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作者：王瑶石家庄铁道大学

学位级别：硕士

超高速激光熔覆与传统激光熔覆相比具有熔覆层更薄(10～250μm)、熔覆速度更快(快100～250倍)、稀释率更低等优势,在电镀铬绿色替代及其他关键部件表面改性领域具有广阔前景。其中,气/粉/光交互作用、动态熔池传热传质以及超薄熔覆层非... 详细信息

超高速激光熔覆与传统激光熔覆相比具有熔覆层更薄(10～250μm)、熔覆速度更快(快100～250倍)、稀释率更低等优势,在电镀铬绿色替代及其他关键部件表面改性领域具有广阔前景。其中,气/粉/光交互作用、动态熔池传热传质以及超薄熔覆层非平衡凝固等复杂物理过程直接影响熔覆层宏观形貌及性能。本文针对超高速激光熔覆过程,建立了基于自主研发的环形同轴送粉喷嘴的气/粉/光耦合模型,研究了工艺参数对粉末空间密度以及能量吸收比例的影响规律。结果表明:1)其他条件恒定,粉末密度变化受保护气流量和载气流量影响,随着载气流量由5 L/min增加至13 L/min,喷嘴轴线上的粉末密度降低了约47.6%,激光衰减能量下降了23%。随着保护气流量由4 L/min增加至12 L/min,喷嘴轴线上的粉末密度降低了约37.6%,激光衰减能量下降了13%。随送粉量增加,粉末密度增加,激光衰减能量逐级增加。2)其他参数恒定,粉末粒径对粉末密度影响并不大,但粉末粒径增加使表面积减小,激光衰减能量减少。激光汇聚的焦平面和粉末汇聚的焦平面接近重合时,粉末吸收能量百分比最低,激光焦平面在粉束焦平面上方0.01 m时粉末吸收能量比例最大为89%;激光光斑半径存在最优范围,光斑半径在100μm～120μm时粉末吸收能量达到峰值。建立了超高速激光熔覆传热传质模型,考虑了熔池上表面形状对熔池传热传质的影响,并提出了一种适合超高速激光熔覆的热源模型。同时制备了超高速激光熔覆Fe基熔覆层,验证了模拟结果的准确性。随后提取熔池内的温度梯度和凝固速度,研究工艺参数对熔池凝固条件的影响规律。结果表明:1)随着扫描速度的提高,熔覆层形貌逐渐趋于扁平化,模拟结果与实际结果吻合程度较高。2)在沿熔池厚度的中心线方向上,随着距熔池底部间距增加,温度逐渐增大,在熔池表面达到最高温度。熔池内流体由中心向四周扩散,流体最高速度出现在熔池表面。3)从熔池底部到熔池顶部,温度梯度(G)逐渐减小,凝固速度(R)逐渐增大。随着扫描速度的增加,熔池形状由椭圆状变为泪滴状,熔池内的凝固速度(R)显著增大。最后对熔覆层进行了微观组织特征和性能分析,探讨了温度梯度、凝固速度以及冷却速率对微观组织形态特征的影响。结果表明:1)不同参数下熔覆层组织分布基本一致,从熔覆层结合处到顶部分别为平面晶、柱状枝晶和等轴晶。多层熔覆搭接块为典型的外延生长形貌,以柱状晶和等轴晶分布方式重复排布。熔覆层物相主要为单一的α-Fe。2)随着扫描速率从5 m/min增加到35 m/min,熔覆层内微观组织逐渐细化。二次枝晶间距随冷却速率增大而减小,将模拟结果与实验数值进行拟合,得到拟合公式为:λ=65.2×(G×R)。3)超高速激光熔覆层相对于基体45钢硬度提高了340 HV左右;超高速熔覆层具有良好的抗腐蚀性能。

关键词：超高速激光熔覆气/粉/光耦合模拟熔池传热传质凝固条件凝固组织演变腐蚀性能

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镁合金AZ80的差热分析及凝固组织观察

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铸造 2009年第5期58卷 482-485页

作者：艾秀兰杨军权高峰大连交通大学辽宁省轨道交通关键材料重点实验室辽宁大连116028

利用差热分析(DSC)和在不同温度下加热-急冷,并结合金相组织观察方法研究AZ80镁合金的凝固相变温度及凝固组织变化特征。通过对AZ80镁合金DSC曲线和不同温度下金相组织的比较、分析,确定了该合金的相变起始温度为426.02℃,共晶温度为432... 详细信息

利用差热分析(DSC)和在不同温度下加热-急冷,并结合金相组织观察方法研究AZ80镁合金的凝固相变温度及凝固组织变化特征。通过对AZ80镁合金DSC曲线和不同温度下金相组织的比较、分析,确定了该合金的相变起始温度为426.02℃,共晶温度为432.44℃,固相线温度为528.13℃,液相线温度为609.78℃。同时,通过对不同温度下急冷试样的组织观察,分析了AZ80镁合金在凝固过程中的相变及组织演变特征,并确定了差热分析所得相变温度的准确性。

关键词： AZ80镁合金差热分析凝固组织演变

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镁合金AZ31的差热分析及凝固组织观察

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大连交通大学学报 2009年第2期30卷 58-61页

作者：艾秀兰杨军权高峰大连交通大学辽宁省轨道交通关键材料重点实验室辽宁大连116028

利用差热分析(DTA)和在不同温度下加热-急冷,并结合金相组织观察的方法研究了AZ31镁合金的凝固相变温度及凝固组织变化特征.通过对AZ31镁合金DTA曲线的分析和不同温度下金相组织的比较、分析,确定了该合金的相变起始温度为430.1℃,共晶... 详细信息

利用差热分析(DTA)和在不同温度下加热-急冷,并结合金相组织观察的方法研究了AZ31镁合金的凝固相变温度及凝固组织变化特征.通过对AZ31镁合金DTA曲线的分析和不同温度下金相组织的比较、分析,确定了该合金的相变起始温度为430.1℃,共晶温度为438.5℃,固相线温度为614.4℃,液相线温度为636.4℃.同时,通过对不同温度下急冷试样的组织观察,分析了AZ31镁合金在凝固过程中的相变及组织演变特征,并确定了差热分析所得相变温度的准确性.

关键词： AZ31镁合金 DTA 凝固组织演变相变

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Al_5Ti_1B对A356合金流动性的影响

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铸造 2009年第5期58卷 489-493页

作者：起华荣史庆南王效琪杨钢昆明理工大学云南省新材料制备与加工重点试验室云南昆明650093 云南冶金集团总公司科技部云南昆明650051

通过研究Al5Ti1B加入对A356合金凝固过程微观组织演变的影响,探讨Ti/B对A356合金流动性的影响机理。通过研究表明,Al5Ti1B量<0.1%时能够使A356流动性上升,0.1% 详细信息

通过研究Al5Ti1B加入对A356合金凝固过程微观组织演变的影响,探讨Ti/B对A356合金流动性的影响机理。通过研究表明,Al5Ti1B量组织分析认为,少量Al5Ti1B的加入促进α-Al晶粒形核,大量α-Al晶核的形成使周围成分过冷,抑制晶粒迅速长大,相对延长液态时间,使合金流动性提高;继续添加Al5Ti1B,熔体中TiB2异质颗粒过剩,使合金液相线上升,凝固区间扩大,潜热释放不集中,形核温度上升,流动性降低。适量Al5Ti1B的加入能增加A356中α-Al形核率,减小晶粒尺寸,提高流动性。

关键词： A356合金流动性 Al5Ti1B添加凝固组织演变

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多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究

多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究

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作者：张云浩石家庄铁道大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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