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高速激光熔覆平板和外/内轴熔池动态演化研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：付延昭顾衡钱黎黎任旭东江苏大学机械工程学院江苏大学能源与动力工程学院

本研究采用计算流体动力学仿真模型分别在平板、外轴和内轴上进行高速激光熔覆，探究扫描工艺参数对熔覆层形貌和熔池的影响，同时分析在不同工件上进行单道和多道扫描时熔池动态演化过程的差异。结果表明：随着扫描速度的增加，熔池逐... 详细信息

本研究采用计算流体动力学仿真模型分别在平板、外轴和内轴上进行高速激光熔覆，探究扫描工艺参数对熔覆层形貌和熔池的影响，同时分析在不同工件上进行单道和多道扫描时熔池动态演化过程的差异。结果表明：随着扫描速度的增加，熔池逐渐减小。在相同的工艺参数下，平板上的熔池最大，并且熔覆层的宽度和高度随着扫描速度的增加而逐渐减小。在工艺参数相同时，平板上的熔覆层宽度最小，高度最大；而外轴上的熔覆层宽度和高度均小于内轴上的。在进行多道熔覆的过程中，随着扫描道数的增加，熔池也随之增大。值得注意的是，从第二道开始，每一道扫描都导致熔覆层宽度的增加大于设定的搭接偏移量，并且随着扫描道数的增加，每一道扫描使熔覆层增加的宽度也逐渐增大。在外轴和内轴上，由于重力的作用效果，熔池产生了不同的动态流动，而在平板上，重力对熔池流动的影响较小。在平板、外轴和内轴上熔覆层中心纵向截面的熔池动态演化过程中，熔池的流动方式相同，熔池内的液体在马兰戈尼力和表面张力的共同作用下朝着熔池的末端流动。熔池的最大流速分别是0.931 m/s,0.964 m/s和1.385 m/s，其中平板上的熔池流速最小，而内轴上的熔池流速最大。温度梯度随熔覆速度的增大而减小，当熔覆速度相同时，平板上的温度梯度最大，内轴上的温度梯度最小。

关键词：高速激光熔覆计算流体动力学轴类零件多道扫描熔池演化重力影响

激光选区熔化IN718合金的熔池演化过程数值模拟

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特种铸造及有色合金 2024年第4期44卷 490-495页

作者：谢文浩李俊周建新计效园殷亚军张帅锋段伟段现银党理想武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 中国船舶集团有限公司第七二五研究所洛阳471023 华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室武汉430074

采用离散元(DEM)与流体体积(VOF)相结合的方法,以IN718粉末的激光选区熔化(SLM)过程为研究对象,通过数值模拟和试验验证,研究了激光功率对熔池尺寸的影响,以及熔池演化和熔道形貌的形成机理。结果表明,随着激光功率增大,熔池尺寸逐渐增... 详细信息

采用离散元(DEM)与流体体积(VOF)相结合的方法,以IN718粉末的激光选区熔化(SLM)过程为研究对象,通过数值模拟和试验验证,研究了激光功率对熔池尺寸的影响,以及熔池演化和熔道形貌的形成机理。结果表明,随着激光功率增大,熔池尺寸逐渐增大,熔池连续性和尺寸均匀性增强,合适的工艺参数(P=200 W,v=1.5 m/s)会获得最佳熔道形貌;由温度梯度引起的表面张力梯度与蒸气反冲压力共同驱动了熔池的演化和熔道形貌的形成;优化层间旋转角(θ=67°)能够降低熔道两端孔缺陷出现的概率。

关键词：激光选区熔化 IN718合金熔池演化数值模拟

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

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表面技术 2023年

作者：宋宝强门秀花张国昌潘永智李艳蒋振峰付秀丽济南大学机械工程学院山东淄博大亚金属科技股份有限公司

激光熔覆是一种高能束增材修复技术，具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势，目前已广泛应用于航空航天、能源动力等领域中关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造。激光熔覆是以“激光”为热源的... 详细信息

激光熔覆是一种高能束增材修复技术，具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势，目前已广泛应用于航空航天、能源动力等领域中关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术，包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程，其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征，其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态，是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。本文从激光熔覆过程中熔池内对流、传热与传质的动态物理特性出发，论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上，分析了激光熔覆层典型缺陷—裂纹和气孔的形成机理及特征，总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时，针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性，概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后，总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题，并对其发展趋势做出了展望。

关键词：激光熔覆热源模型熔池演化熔凝过程缺陷控制复合能场调控

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电触头材料的熔池演化过程

机械工程材料 2008年第5期32卷 7-10页

作者：徐坚熊惟皓傅江华叶家健李震彪华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 华中科技大学电气与电子工程学院湖北武汉430074

在计算了电弧能量作用于触头材料所形成温度场变化的基础上,研究了电弧作用后从形成熔池到冷却凝固至室温过程中,触头材料状态的变化过程以及与之对应的熔池形貌的演化过程;着重分析了熔池凝固过程的特点及其对触头材料显微组织和形貌... 详细信息

在计算了电弧能量作用于触头材料所形成温度场变化的基础上,研究了电弧作用后从形成熔池到冷却凝固至室温过程中,触头材料状态的变化过程以及与之对应的熔池形貌的演化过程;着重分析了熔池凝固过程的特点及其对触头材料显微组织和形貌变化的影响。结果表明:电弧作用后触头降温至完全凝固过程中的温度变化速率高达107℃.s-1,因而冷却速率极快;触头材料凝固过程还具有易于形核、熔池温度梯度大、易形成孔洞疏松结构、甚至会发生化学反应等突出的特点。

关键词：触头材料温度场熔池演化凝固过程熔焊

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激光熔覆过程中熔池温度场的数值模拟及参数优化

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激光熔覆过程中熔池温度场的数值模拟及参数优化

作者：董二凤上海电机学院

学位级别：硕士

作为一种常见的表面改性技术,激光熔覆能够明显提高材料的耐腐蚀、耐磨损、耐高温与抗氧化等性能。由于激光熔覆成形过程涉及到熔化、蒸发、凝固等现象,很难通过实验获得熔池形貌及熔池温度场和流场的动态变化,而数值模拟技术可以非常... 详细信息

作为一种常见的表面改性技术,激光熔覆能够明显提高材料的耐腐蚀、耐磨损、耐高温与抗氧化等性能。由于激光熔覆成形过程涉及到熔化、蒸发、凝固等现象,很难通过实验获得熔池形貌及熔池温度场和流场的动态变化,而数值模拟技术可以非常直观的获得激光熔覆成形过程中熔池形貌、熔池温度场和熔池中流场的演化过程。本文以Stellite6合金作为研究对象,建立了介观多物理场热-固-流耦合模型,利用激光-粉层模拟技术,模拟了不同工艺参数下的激光熔覆成形过程,研究了缺陷形成机理,得到了温度场、流场以及熔池形貌的变化规律,并使用正交法进行工艺参数的优化。本文主要研究内容以及关键结论包括:(1)基于激光-粉层的数值模拟技术,得到了不同工艺参数下熔池温度场及熔池形貌的变化规律。随着激光扫描功率增大,熔池内温度的峰值变大,熔池的几何尺寸均增加;随着激光的扫描速度降低,熔池内温度峰值升高,熔池的高度和深度增加,且激光功率对熔池温度场的影响大于激光扫描速度。(2)通过对激光熔覆成形过程模拟,探究了不同工艺参数下熔池流动的规律,为熔池内流场研究指明方向。一般情况下,促使熔池流动的主要作用力为表面张力、蒸汽反冲压力及马兰戈尼对流。引入能量密度的概念,当能量密度较低时,熔池内的主要驱动力为表面张力,容易出现球化现象;随着能量密度增大,温度梯度变大导致马兰戈尼对流增强,熔池流动增强,熔池内传热充分使得激光熔覆的成形效果好;当能量密度过大时,熔池内流动的主要驱动力变成蒸汽反冲力,蒸汽反冲力为垂直液面向下的力,使得熔池液面出现凹陷区域。(3)对激光熔覆成形过程中单道与多道成形的缺陷进行分析研究,可为激光熔覆成形工艺优化奠定基础。表面张力对熔池的作用是单道成形中的球化现象以及单道不平直现象产生的主要原因,增大能量密度和适当的减小层厚能减少球化现象,减小粉末粒径能减小单道不平直现象,但是单道不平直现象不能完全避免;输入的能量密度过低导致金属粉末未完全熔化产生孔隙,输入的能量密度过高,熔池内的温度也会过高,很容易产生飞溅现象,可以通过控制能量密度的输入来控制这两种缺陷的产生;在多道成形中扫描间距选择不合理会导致缺陷产生,扫描间距过大会导致两个熔道之间粉末熔化不完全,扫描间距过小,重熔区域增大,激光输入能量密度增大,会使熔池流动剧烈,极易形成热裂纹等缺陷,并且重熔区域过大会使得能量利用率低,成形效率低。

关键词：激光熔覆离散元熔池演化参数优化

选择性激光熔化TiC陶瓷成形机理的数值模拟研究

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选择性激光熔化TiC陶瓷成形机理的数值模拟研究

作者：李升晨中南大学

学位级别：硕士

选择性激光熔化(SLM)作为一种典型陶瓷增材制造技术,具有成形效率高、精度高、不受模具限制等优势。但SLM是一个复杂的非平衡热物理过程,现有实验手段难以对其中的微观现象进行直观的表征。利用数值模拟技术能够有效揭示SLM的成形机理,... 详细信息

选择性激光熔化(SLM)作为一种典型陶瓷增材制造技术,具有成形效率高、精度高、不受模具限制等优势。但SLM是一个复杂的非平衡热物理过程,现有实验手段难以对其中的微观现象进行直观的表征。利用数值模拟技术能够有效揭示SLM的成形机理,为高精度复杂形状陶瓷零件的高效制备提供依据。本文通过建立微观动态的SLM三维模型,从微观尺度上研究了TiC陶瓷的SLM成形机理,得到优选的工艺参数范围。主要研究工作和创新点如下:(1)建立了TiC陶瓷的SLM微观动态仿真模型,实现了对非平衡热物理条件下陶瓷快速熔凝过程的模拟。基于离散单元法,利用EDEM软件建立了不同厚度随机填充的TiC陶瓷粉末床模型。基于有限体积法和粉末床模型,利用Flow 3D软件建立了SLM陶瓷粉末成形过程的三维仿真模型,并通过编写Flow 3D二次开发接口程序加载了激光高斯热源及热边界条件。针对SLM快熔快凝特点,利用流体体积法实现了对SLM熔池自由液面的动态追踪。所建模型能够有效仿真SLM陶瓷材料成形的全过程。(2)研究了TiC陶瓷SLM过程中的熔池演化过程及凝固特性,查明了熔道形貌及微观组织的成形机制。SLM过程中,熔池演变主要受到表面张力和陶瓷熔体性能突变的影响,最终在马兰戈尼效应下凝固为凹陷几何特征。凝固过程中,熔池温度梯度以及冷却速率均会随着激光功率的增大而降低,较小的功率可得到致密度更高的微观组织。受到形状控制因子G/R控制,陶瓷晶粒从底部的胞状晶演变为中部的树枝晶,顶部演变为颗粒晶与树枝晶的混合状态。实验结果验证了仿真模型的正确性。(3)研究了工艺参数对TiC陶瓷熔道表面形貌的影响规律,获得了TiC陶瓷成形的优选工艺区间。激光光斑大小和铺粉厚度存在对应关系,光斑半径大于铺粉厚度时才能得到较好成形质量、获得优选工艺区间。引入线能量密度探究激光功率和扫描速度这两个参数对成形形貌的综合影响,线能量密度在100～400J/m的范围内,陶瓷成形形貌较优。在优选的线能量密度范围内,即使施加相同的线能量密度,不同激光功率与扫描速度组合所得成形形貌仍然存在一定的差异。图53幅,表9个,参考文献116篇

关键词：选择性激光熔化 TiC陶瓷数值模拟线能量密度熔池演化凝固特性

严重事故下大功率压水堆IVR-ERVC有效性MELCOR研究

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严重事故下大功率压水堆IVR-ERVC有效性MELCOR研究

作者：金越上海交通大学

学位级别：硕士

通过压力容器外部冷却（ERVC）以实现堆内熔融物滞留（IVR）作为反应堆严重事故管理的一项重要举措一直以来广泛受到国内外研究人员关注，并且在该领域已进行大量研究工作，对该问题有了一定的理论和实验基础。然而，之前的相关研究工... 详细信息

通过压力容器外部冷却（ERVC）以实现堆内熔融物滞留（IVR）作为反应堆严重事故管理的一项重要举措一直以来广泛受到国内外研究人员关注，并且在该领域已进行大量研究工作，对该问题有了一定的理论和实验基础。然而，之前的相关研究工作通常基于一种假设的最终稳态熔池模型，重点针对于相对低功率和中等功率反应堆，如AP600、AP1000等;而且大部分工作在进行IVR-ERVC有效性评价分析时未能考虑到压力容器内外情况的耦合。本文基于严重事故分析程序MELCOR，对1700MW级大功率先进压水堆进行了瞬态IVR-ERVC研究，同时考虑到压力容器内外的耦合特征。论文首先采用MELCOR程序建立起核电厂分析模型并对其建模的有效性进行了稳态计算验证。然后利用该模型进行了瞬态事故的计算和分析，重点关注了堆芯熔毁和重新定位，熔池形成、生长及其传热过程，并且对压力容器外部冷却的有效性进行了评估。下封头热流密度分布的MELCOR瞬态计算结果与下封头局部临界热流密度（CHF）值的比较和分析表明，当1700MW级大功率压水堆发生严重事故时，采用IVR-ERVC措施能够保证压力容器的完整性，即，IVR-ERVC能够有效带出下封头熔融物和堆芯材料的衰变热量，从而缓解严重事故后果。最后，论文对大功率压水堆的设计参数和MELCOR计算中关键参数和相关模型进行了分析，考察了其对严重事故行为和计算结果的影响，并据此为核电厂的设计提出若干改进建议。

关键词： 1700MW级大功率压水堆严重事故熔池演化 IVR-ERVC