Inconel617镍基高温合金电子束熔覆NiCoCrAlY熔池研究

作     者：张鹏程 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海浪

授予年度：2021年

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）] 

主      题：Inconel617合金 NiCoCrAlY 电子束熔覆 有限元仿真 熔池 

摘      要：Inconel617合金在高温下具有良好的瞬时和长期机械性能,其高抗氧化性,高抗碳化性被广泛应用在航空航天等工业领域。金属材料在应用中失效大多数都是从表面开始,而电子束熔覆表面处理技术是有效提高合金表面质量的方法之一,NiCoCrAlY可以提高材料表面的抗氧化性。在电子束熔覆过程中能量比较集中,合金表面形成熔池并产生较大的温度梯度及过熔现象,影响材料的机械性能。电子束熔覆温度场和熔池是当前研究热点,可以提高对电子束熔覆与工艺参数之间规律的认识。本文选取Inconel617合金作为基体,NiCoCrAlY合金粉末作为熔覆层,制备相应的实验材料。基于有限元分析软件Ansys,建立电子束熔覆过程中的温度场模型。通过APDL编写相关程序,分析工艺参数电子束束流、束斑直径和扫描速度对温度场的影响和变化规律。仿真结果表明:熔覆层的温度场峰值与电子束束流近似成正相关关系;电子束扫描速度越大,温度场峰值减小,成负相关关系;电子束光斑直径越大,温度场峰值减小,成负相关关系。熔覆过程中温度场分为三个阶段,快速升温阶段、稳定阶段和冷却凝固阶段。电子束熔覆过程中熔覆涂层熔化而基体微熔形成熔池冶金结合,通过fluent软件使用UDF编写相关程序,分析熔池熔深熔宽与工艺参数之间的关系。仿真结果表明:熔池熔深熔宽与电子束束流近似成正相关关系;电子束扫描速度越大,熔覆层和基体形成熔池熔深熔宽减小成负相关关系;电子束束斑直径越大,熔覆层和基体形成熔池熔宽减小成负相关关系。沿着试件厚度方向,越向下熔池越小,熔覆层和基体形成的熔池符合高斯热源椭圆形分布。结合温度场的仿真结果,综合得到比较理想的电子束Inconel617表面熔覆NiCoCrAlY工艺参数为:I=20m A,D=4mm,V=8mm/s。通过分析温度场和熔池的仿真结果,得出最优工艺参数,利用SEBW60-6P型电子束加工设备进行电子束熔覆实验。将实验结果与数值模拟结果进行对比分析。经过SEM观察熔池形状符合高斯热源椭圆分布,熔池的宽度为4.3mm,熔深为1.7mm。利用有限元仿真的方法研究电子束工艺参数与熔深熔宽之间的关系,得出熔池宽度为4.5mm,熔深为1.75mm,仿真结果与实际实验结果相近,证明了模型的合理性和可靠性。本研究为进一步研究电子束熔覆熔池与工艺参数之间的关系提供一些参考依据,具有一定的指导意义。