鎳基高溫合金具有較高的高溫強度、良好的耐腐蝕和疲勞性能等優(yōu)異綜合性能,因而廣泛應(yīng)用于航天航空發(fā)動機、艦船和工業(yè)燃氣輪機等大型構(gòu)建的熱端部件的制備。但鎳基高溫合金成分復(fù)雜,容易偏析,形成脆性相,傳統(tǒng)的制備方法限制了該類合金性能的充分發(fā)揮。激光熔覆法具有高能量密度,兼有急熱快冷特點,能夠有效地解決該問題。激光熔覆法容易出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力,因此如何控制殘余應(yīng)力是當(dāng)務(wù)之急。目前的實驗手段難于獲取制備過程的溫度場和流場的數(shù)據(jù),因此通過計算機模擬技術(shù)研究激光熔覆過程具有重要意義。本文運用COMSOL Multiphysics軟件對激光熔覆鎳基高溫合金過程進行了研究,建立了四路同軸送粉和熔覆過程模型,得到以下結(jié)論:(1)不同的惰性氣體密度和動力粘度系數(shù)差異較大,氣體密度和氣體動力粘度系數(shù)越小,氣體流動速度越大。在氬氣、氮氣、氦氣三種惰性氣體中,氦氣的流動速度最大。粉末流在距送粉頭噴嘴豎直距離14-18.2mm區(qū)域內(nèi)匯聚性最佳。粉末粒子粒徑在250-300目,載粉氣流量為6-7L/min時,粉末粒子匯聚性最好,粉末粒子在匯聚區(qū)域的流動速度約為3.2m/s。(2)在熔覆過程的前0.7秒內(nèi),隨著熔覆時間的增加,熔覆層寬度和熔池深度以及熔池內(nèi)溫度逐漸增大。0.7秒后,熔覆層幾何形貌和溫度場分布趨于穩(wěn)定,基板與熔覆層組成的系統(tǒng)能量接近守恒,粉末粒子輸送也趨于穩(wěn)定。熔池后端自上而下溫度梯度逐漸增大,但界面形成速度逐漸減小,熔覆層頂層形成晶粒較為細小的等軸晶,熔池底部易形成晶粒尺寸較為粗大的樹枝晶或柱狀晶。通過實驗與模擬數(shù)據(jù)對比,模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合,熔池形貌、熔池寬度與激光功率變化規(guī)律誤差為5.14%;熔覆層高度隨掃描速度的變化誤差為6.1%。(3)熔池上端流體流動速度較大,且俯視呈對稱雙環(huán)狀,環(huán)上流體流動速度最大,越往內(nèi)環(huán)中心和熔池邊界流體流動速度越小,環(huán)形后端流動速度較前端大。表面張力溫度系數(shù)為負時,熔池橫切面所在平面左側(cè)流體流動方向為逆時針,右側(cè)為順時針,熔池縱截面所在平面流體后端流動環(huán)上流體逆時針流動,前端流動環(huán)為順時針流動。即表面張力溫度系數(shù)為負值時,熔池中部流體由下往上流動,當(dāng)表面張力溫度系數(shù)為正值時,由表面張力溫度系數(shù)與溫度梯度共同作用,熔池中部的流體流動方向?qū)⒂缮贤铝鲃印?br> 【學(xué)位單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 激光熔覆技術(shù)
    1.3 激光熔覆鎳基合金
    1.4 激光熔覆同軸送粉粉末流模擬
    1.5 激光熔覆溫度場和流場模擬
        1.5.1 溫度場模擬
        1.5.2 熔池流場模擬
    1.6 本文研究目的和主要內(nèi)容
第二章 四路同軸送粉粉末流模擬
    2.1 計算流體力學(xué)理論
        2.1.1 流體性質(zhì)
        2.1.2 連續(xù)介質(zhì)
        2.1.3 不可壓縮流體控制方程
    2.2 計算模型的建立
        2.2.1 物理模型
        2.2.2 幾何模型
        2.2.3 網(wǎng)格劃分
        2.2.4 粉末粒子流模型假設(shè)
        2.2.5 氣/粉兩相流控制方程
        2.2.6 邊界條件
        2.2.7 求解器設(shè)置
        2.2.8 COMSOLMultiphysics簡介
    2.3 連續(xù)相流動模擬結(jié)果分析
        2.3.1 送粉頭進氣口速度
        2.3.2 連續(xù)相流場
        2.3.3 不同氣體性質(zhì)對流場的影響
        2.3.4 載粉氣流量對連續(xù)相流場的影響
    2.4 粉末粒子運動軌跡
        2.4.1 粉末粒子運動軌跡
        2.4.2 粉末粒徑對粉末粒子運動的影響
        2.4.3 粉末密度對粉末粒子運動的影響
        2.4.4 載粉氣流量對粉末粒子運動的影響
    2.5 本章小結(jié)
第三章 激光熔覆溫度場模擬
    3.1 模型的建立
        3.1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分
        3.1.2 物理模型
        3.1.3 基本假設(shè)
        3.1.4 粉末粒子的溫升及其對激光束的遮蔽作用
        3.1.5 激光熱源模型
        3.1.6 相變傳熱模型
        3.1.7 邊界條件
    3.2 材料熱物性計算
        3.2.1 材料成分
        3.2.2 JMatPro軟件介紹
        3.2.3 材料熱物性計算
    3.3 溫度場模擬結(jié)果
        3.3.1 溫度場分布
        3.3.2 溫度場分布對凝固特征的影響
        3.3.3 激光功率對溫度場及熔覆層形貌的影響
        3.3.4 掃描速度對溫度場及熔覆層形貌的影響
        3.3.5 送粉率對溫度場及熔覆層形貌的影響
    3.4 本章小結(jié)
第四章 激光熔覆熔池流場模擬
    4.1 模型建立
        4.1.1 幾何模型建立及網(wǎng)格剖分
        4.1.2 物理模型
        4.1.3 基本假設(shè)
        4.1.4 流體理論基礎(chǔ)
        4.1.5 流體流動方程
        4.1.6 邊界條件
    4.2 模擬結(jié)果與分析
        4.2.1 熔池內(nèi)流場分布
        4.2.2 表面張力溫度系數(shù)對流體流動方向的影響
    4.3 本章小結(jié)
第五章 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 展望
參考文獻
個人簡介 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2845754