針對(duì)多元合金激光熔覆過(guò)程,基于有限元方法和元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)建立了多元合金激光熔覆熔池三維傳熱傳質(zhì)及凝固組織形貌演變模型,通過(guò)自行開發(fā)的宏微觀耦合接口程序?qū)崿F(xiàn)了三維熔池模型和多元合金凝固組織演變模型的耦合.針對(duì)IN718激光熔覆過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)和凝固組織演變過(guò)程進(jìn)行了模擬,研究了基板初始晶粒尺寸、異質(zhì)形核及多層熔覆掃描路徑對(duì)熔覆層凝固組織形貌的影響機(jī)理,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明,模擬結(jié)果與實(shí)際物理過(guò)程吻合較好,所開發(fā)的耦合模型能夠真實(shí)反映多元合金激光熔覆過(guò)程. 

【文章來(lái)源】：焊接學(xué)報(bào). 2020,41(05)北大核心

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激光增材制造示意圖Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-

擬激光熔覆凝固組織形貌，有必要建立激光熔覆過(guò)程熔池傳熱傳質(zhì)的三維模型.圖1激光增材制造示意圖Fig.1Schematicdiagramoflaseradditionmanu-facturing在激光熔覆沉積增材制造過(guò)程中，熔覆層幾何形貌受到工藝參數(shù)的影響[8].為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)沿掃描方向的縱平面上的傳熱傳質(zhì)行為是對(duì)稱的，計(jì)算時(shí)只對(duì)一半模型進(jìn)行計(jì)算.熔覆層前端表面幾何形狀描述為x2a2+y2b2+z2c2=1(1)式中：a，b，c分別代表熔覆層前端長(zhǎng)度、半寬、高度[8-9]，如圖2所示.激光熔覆熔池中，凝固組織形貌取決于瞬態(tài)凝固條件.為了獲得熔池不同位置瞬態(tài)凝固條件，首先建立三維熔池傳熱傳質(zhì)模型.熔池中的傳熱傳質(zhì)行為可以通過(guò)質(zhì)量守恒方程(式(2))、動(dòng)量守恒方程(式(3))以及能量守恒方程(式(4))來(lái)描述，通過(guò)求解控制方程，可以獲得熔池內(nèi)部溫度場(chǎng)分布.在三維笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為(ρui)xi=0(2)(ρuj)t+(ρujui)xi=xi(μujxi)+Sj(3)ρht+(ρuih)xi=xi(kcphxi)ρLftρ(uiLf)xi(4)式中：下標(biāo)i和j表示空間指數(shù)；ρ是金屬的密度；ui是速度；Sj表示液態(tài)金屬所受到的體積力；h是焓變；k是導(dǎo)熱系數(shù)；cp是熱熔；Lf是熔化潛熱.其中，熔化潛熱通過(guò)對(duì)材料熱容進(jìn)行修正，即cp=LfTlTs+cp(5)式中：cp*是修正的熱熔；Tl是液相溫度；Ts是固相溫度.式(5)適用在Ts和

用于定義凝固區(qū)域、動(dòng)力學(xué)邊界條件和移動(dòng)熱源，流程圖如圖3所示.圖3FE-CA耦合模型示意圖Fig.3SchematicdiagramofFE-CAcoupledmodel2計(jì)算結(jié)果及分析2.1熔池溫度場(chǎng)及流場(chǎng)激光熔覆粉末采用的是IN718粉末，成分詳見文獻(xiàn)[10].計(jì)算中采用的激光功率為390W，掃描速度200mm/min，速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示.其中掃描方向沿著x軸，箭頭表示熔池內(nèi)熔融金屬的速度矢量，熔池自由表面上存在較大溫度梯度，由此產(chǎn)生表面張力驅(qū)動(dòng)的熔池液態(tài)金屬流動(dòng)，熔池內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4中所示.圖4熔池傳熱傳質(zhì)模型Fig.4Heatandmasstransfermodelofmoltenpool2.2單道凝固組織形貌凝固組織形態(tài)與形核和生長(zhǎng)過(guò)程密切相關(guān)，在熔覆工藝確定的情況下，影響組織形態(tài)的具體因素包括母材晶粒尺寸以及異質(zhì)形核參數(shù).為驗(yàn)證模型合理性，針對(duì)不同母材晶粒尺寸以及異質(zhì)形核參數(shù)進(jìn)行模擬.圖5所示為不同基板晶粒尺寸下的模擬結(jié)果.由結(jié)果可知，熔合區(qū)半熔化母材晶粒的尺寸直接影響熔覆層凝固過(guò)程中外延形核的數(shù)目，隨著基板晶粒尺寸的增加，熔覆層中外延形核的柱狀晶粒數(shù)目減少，平均尺寸增加.圖5不同基板晶粒尺寸模擬結(jié)果Fig.5Simulationresultsofdifferentgrainsizeofsubstrates.(a)20μm；(b)40μm除外延形核外，凝固過(guò)程中的異質(zhì)形核對(duì)熔覆層中等軸晶的形成以及柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變行為(columnartoequiaxedtransition，CET)有直接影響.圖6所示為采用不同的異質(zhì)形核參數(shù)時(shí)的模擬結(jié)果，計(jì)算中保持激光熔覆條件以及基本母材晶粒尺寸不變.由結(jié)果可知，熔覆層凝固開始于熔合線的外延形核，由于靠近熔合線位置溫度梯度G較?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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