基于CFD-DEM的激光熔覆粉末利用率仿真分析

作     者：范红丽 齐海波 张钊 韩日宏 刘玉兵 FAN Hongli;QI Haibo;ZHANG Zhao;HAN Rihong;LIU Yubing

作者机构：石家庄铁道大学石家庄050043 石家庄职业技术学院石家庄050800 河北省交通工程与环境协同发展新材料重点实验室石家庄050043 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2024年第53卷第17期

页      面：146-156页

核心收录：

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：河北省自然科学基金(E2023210011 E2022210043) 

主　　题：激光熔覆 粉末利用率 CFD-DEM 碰撞 工艺参数 模拟仿真 

摘      要：目的为准确描述激光熔覆过程中粉末与粉末、送粉管、基板之间存在碰撞的事实,提高粉末利用率,探究送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律及原因。方法首先,基于FLUENT有限元分析软件和EDEM离散元分析软件建立基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型,对粉末流从喷嘴喷射到达熔池的全过程进行气固两相流模拟仿真;然后,采用正交方差分析法确定送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律;最后,利用粉末收集试验和单道激光熔覆试验验证模型的可靠性及准确性。结果粉末利用率方差分析结果表明,送粉量、载气量和保护气量的显著性差异评价量F值分别为169.079、114.317、50.153;粉末利用率随送粉量、载气量和保护气量的增大均先提高后降低;在送粉电压18 V、载气量15 L/min、保护气量10 L/min和送粉电压14 V、载气量11 L/min、保护气量8 L/min 2种极端工况下进行粉末收集试验,模拟值与试验值误差分别为4.03%、4.54%;在激光功率1100 W、扫描速度5 mm/s下进行单道激光熔覆试验,模拟值与试验值误差分别为16.13%和16.50%,说明该模型准确可靠。结论送粉量对粉末利用率的影响最大,载气量次之,保护气量影响最小;获取较高粉末利用率的最优组合参数为送粉电压16V、载气量13 L/min、保护气量10 L/min。