【摘要】：激光熔覆技術(shù)具有綠色環(huán)保、質(zhì)量?jī)?yōu)異等特性,在材料表面改性領(lǐng)域得到了廣泛的研究和推廣,逐漸成為高端制造行業(yè)中不可缺少的一環(huán)。針對(duì)熔覆層內(nèi)部性能不穩(wěn)定、組織結(jié)構(gòu)不均勻等問題,學(xué)者們開展了大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化研究。交變磁場(chǎng)等外部能量場(chǎng)輔助技術(shù)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合,可以改善激光熔覆技術(shù)中存在的不足,有效提升熔覆工件的質(zhì)量和性能。然而,單一磁場(chǎng)對(duì)熔池內(nèi)部的調(diào)控能力較弱,目前的輔助方案依然不夠完善。因此,本文選用304不銹鋼熔覆粉末和45鋼熔覆基體,提出一種直流電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)共同耦合輔助激光熔覆技術(shù),在待熔覆基體周圍施加交變磁場(chǎng)的同時(shí),直接對(duì)待熔覆基體通入直流電流,讓直流電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)在熔池內(nèi)部發(fā)生相互疊加,通過多能量場(chǎng)耦合作用,使熔池內(nèi)部的攪拌效應(yīng)得到加強(qiáng),從而強(qiáng)化熔池內(nèi)的對(duì)流分布,改善熔覆層的形貌和性能。實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)搭建電、磁耦合場(chǎng)輔助平臺(tái),使施加在熔覆工件中的直流電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)同時(shí)可控,從而探究不同交變磁場(chǎng)和直流電場(chǎng)參數(shù)下,熔覆層形貌結(jié)構(gòu)和物理性能的變化。同時(shí)采用有限元模擬方法,提出Maxwell和Fluent間接耦合模擬方案,探究耦合場(chǎng)對(duì)激光熔覆中熔池內(nèi)部對(duì)流的影響。首先,對(duì)電、磁耦合場(chǎng)輔助下的熔覆層截面形貌和晶粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明,在激光功率P=1500W,掃描速度v=4mm/s,光斑直徑D=4mm的條件下,耦合場(chǎng)中隨著交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升,熔覆層的高度下降、寬度增加,其形貌變得相對(duì)扁平,當(dāng)交變磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到60mT和80mT時(shí),熔覆層中部的晶粒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的細(xì)化。同時(shí)發(fā)現(xiàn),耦合場(chǎng)中隨著直流電場(chǎng)強(qiáng)度的上升,熔覆層的熔深增加,當(dāng)直流電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到6A和8A時(shí),熔覆層表面細(xì)晶粒區(qū)的面積出現(xiàn)稍稍擴(kuò)大。然后,對(duì)電、磁耦合場(chǎng)輔助下的熔覆層物理性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明,在相同激光參數(shù)下,耦合場(chǎng)中隨著交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升,熔覆層的性能得到一定改善,其顯微硬度稍稍增加、摩擦系數(shù)下降、耐磨性增加,且物相中出現(xiàn)了Cu-Ni化合物。同時(shí)發(fā)現(xiàn),耦合場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度的上升對(duì)熔覆層物理性能的影響有限,不過電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)物相中Cu元素的分布有較大影響。進(jìn)一步,采用Maxwell和Fluent有限元間接耦合模擬方法,分析熔覆工件中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁力的分布,以及電、磁耦合場(chǎng)對(duì)熔池流動(dòng)的影響。模擬表明,耦合場(chǎng)中電場(chǎng)分布由交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流和直流電場(chǎng)產(chǎn)生的穩(wěn)定恒流共同形成,且磁場(chǎng)強(qiáng)度沿磁感線方向會(huì)出現(xiàn)一定的衰減。同時(shí)從基體內(nèi)部到上下表面,電磁力的值將會(huì)逐漸增大,其方向和大小呈周期性變化。此外,加入電、磁耦合場(chǎng)后,熔池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)攪拌渦流,熔液的速度曲線出現(xiàn)了明顯的上下波動(dòng)。本文不僅對(duì)直流電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)耦合輔助技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,還對(duì)其產(chǎn)生的耦合物理場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真模擬分析,為在激光熔覆中多外部能量場(chǎng)共同耦合調(diào)控熔覆組織和形貌提供了一定的技術(shù)參考和指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4
【圖文】：

圖 1.1 激光熔覆示意圖Fig.1.1 Diagram of laser cladding.2 激光熔覆的影響因素激光熔覆后的涂層質(zhì)量受熔覆材料的種類、熔覆材料的供給方式、熔覆

技術(shù)路線

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2729642