气两相流模型,计算了超高速激光熔覆瞬态温度场和流场。(1)使用多种惰性气体分别作为送粉气气体进行对比。发现氦气的流动速度最快,但喷出送粉口后发散迅速。氮气作为激光器保护气性价比最高。氩气作为载粉气综合性能最优,能够有效覆盖熔覆区域形成抗氧化环境,减少熔覆过程熔覆材料的氧化与过烧现象。载粉气气流量为4-8L/min及粉末颗粒粒径为150-250目左右时,粉末流在送粉头喷嘴垂直向下距离11-13m...
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 选题的背景及意义
1.1.1 激光熔覆概述与超高速激光熔覆的提出
1.1.2 超高速激光熔覆国内外研究进展
1.2 数值模拟
1.2.1 激光熔覆同轴送粉粉末流模拟
1.2.2 激光熔覆温度场和熔池流场模拟
1.3 研究超高速激光熔覆数值模型的必要性
1.4 本课题研究的内容和方案
第2章 材料的物性参数计算与实验设备
2.1 材料热物性计算
2.1.1 材料成分
2.1.2 JMatPro软件介绍
2.1.3 材料热物性计算
2.2 验证实验及实验设备
2.2.1 超高速激光熔覆实验
2.2.2 高速红外摄像实验
第3章 环形同轴送粉原理与粉末流模拟
3.1 流体力学理论
3.1.1 流体性质
3.1.2 连续介质
3.1.3 流体流动的控制方程
3.1.4 气/固两相流控制方程
3.2 粉末流模型的建立
3.2.1 COMSOL Multiphysics
3.2.2 求解器设置
3.2.3 几何模型
3.2.4 网格划分
3.2.5 气/固两相流模型假设
3.2.6 边界条件
3.3 连续相流动模拟结果分析
3.3.1 连续相流场
3.3.2 不同种类送粉气体对流场的影响
3.3.3 送粉气气流量对流场的影响
3.4 气/固两相流粉末流轨迹结果分析
3.4.1 粉末颗粒运动轨迹
3.4.2 粉末粒径对粉末颗粒运动的影响
3.4.3 送粉气流量对粉末颗粒运动的影响
3.5 本章小结
第4章 超高速激光熔覆瞬态温度场模拟
4.1 超高速激光熔覆涂层成型机理研究
4.2 瞬态温度场模型的建立
4.2.1 几何模型及网格划分
4.2.2 物理模型
4.2.3 基本假设
4.2.4 粉末颗粒的影响
4.2.5 激光能量密度模型
4.2.6 相变传热模型
4.2.7 边界条件
4.3 温度场模拟结果
4.3.1 温度场分布
4.3.2 激光功率对温度场及熔覆层形貌的影响
4.3.3 扫描速度对温度场及熔覆层形貌的影响
4.3.4 送粉率对温度场及熔覆层形貌的影响
4.4 本章小结
第5章 超高速激光熔覆熔池流场模拟
5.1 熔池流场理论基础
5.1.1 表面毛细现象
5.1.2 马兰戈尼效应
5.1.3 自然对流
5.1.4 熔池边界追踪
5.1.5 流体流动方程
5.1.6 层流和湍流
5.2 超高速激光熔覆熔池流场模型建立
5.2.1 物理模型
5.2.2 几何模型建立及网格剖分
5.2.3 基本假设
5.2.4 边界条件
5.3 模拟结果与分析
5.3.1 熔池内流场分布
5.3.2 表面张力温度系数对流体流动方向的影响
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文
本文编号：3993388
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 选题的背景及意义
1.1.1 激光熔覆概述与超高速激光熔覆的提出
1.1.2 超高速激光熔覆国内外研究进展
1.2 数值模拟
1.2.1 激光熔覆同轴送粉粉末流模拟
1.2.2 激光熔覆温度场和熔池流场模拟
1.3 研究超高速激光熔覆数值模型的必要性
1.4 本课题研究的内容和方案
第2章 材料的物性参数计算与实验设备
2.1 材料热物性计算
2.1.1 材料成分
2.1.2 JMatPro软件介绍
2.1.3 材料热物性计算
2.2 验证实验及实验设备
2.2.1 超高速激光熔覆实验
2.2.2 高速红外摄像实验
第3章 环形同轴送粉原理与粉末流模拟
3.1 流体力学理论
3.1.1 流体性质
3.1.2 连续介质
3.1.3 流体流动的控制方程
3.1.4 气/固两相流控制方程
3.2 粉末流模型的建立
3.2.1 COMSOL Multiphysics
3.2.2 求解器设置
3.2.3 几何模型
3.2.4 网格划分
3.2.5 气/固两相流模型假设
3.2.6 边界条件
3.3 连续相流动模拟结果分析
3.3.1 连续相流场
3.3.2 不同种类送粉气体对流场的影响
3.3.3 送粉气气流量对流场的影响
3.4 气/固两相流粉末流轨迹结果分析
3.4.1 粉末颗粒运动轨迹
3.4.2 粉末粒径对粉末颗粒运动的影响
3.4.3 送粉气流量对粉末颗粒运动的影响
3.5 本章小结
第4章 超高速激光熔覆瞬态温度场模拟
4.1 超高速激光熔覆涂层成型机理研究
4.2 瞬态温度场模型的建立
4.2.1 几何模型及网格划分
4.2.2 物理模型
4.2.3 基本假设
4.2.4 粉末颗粒的影响
4.2.5 激光能量密度模型
4.2.6 相变传热模型
4.2.7 边界条件
4.3 温度场模拟结果
4.3.1 温度场分布
4.3.2 激光功率对温度场及熔覆层形貌的影响
4.3.3 扫描速度对温度场及熔覆层形貌的影响
4.3.4 送粉率对温度场及熔覆层形貌的影响
4.4 本章小结
第5章 超高速激光熔覆熔池流场模拟
5.1 熔池流场理论基础
5.1.1 表面毛细现象
5.1.2 马兰戈尼效应
5.1.3 自然对流
5.1.4 熔池边界追踪
5.1.5 流体流动方程
5.1.6 层流和湍流
5.2 超高速激光熔覆熔池流场模型建立
5.2.1 物理模型
5.2.2 几何模型建立及网格剖分
5.2.3 基本假设
5.2.4 边界条件
5.3 模拟结果与分析
5.3.1 熔池内流场分布
5.3.2 表面张力温度系数对流体流动方向的影响
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文
本文编号：3993388
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