鎳基高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)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(dòng)機(jī)、艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)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(lèi)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(diǎn),能夠有效地解決該問(wèn)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(shí)驗(yàn)手段難于獲取制備過(guò)程的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)據(jù),因此通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究激光熔覆過(guò)程具有重要意義。本文運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)激光熔覆鎳基高溫合金過(guò)程進(jìn)行了研究,建立了四路同軸送粉和熔覆過(guò)程模型,得到以下結(jié)論:(1)不同的惰性氣體密度和動(dòng)力粘度系數(shù)差異較大,氣體密度和氣體動(dòng)力粘度系數(shù)越小,氣體流動(dòng)速度越大。在氬氣、氮?dú)�、氦氣三種惰性氣體中,氦氣的流動(dòng)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(shí),粉末粒子匯聚性最好,粉末粒子在匯聚區(qū)域的流動(dòng)速度約為3.2m/s。(2)在熔覆過(guò)程的前0.7秒內(nèi),隨著熔覆時(shí)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(chǎng)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(xì)小的等軸晶,熔池底部易形成晶粒尺寸較為粗大的樹(shù)枝晶或柱狀晶。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(dòng)速度較大,且俯視呈對(duì)稱雙環(huán)狀,環(huán)上流體流動(dòng)速度最大,越往內(nèi)環(huán)中心和熔池邊界流體流動(dòng)速度越小,環(huán)形后端流動(dòng)速度較前端大。表面張力溫度系數(shù)為負(fù)時(shí),熔池橫切面所在平面左側(cè)流體流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,右側(cè)為順時(shí)針,熔池縱截面所在平面流體后端流動(dòng)環(huán)上流體逆時(shí)針流動(dòng),前端流動(dòng)環(huán)為順時(shí)針流動(dòng)。即表面張力溫度系數(shù)為負(fù)值時(shí),熔池中部流體由下往上流動(dòng),當(dāng)表面張力溫度系數(shù)為正值時(shí),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(dòng)方向?qū)⒂缮贤铝鲃?dòng)。
【學(xué)位單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：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(chǎng)和流場(chǎng)模擬
        1.5.1 溫度場(chǎng)模擬
        1.5.2 熔池流場(chǎng)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(jì)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(jì)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(jiǎn)介
    2.3 連續(xù)相流動(dòng)模擬結(jié)果分析
        2.3.1 送粉頭進(jìn)氣口速度
        2.3.2 連續(xù)相流場(chǎng)
        2.3.3 不同氣體性質(zhì)對(duì)流場(chǎng)的影響
        2.3.4 載粉氣流量對(duì)連續(xù)相流場(chǎng)的影響
    2.4 粉末粒子運(yùn)動(dòng)軌跡
        2.4.1 粉末粒子運(yùn)動(dòng)軌跡
        2.4.2 粉末粒徑對(duì)粉末粒子運(yùn)動(dòng)的影響
        2.4.3 粉末密度對(duì)粉末粒子運(yùn)動(dòng)的影響
        2.4.4 載粉氣流量對(duì)粉末粒子運(yùn)動(dòng)的影響
    2.5 本章小結(jié)
第三章 激光熔覆溫度場(chǎng)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(duì)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(jì)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(jì)算
    3.3 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果
        3.3.1 溫度場(chǎng)分布
        3.3.2 溫度場(chǎng)分布對(duì)凝固特征的影響
        3.3.3 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)及熔覆層形貌的影響
        3.3.4 掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)及熔覆層形貌的影響
        3.3.5 送粉率對(duì)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)分布
        4.2.2 表面張力溫度系數(shù)對(duì)流體流動(dòng)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(xiàn)
個(gè)人簡(jiǎn)介 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2845754