【摘要】：Invar合金因其具有極低的熱膨脹系數(shù)而被廣泛應(yīng)用于精密結(jié)構(gòu)和航空復(fù)合材料模具的制造,激光熔化沉積技術(shù)因其獨有特性在形狀復(fù)雜的Invar合金精細結(jié)構(gòu)成形及模具修復(fù)方面具有顯著優(yōu)勢。沉積結(jié)構(gòu)的性能與沉積層中的微觀組織形態(tài)密切相關(guān),而傳統(tǒng)實驗方法難以對熔池微觀組織的動態(tài)演變過程進行有效研究。本文通過建立宏觀有限元模型與微觀元胞自動機模型并對二者耦合求解,實現(xiàn)對Invar合金激光熔化沉積熔池中微觀組織動態(tài)演化過程的仿真。首先,建立針對不同參數(shù)沉積結(jié)構(gòu)的特征化幾何模型,并考慮沉積過程中粉末與激光束的相互作用,構(gòu)建不同工藝參數(shù)條件下Invar合金激光熔化沉積過程宏觀溫度場有限元模型;基于元胞自動機方法相關(guān)理論,建立激光熔化沉積熔池中微觀組織演變的元胞自動機模型,并構(gòu)建宏觀溫度場有限元模型與微觀元胞自動機模型的插值耦合模型。其次,對不同工藝參數(shù)Invar合金激光熔化沉積過程宏觀溫度場進行模擬計算,并對仿真結(jié)果進行校核驗證。結(jié)果表明,激光熔化沉積過程中熔池正面表現(xiàn)為前短后長的橢圓形狀,熔池前方溫度梯度明顯大于熔池后方;隨著激光功率的提高,熔池最高溫度和熱影響區(qū)域逐漸增大,而隨著激光掃描速度的加快,熔池最高溫度和熱影響區(qū)域逐漸減小。再次,通過對宏觀溫度場結(jié)果的插值計算,實現(xiàn)了對激光熔化沉積熔池中不同尺度組織形態(tài)演變過程的仿真求解。結(jié)果表明,熔池底部介觀尺度柱狀晶粒在生長過程中的競爭優(yōu)勢不僅與自身生長取向有關(guān),更受周圍晶粒生長取向的影響;熔池頂部柱狀晶粒向等軸晶粒轉(zhuǎn)變的實質(zhì)是二者的競爭生長,熔池底部相同取向的胞狀亞晶呈相互平行的狀態(tài)生長,并無明顯的競爭現(xiàn)象出現(xiàn)。最后,開展Invar合金激光熔化沉積組織形態(tài)驗證性實驗,對沉積層宏觀形貌及微觀組織進行分析。結(jié)果表明,不同工藝參數(shù)對沉積層的宏觀形貌具有顯著影響。沉積層金相組織由熔池底部的外延柱狀晶粒和熔池頂部的等軸晶粒組成,單層多道沉積層頂部等軸晶與柱狀晶交替出現(xiàn)。通過對沉積層中不同組織形態(tài)實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析,驗證了仿真結(jié)果的合理性,進而說明本文仿真模型能夠有效實現(xiàn)對Invar合金激光熔化沉積熔池中微觀組織演變過程的模擬仿真。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665;TG132.1
【圖文】：

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文2011 年，A. Suárez 等人[12]利用非線性熱-冶金模型研究了 Ti6Al4V 合金激光熔化沉積過程中的熱過程及相轉(zhuǎn)變過程。J.T. Hofman 等人[13]提出了一個用于分析激光熔覆過程中熔覆層幾何形貌及稀釋率的數(shù)學(xué)模型，并采用該模型對不同工藝參數(shù)下熔覆層形貌與稀釋率間的關(guān)系進行定量分析。Qingming Chang 等人[14]建立了一個三維模型用于鎂合金激光熔覆過程的模擬，定量地討論了熔覆參數(shù)對熔池的影響，并分析了 Marangoni 力對熔池輪廓及其內(nèi)部熔體流動的影響2012 年，Simon Morville 等人[15]借助 COMSOL 軟件對激光熔化沉積過程進行研究，通過求解質(zhì)量方程、動量方程以及能量方程建立了一個二維模型，該模型考慮了沉積材料、表面張力以及熱遷移過程，并分析了不同工藝參數(shù)對熔池狀態(tài)的影響，其模擬結(jié)果如圖 1.1 所示。同年，S. Marimuthu 等人[16]借助三維熱-機耦合模型分析了激光沉積成形航空發(fā)動機零件過程中溫度場及殘余應(yīng)力的分布特點。

Invar 合金激光熔化沉積過程微觀組織建模與仿真研究有限元方法分析沉積層的成形及熱量的變化。Yousub Lee 等人[20]利用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)方法，研究了鎳基合金激光熔覆過程中熔池流動對枝晶間距的影響。2015 年，Michael F. Gouge 等人[21]綜合考慮了激光沉積過程中對流對熱場的影響，對有模型進行改進，獲得了更為精確的溫度演化數(shù)據(jù)。同年，北京理工大學(xué)馬立杰[22]提出了用究激光熔覆過程的數(shù)學(xué)解析模型，并采用雙橢球型熱源對熔覆中的熱過程進行了細致研究圖 1.2 所示為采用該解析模型對熔覆過程溫度場的仿真結(jié)果。

激光熔化沉積層的顯微組織進行分析，在沉積層沉積方向上發(fā)現(xiàn)了定向生長的微細柱狀晶粒，沉積層頂部由定向的微細樹枝晶和非定向的樹枝晶組成。2013 年，C.M. Liu 等人[29]研究了鈦合金激光熔化沉積層的微觀組織特征，在沉積層中發(fā)現(xiàn)了三種類型的晶粒結(jié)構(gòu)，即大的柱狀晶、小的柱狀晶以及等軸晶，其中，大的柱狀晶分布在相鄰掃描路徑的重疊區(qū)域，小柱狀晶和等軸晶主要分布在單獨沉積層的底部和頂部。2014 年，Zheng Liu 等人[30]利用激光熔化沉積技術(shù)沉積了Ti 6.5Al 3.5Mo 1.5Zr 0.3Si合金，并對其微觀組織進行了分析。分析結(jié)果表明，由于基體晶粒的外延生長形成了柱狀晶結(jié)構(gòu)，并且柱狀晶大致平行于沉積的方向。燕山大學(xué)李小榕[31]對鈦合金激光熔化沉積層的組織及性能進行了詳細分析。2015 年，T. Wang 等人[32]利用基本的形核與長大理論研究了鈦合金激光熔化沉積成形過程中晶粒形貌的演化行為。研究發(fā)現(xiàn)，在熔池中存在兩種凝固機制，一種是在部分熔化粉末基礎(chǔ)上的非均勻形核機制，在該機制下將產(chǎn)生等軸晶結(jié)構(gòu)；另一種是針對熔池底部晶粒的外延生長機制，在這種機制下沉積層的微觀形貌表現(xiàn)為柱狀晶，兩種機制的競爭結(jié)果將決定最終沉積層的微觀組織形貌，其實驗結(jié)果如圖 1.3 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2792349