碳素钢表面铜基合金电弧熔覆过程微观组织演变数值模拟

作     者：刘峻青 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李继红;张海存

授予年度：2024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：铜基合金 电弧熔覆 温度场模拟 晶粒生长模拟 相组织模拟 

摘      要：铜合金是一种备受欢迎的合金,具有良好的减磨,耐腐蚀,导热性能;传统的碳钢基体有着很高的强度,但其表面性能很差,电弧熔覆方法作为材料表面改性的常用方法且操作简单、易于携带,因此在碳钢表面利用电弧熔覆方法涂敷增强其表面性能有很广阔的前景,然而,普通的试验方法存在许多的弊端,直接监测熔池内部动态困难。计算机模拟技术提供了解决方案,通过构建模型模拟熔覆过程,揭示温度场和结晶动态。该方法优势明显,可优化实验参数,加速工艺改进。随着技术进步,其在熔覆领域的应用前景广阔。 本文以Q235钢板上电弧制备铜基合金为研究对象,结合有限元法并以传热理论为基础在ANSYS软件上构建了三维温度场的物理模型并进行APDL参数化语言编程。对熔覆过程单道温度场的变化规律进行分析,进而在单道基础上进一步改进模型构建了三道熔覆过程的温度场物理模型。分析了单道熔覆过程中不同电流及速度下的温度场演变和熔池轮廓的变化规律,以及多道熔覆过程的道间停留时间对温度场演变的影响。研究发现,太大的电流及过慢的速度均会使熔池轮廓有所增大,在进行多道熔覆时,先进行的一道对后进行的一道起着预热的效果,在此热量不断累加的状态下,钢板降温到室温的时间变得更长。提取了三道熔覆层中不同特征点的热循环数据及不同道间冷却时间的热循环数据进一步验证了温度场的演变规律。最后进行了相关金相观察对模拟结果进行了验证,结果表明所建的物理模型具有较高的准确,为后续凝固过程组织转变所需微观温度场提供基础。 基于溶质扩散理论,晶核生长及凝固理论建立了适应于铜基合金凝固过程中的元胞自动机模型,并利用元胞自动机模型在MATLAB软件上进行参数化语言编程对熔覆层凝固过程中的微观组织演化过程进行了可视化的模拟,结果显示:在熔覆层冷却凝固时,熔覆层的底部与边缘区域会优先形核并长出胞状晶粒,随后胞状晶粒在生长过程中转变为柱状晶粒并沿着熔覆层法向生长,少量的胞状晶及大量的柱状晶最终填满了熔覆层;熔覆层凝固过程中会由于母材一侧扩散的Fe元素而形成富铁相,且这种富铁相在一定程度上提高了熔覆层力学性能,电弧热输入的增加会使晶粒尺寸变大,晶粒粗化,同时也会促进Fe元素的扩散行为,导致熔覆层枝晶间析出更多的富铁相。通过熔覆层相关试验,对模拟结果进行了验证,证实了晶粒组织、相组织及形貌、Fe元素分布以及析出相尺寸等方面的准确性,结果显示仿真结果的准确度较高。本文通过数值模拟技术,深入探讨了电弧覆铜基合金的温度场和熔池场特性。研究结果对于优化覆铜基合金的制备工艺和提升其性能具有重要意义,并阐明了晶粒生长过程和热输入对微观组织影响及相演变规律,为提供更优良的熔覆层性能给予理论指导。