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激光熔覆微观组织形成过程相场法模拟研究

【摘要】:激光熔覆技术是一种以增加材料的方式在基体材料表面形成覆层的特种加工技术,具有热影响区小、制件性能优良、可处理的材料范围广、生产效率高等优点,在材料表面改性及贵重零件修复领域具有广阔的应用前景。 本文考虑了激光熔覆过程中各种工艺参数的综合作用,将激光熔覆宏观模型与相场模型相结合,提出了一种宏-微观耦合模型,用于再现激光熔覆微观组织形成过程,为实现激光熔覆过程微观组织形成过程的有效控制提供理论指导。 首先,将本文建立的同轴送粉激光熔覆层动态变化模型与激光熔覆传热模型相结合,对激光熔覆宏观过程进行模拟,模拟结果真实地再现了熔覆层动态变化过程并反映了温度场变化规律; 其次,通过宏观传热计算,确定激光熔覆微观组织生长所处温度环境,而后利用基于自由能泛函的相场模型模拟了熔池不同位置微观组织演化过程,模拟结果显示:熔池底部为细长柱状晶,生长方向由熔池底部向熔池顶部并略偏向激光扫描方向,熔池中上部为不对称的等轴枝晶,优先生长方向与扫描方向夹角约为50度; 再次,对二元合金预置粉末激光熔覆过程熔池不同位置微观组织演化过程进行模拟,模拟中考虑了熔池金属流动对宏观温度场及熔池形状的影响,模拟结果真实地反映了晶粒生长过程中的潜热释放现象、热量扩散现象、溶质扩散现象、溶质富集现象及微观偏析现象。 最后,进行激光熔覆试验,观察熔覆层晶粒形貌,并与模拟所得结果进行对比,发现模拟结果与试验结果比较吻合,验证了本文建立模型的可行性。

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