激光熔覆420不锈钢的热流耦合数值模拟与试验验证

作     者：杜茂华 张振新 毕贵军 曹立超 Du Maohua;Zhang Zhenxin;Bi Guijun;Cao Lichao

作者机构：昆明理工大学机电工程学院云南昆明650504 广东省科学院智能制造研究所广东广州510070 广东中科德弗激光科技有限公司广东佛山528000 

出 版 物：《金属热处理》 (Heat Treatment of Metals)

年 卷 期：2024年第49卷第8期

页      面：211-219页

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：佛山市科技创新团队项目(FS0AA-KJ919-4402-0101) 广东省科学院发展专项资金(2022GDASZH-2022010107,2022GDASZH-2022010108) 

主　　题：激光熔覆 420不锈钢粉末 热流耦合 Marangoni效应 硬度 

摘      要：研究主要工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速率)对激光熔覆420不锈钢过程中熔池温度和单道熔覆层几何尺寸的影响,以及熔覆层不同位置处温度、温度梯度、流速的变化规律。建立了在Q235碳钢基板上激光熔覆420不锈钢粉末的热流耦合三维瞬态数值模型,模拟激光熔覆的成形过程;考虑了熔池内的浮力、Darcy阻力以及表面张力驱动的Marangoni效应,采用表观热容法考虑材料的相变潜热,任意拉格朗日欧拉法(ALE)用于追踪熔池的自由表面和模拟熔池的生长。结果表明,熔池温度随着激光功率和送粉速率的增加而增加,随着扫描速度的增加而减小。对熔覆层宽度影响最大的工艺参数是激光功率,激光功率从800 W增加到1000 W,熔覆层宽度增加了175.4051μm;对熔覆层高度和深度影响最大的均是送粉速率,送粉速率从1.49 g/min增加到3.17 g/min,熔覆层高度增加了309.8188μm,熔覆层深度减小了152.0495μm。不同的激光熔覆工艺参数下,从熔覆层顶部到底部硬度均不断减小。经试验验证,该模型能够准确预测不同工艺参数的激光熔覆过程。