多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究

作     者：张云浩 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐海波;邢振国

授予年度：2020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：激光熔覆成形技术 数值模拟 熔池传热传质 宏微观耦合模型 凝固组织演变 外延生长 竞争生长 

摘      要：激光熔覆成形技术作为一项高性能金属零件自由实体成形的增材制造技术,在航空、造船、化工和机械等领域具有广阔的应用前景。熔覆层微观组织形态对工件力学性能有直接影响。为了建立熔覆层微观组织和性能调控机制,必须深入研究激光熔覆成形过程中熔池传热传质行为以及非平衡凝固组织演变机理。本文从移动熔池传热传质入手,研究了基板水冷对熔覆层微观组织的细化效果以及多层激光熔覆凝固组织演变规律。首先,针对激光熔覆成形技术,建立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。模型考虑了工艺参数对熔覆层几何形貌的影响,并采用精度更高的复合热源。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,能够模拟不同工艺参数下移动熔池传热传质及微观组织演变过程。其次,针对激光熔覆过程中常采用的基板水冷冷却方式,研究了基板水冷对凝固条件的影响机制。在宏微观耦合数值模型基础上,对多层激光熔覆薄壁模型进行求解,获得不同工艺参数下熔池尾部的温度梯度、凝固速度和冷却速度等凝固条件,并分析基板厚度、熔覆层高度和基板冷却系数等工艺参数对凝固条件的影响规律,并通过实验验证模型合理性。研究结果表明:1)在基板底面施加连续冷却水循环能提高熔覆层中熔池冷却速度,并且冷却系数越大,冷却速度的提高效果越明显。2)作为热传导通道的熔覆层高度增加,传热路径加长,传热效果降低,因此,随着熔覆层高度增加冷却速度非线性减小。3)在基板冷却系数相同条件下,随着基板厚度增加,在液态金属凝固过程中释放热量大部分被基板吸收,连续冷却水循环吸收能量能力下降,导致基板水冷效果明显下降。最后,将宏观熔池传热传质模型与凝固组织演变计算耦合,进一步模拟非平衡凝固条件下熔池凝固过程中的晶粒生长行为,使用该模型分析了初始晶粒尺寸、异质形核对微观组织的影响,研究了不同工艺参数下,熔池形状、瞬时凝固条件和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实验验证。结果表明:1)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。2)随着异质形核率的增加,异质形核出现在更加靠近熔合线的部位,新形核的等轴晶在与柱状晶的竞争中能够更早的获得优势,从而在更加靠近熔合线的部位完成CET转变。3)熔池内部无异质形核时,在较低的扫描速度下,从熔池尾部外延生长的晶粒竞争力大于从熔池底部外延生长的晶粒形成轴晶结构;随着扫描速度和激光功率增加,成分过冷区增大,轴晶区域变小,最终消失在熔覆层中。熔池内部存在异质形核时,新形核晶粒数目增多,新形核的晶粒将阻挡柱状晶继续生长,并发生熔覆层顶部发生柱状晶向等轴晶转变行为（CET）;随着扫描速度和激光功率增加,新形核晶粒更加具有竞争力,在靠近熔合线位置发生CET转变,等轴晶数目增多尺寸减小。4)对于多层薄壁件凝固组织模拟结果,柱状晶与等轴晶交替出现形成多层熔覆组织。由于各层扫描方向相同,各层组织在宏观形态上向同一个方向弯曲。实验验证结果的凝固组织形貌变化规律与模拟结果一致。