基于CFD-DEM的激光熔覆粉末利用率仿真分析

目的为准确描述激光熔覆过程中粉末与粉末、送粉管、基板之间存在碰撞的事实,提高粉末利用率,探究送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律及原因。方法首先,基于FLUENT有限元分析软件和EDEM离散元分析软件建立基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型,对粉末流从喷嘴喷射到达熔池的全过程进行气固两相流模拟仿真;然后,采用正交方差分析法确定送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律;最后,利用粉末收集试验和单道激光熔覆试验验证模型的可靠性及准确性。结果粉末利用率方差分析结果表明,送粉量、载气量和保护气量的显著性差异评价量F值分别为169.079、114.317、50.153;粉末利用率随送粉量、载气量和保护气量的增大均先提高后降低;在送粉电压18 V、载气量15 L/min、保护气量10 L/min和送粉电压14 V、载气量11 L/min、保护气量8 L/min 2种极端工况下进行粉末收集试验,模拟值与试验值误差分别为4.03%、4.54%;在激光功率1100 W、扫描速度5 mm/s下进行单道激光熔覆试验,模拟值与试验值误差分别为16.13%和16.50%,说明该模型准确可靠。结论送粉量对粉末利用率的影响最大,载气量次之,保护气量影响最小;获取较高粉末利用率的最优组合参数为送粉电压16V、载气量13 L/min、保护气量10 L/min。

Ni包WC颗粒增强金属基复合材料激光熔覆应力场模拟

针对Ni包WC颗粒增强金属基复合材料激光熔覆过程,开发了熔覆层温度场及应力场模型,考虑了不同含量Ni包WC颗粒对复合熔覆层热物性的影响,分析了金属基复合熔覆层中的温度场和应力场演变机理并提出了应力优化的梯度熔覆方案。结果表明:当粉末中Ni包WC颗粒含量越多,物性与基体相差越大,在熔覆过程中会产生较大的应力,熔覆层中最大应力出现在熔覆层与基体的结合面附近。采用梯度熔覆方案可显著降低最大应力,以得到成形良好的复合熔覆层。

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程,基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型,通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合.针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟,研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了试验验证.结果表明,模拟结果与实际物理过程吻合较好,所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.

金属增材制造技术在武器装备的应用和发展

金属增材制造技术能实现复杂形状金属构件的快速整体制造,已成为高性能武器装备复杂构件设计和制造的新方法。本文综述了武器装备制造采用的金属增材制造方法及特点,按照材料分类列举了金属增材制造技术在武器装备制造领域典型的应用案例。在分析现状的基础上,展望了金属增材制造技术在武器装备领域未来的发展趋势。

激光熔覆硬质相增强的镍基合金涂层性能的研究进展

利用激光熔覆技术制备Ni基合金涂层,可以改善工件的表面硬度和耐磨性。为了进一步提高Ni基合金涂层硬度和耐磨性,对要求高硬度高耐磨性的零件进行修复,引入硬质相形成硬质相增强的Ni基复合熔覆层是国内外研究者的研究热点之一。通过对相关研究进行综述,全面总结了硬质相种类、尺寸及含量、硬质相的溶解行为以及外加元素等关键变量对硬质相增强Ni基复合熔覆层性能影响机理的最新进展,同时也指出了裂纹、气孔等缺陷控制是目前研究中存在的主要问题。最后,针对激光熔覆硬质相增强复合熔覆层性能提升以及缺陷控制问题,从专用粉末成分设计、硬质相梯度分布以及外部辅助手段几方面对未来的工作进行了展望。

The numerical analysis of thermal effect and weld shaping of DE-GMAW under composite heat source

The action of the composite heat source model in DE-GMAW has been carried out according to the characteristics of the DE-GMA W process, and the distribution of surface and body heat source was analyzed. The weld temperature field distribution has been derived from the appropriate boundary conditions and the thermal physical property parameters by COMSOL software. The effects of the positions of the surface and body heat source on the cross- sectional shape were investigated by studying the experimental welding thermal cycle curve. The simulated results are fully compliant with the experimental data under the same conditions. This illustrates that the composite heat source model is correct. It reflects the thermal mechanism of DE-GMA W process, and reveals the internal influence of weld shaping.

激光功率对19Cr双相不锈钢焊接接头组织及性能的影响

针对具有TRIP效应19Cr经济型双相不锈钢,采用不同激光功率的激光自熔焊开展了焊接对比试验,并对焊缝的宏观形貌、微观组织、力学性能和腐蚀性能进行分析。分析结果显示,焊缝正面宏观外貌的平整度随着激光功率的升高先升高后降低,激光功率为1000 W、1050 W和1100 W时焊缝成形较好;在焊缝处奥氏体相含量相对于母材含量较少,奥氏体含量的变化随着激光功率的变化先减少再增加,激光功率为1000 W时,焊缝处奥氏体含量最少;激光功率为700 W、1000 W和1300 W时焊缝处的平均硬度值为220HV_(0.1),母材处的平均硬度值为370HV_(0.1);激光功率为500 W、1000 W和1300 W的焊接接头电化学测试中,1000 W的不锈钢焊接接头的自腐蚀电流密度最低,点蚀电位最高。研究表明,激光功率为1000 W焊接时,19Cr双相不锈钢焊缝成形性最好,焊缝处显微硬度最低,且具有较好的耐腐蚀性能。

固溶时效处理对TB5钛合金组织和电化学腐蚀行为的影响

针对海洋石油钻探和管线用TB5钛合金的耐电化学腐蚀性能优化,研究了常规固溶和时效热处理对其电化学腐蚀行为的影响。试验结果显示,随着固溶温度的提高,TB5钛合金的晶粒尺寸逐渐变大,950℃固溶处理比800℃固溶处理后的尺寸增大了125μm,固溶温度越低晶粒尺寸越小其耐腐蚀性能越好;时效后合金的耐腐蚀性能显著提升,随着时效温度的升高,次生α相的含量呈现先上升后下降的趋势,合金耐腐蚀性能与次生α相含量成正比。研究表明,耐电化学腐蚀性能最优的热处理工艺是800℃固溶+500℃时效,腐蚀速率为1.44×10^(-3)mm/a。

激光熔覆SiC_(f)/Ti-6Al-4V复合材料界面特性与微观力学性能研究

针对激光熔覆制备SiC_(f)/Ti-6Al-4V复合材料过程中反应时间短和扩散时间短的问题,开展了不同真空热暴露条件下SiC_(f)/Ti-6Al-4V复合材料界面特性和微观力学性能的研究。借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪,表征了经不同温度、不同时间真空热暴露后界面反应层厚度、界面处化学成分、微观力学性能。研究发现,激光熔覆叠层技术制备复合材料过程中增强体、C涂层、基体之间会发生界面反应,其主要界面反应产物为TiC。短时真空热暴露会使得界面反应层厚度增加,C涂层厚度减小,随着热暴露时间延长,反应层的生长符合抛物线规律,反应的动力学参数频率因子k0=6.005×10^(-3) m·s^(-1/2),反应激活能Q=143.13 kJ·mol^(-1)。经900℃短时真空热暴露,纤维、C涂层、基体及界面反应层的硬度和弹性模量没有发生明显的变化,表明该材料在900℃及以下温度具有良好的短时热稳定性。

同轴送粉激光熔覆气-粉耦合传输行为数值模拟

针对同轴送粉激光熔覆气-粉耦合传输过程,提出了一种等效模型。该等效模型考虑粉末与喷嘴壁、粉末之间复杂碰撞行为对粉末出射角度和速度的影响。并建立了喷嘴外部的气-粉传输模型。对粉末瞬态位置、运动轨迹及连续分布的平均密度进行模拟,研究工件表面状态和压缩气流速对上述变量的影响规律。结果表明:粉束整体形貌、聚集位置及轨迹线密度的模拟结果均与实验结果吻合较好;熔池未形成时对粉末的反弹在距离工件约10 mm高度的粉束中心区域较为显著,该区域的粉末密度最大提升了约1倍,而随着距离工件的高度增加,粉末密度的提升效果逐渐减弱;压缩气流速提高至2.5 m/s时,粉束中心轴线上粉末密度增加至约5.2 kg/m^(3),而压缩气流速继续提高至5.0 m/s时,中心线上粉末密度则下降了约8%。