钛合金激光快速成形熔池凝固晶粒生长机理研究

作     者：李文艺 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志坚

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：TC4钛合金 激光快速成形 熔池凝固 CA-FE 微观组织 

摘      要：激光快速成形制造技术现今得到了迅猛发展,但目前对于激光快速成形过程中熔池的高温性不平衡性快速凝固过程的研究和理论尚不清晰。激光快速成形件中熔池的微观组织对工件的机械力学及综合使用性能有着重要影响。快速成形加工工艺参数如激光功率、扫描速度等决定熔池的宏观温度场、流场等,其中熔池存在的过冷度驱动液态金属的凝固,液态金属的流动影响熔池形貌及晶粒的生长,共同作用形成熔池的微观形貌。激光快速成形具有非平衡高温瞬时性,目前通过实验实时观察检测和研究熔池中微观组织的生长演变过程难以实现。因此,激光快速成形熔池凝固过程中微观组织的生长演变的模拟方法研究成为前沿主题。目前对熔池凝固过程中的温度场、流场等宏观物理场的模拟取得丰硕的成果。但对于TC4钛合金激光快成形熔池凝固微观组织的生长演变数值模拟大多处于起步阶段,尚未有较为成熟的模拟成果公开发表。本文采用元胞自动机法与有限元法相结合的技术,构建了宏观-微观耦合CAFE(Cellular Automata-Finite Element)模型,对TC4激光快速成形熔池的微观组织生长演变过程进行了模拟,结合理论模拟和激光快速成形实验分析研究熔池微观组织凝固机理。FE法主要用于模拟熔池的温度场、流场等复杂宏观物理场量。基于宏观有限元的模拟结果,然后用CA法模拟熔池凝固过程中微观组织的形核生长及演变过程。激光快速成形过程中熔池温度场初始时呈对称状,之后出现拖尾现象;熔池内液态金属则由熔池中心出发向熔池底部边缘呈环形流动。结合激光快速成形实验、测温实验和微观组织金相偏析等实验,测量记录不同工艺参数下熔池微观组织及温度,得到过冷度、冷却速率、元素分布含量和显微硬度等结果,并构建激光工艺参数与过冷度、冷却速率、温度梯度的数学关系,分析快速成形加工时激光工艺参数对熔池凝固过程的影响。对比实验结果,结果显示模拟结果和实验结果基本吻合,熔池由粗大的β柱状晶组成,晶内组织为’?针状马氏体,初步探究熔池凝固晶粒生长机理。