2017年由德國提出的超高速激光熔覆技術(shù),突破了傳統(tǒng)熔覆的效率瓶頸,通過對熔覆頭的精巧設(shè)計(jì),調(diào)整粉末焦平面與激光焦平面的相對位置以實(shí)現(xiàn)激光與粉末路徑的最佳耦合,使得在一定線能量輸入下,粉末在飛行空間熔化的同時(shí)僅在基體表面形成微溶池,在保障冶金結(jié)合的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)粉末利用率85%以上的均勻薄涂層的高效制備。在超高速激光熔覆裝備引起廣泛關(guān)注與跟蹤仿制的同時(shí),超高速激光熔覆與傳統(tǒng)激光熔覆的沉積行為差異,尤其是超高速激光熔覆準(zhǔn)二維熔池的非平衡凝固行為尚不明確。本文基于COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件,對超高速激光熔覆鐵基合金涂層的熔覆過程進(jìn)行了研究,建立了基于自主研發(fā)的環(huán)形同軸送粉噴嘴的粉氣兩相流模型,計(jì)算了超高速激光熔覆瞬態(tài)溫度場和流場。(1)使用多種惰性氣體分別作為送粉氣氣體進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)氦氣的流動(dòng)速度最快,但噴出送粉口后發(fā)散迅速。氮?dú)庾鳛榧す馄鞅Ｗo(hù)氣性價(jià)比最高。氬氣作為載粉氣綜合性能最優(yōu),能夠有效覆蓋熔覆區(qū)域形成抗氧化環(huán)境,減少熔覆過程熔覆材料的氧化與過燒現(xiàn)象。載粉氣氣流量為4-8L/min及粉末顆粒粒徑為150-250目左右時(shí),粉末流在送粉頭噴嘴垂直向下距離11-13m...

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 選題的背景及意義
        1.1.1 激光熔覆概述與超高速激光熔覆的提出
        1.1.2 超高速激光熔覆國內(nèi)外研究進(jìn)展
    1.2 數(shù)值模擬
        1.2.1 激光熔覆同軸送粉粉末流模擬
        1.2.2 激光熔覆溫度場和熔池流場模擬
    1.3 研究超高速激光熔覆數(shù)值模型的必要性
    1.4 本課題研究的內(nèi)容和方案
第2章 材料的物性參數(shù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
    2.1 材料熱物性計(jì)算
        2.1.1 材料成分
        2.1.2 JMatPro軟件介紹
        2.1.3 材料熱物性計(jì)算
    2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備
        2.2.1 超高速激光熔覆實(shí)驗(yàn)
        2.2.2 高速紅外攝像實(shí)驗(yàn)
第3章 環(huán)形同軸送粉原理與粉末流模擬
    3.1 流體力學(xué)理論
        3.1.1 流體性質(zhì)
        3.1.2 連續(xù)介質(zhì)
        3.1.3 流體流動(dòng)的控制方程
        3.1.4 氣/固兩相流控制方程
    3.2 粉末流模型的建立
        3.2.1 COMSOL Multiphysics
        3.2.2 求解器設(shè)置
        3.2.3 幾何模型
        3.2.4 網(wǎng)格劃分
        3.2.5 氣/固兩相流模型假設(shè)
        3.2.6 邊界條件
    3.3 連續(xù)相流動(dòng)模擬結(jié)果分析
        3.3.1 連續(xù)相流場
        3.3.2 不同種類送粉氣體對流場的影響
        3.3.3 送粉氣氣流量對流場的影響
    3.4 氣/固兩相流粉末流軌跡結(jié)果分析
        3.4.1 粉末顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡
        3.4.2 粉末粒徑對粉末顆粒運(yùn)動(dòng)的影響
        3.4.3 送粉氣流量對粉末顆粒運(yùn)動(dòng)的影響
    3.5 本章小結(jié)
第4章 超高速激光熔覆瞬態(tài)溫度場模擬
    4.1 超高速激光熔覆涂層成型機(jī)理研究
    4.2 瞬態(tài)溫度場模型的建立
        4.2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分
        4.2.2 物理模型
        4.2.3 基本假設(shè)
        4.2.4 粉末顆粒的影響
        4.2.5 激光能量密度模型
        4.2.6 相變傳熱模型
        4.2.7 邊界條件
    4.3 溫度場模擬結(jié)果
        4.3.1 溫度場分布
        4.3.2 激光功率對溫度場及熔覆層形貌的影響
        4.3.3 掃描速度對溫度場及熔覆層形貌的影響
        4.3.4 送粉率對溫度場及熔覆層形貌的影響
    4.4 本章小結(jié)
第5章 超高速激光熔覆熔池流場模擬
    5.1 熔池流場理論基礎(chǔ)
        5.1.1 表面毛細(xì)現(xiàn)象
        5.1.2 馬蘭戈尼效應(yīng)
        5.1.3 自然對流
        5.1.4 熔池邊界追蹤
        5.1.5 流體流動(dòng)方程
        5.1.6 層流和湍流
    5.2 超高速激光熔覆熔池流場模型建立
        5.2.1 物理模型
        5.2.2 幾何模型建立及網(wǎng)格剖分
        5.2.3 基本假設(shè)
        5.2.4 邊界條件
    5.3 模擬結(jié)果與分析
        5.3.1 熔池內(nèi)流場分布
        5.3.2 表面張力溫度系數(shù)對流體流動(dòng)方向的影響
    5.4 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
申請學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文



本文編號：3993388