倾斜基体激光熔覆残余应力场的数值模拟

为探究倾斜基体对激光增材制造熔覆层残余应力的影响,采用数值模拟法模拟了激光熔覆过程中的温度场和残余应力场。模拟了45钢基体表面的激光熔覆过程,基体与水平面夹角30°,送粉方式选用同步送粉方式,熔覆粉末选用316L不锈钢。计算了温度场,通过间接耦合的方法得出不同路径上残余应力的分布。结果表明:两种扫描方式(沿水平方向x、倾斜方向y)对熔覆层的等效残余应力分布影响不明显,扫描方向y等效应力大于扫描方向x的,且两种扫描方式影响了各个方向应力的对称性和大小。

基体倾斜和熔覆头偏转对激光熔覆层形貌与粉末利用率影响的研究

一些激光熔覆修复应用中无法在基体表面呈水平状态、熔覆头呈垂直状态下进行熔覆,为了研究基体倾斜和熔覆头偏转对同轴送粉激光熔覆层形貌及粉末利用率的影响规律,进行了基体倾斜和熔覆头偏转的激光熔覆实验,分析、比较了基体倾斜和熔覆头偏转对覆层高度及粉末利用率的影响。结果表明:基体倾斜与熔覆头偏转能获得表面平整、内部无缺陷的熔覆层,但粉末利用率降低;熔覆头保持垂直状态,基体倾角小于30°时,粉末利用率降低不大,倾角为30°时的粉末利用率下降10%;基体呈水平状态时,熔覆头偏转较小的角度即引起粉末利用率大幅降低,偏转30°时的粉末利用率下降80%。熔覆头偏转时粉末流束中心受重力的影响而偏离熔覆头轴线,导致熔覆头偏转比基体倾斜的粉末利用率更低,激光熔覆修复中应尽可能减少熔覆头偏转以提高粉末利用率和熔覆效率。

原位重熔对倾斜基体激光熔覆层形貌修正和组织演变影响的仿真和试验研究

为了研究原位重熔对倾斜基体激光熔覆层形貌和组织的影响,首先使用有限元仿真软件对倾斜基体激光熔覆及其原位重熔过程进行数值模拟,分析基体倾斜角度对熔覆层形貌的影响,研究重熔作用下熔池速度场和温度场的分布情况以及多道熔覆层宏观形貌的变化;然后进行倾斜基体熔覆层原位重熔试验,采用光学显微镜对重熔前后熔覆层的表面形貌进行分析,采用维氏硬度计、摩擦磨损试验机及三维轮廓仪等对重熔前后熔覆层的力学性能进行研究,进而研究原位重熔作用下熔覆层微观组织的变化。结果表明:熔覆层形貌主要受重力影响,当基体倾斜角度大于90°时,熔覆层溶质会发生滴落,极大地损伤熔覆层形貌;在熔覆道搭接区进行原位重熔对熔覆层平整度的提升作用最大,重熔后的表面不平整度由0.165降低到0.056;与重熔前相比,重熔后的表面粗糙度下降了69.5%,表面硬度提升了约70 HV,磨损率降低了76.3%;重熔后,熔覆层中上部的大量树枝晶转变为等轴晶,微观组织得到了明显细化。

倾斜基体上激光熔覆临界搭接率及平整度研究

多道激光熔覆层的表面平整度和搭接率的大小密切相关。为研究搭接率对倾斜基体激光熔覆层表面平整度的影响规律并获得平整表面的临界搭接率,用椭圆模型拟合倾斜基体熔覆层的横截面,并通过试验验证椭圆模型拟合的可行性。建立了倾斜基体的搭接模型,得出倾斜基体上获得最佳平整度的临界搭接率的计算方法,在基体30°倾角下研究不同搭接率对熔覆层平整度的影响。结果表明,较小的搭接率会导致熔覆层的平整度降低,较大的搭接率会使熔覆层不断堆积导致熔覆层高度增加,在临界搭接率下,可以在几乎不改变熔覆层高度的情况下获得平整的熔覆层。

斜面激光熔覆粉末流场及光粉耦合机理研究

目的扩展增材制造在斜面复杂零部件修复领域的应用,弥补倾斜熔覆过程中粉末流动行为研究的空缺。方法采用RSM进行模拟方案设计与数据处理,通过拟合输入参数与输出之间的数学模型,探究送粉电压、气流量、基体倾斜角度对倾斜基体上粉末浓度和粉斑直径的影响规律。结合数值模拟和试验研究对光粉耦合机理进行分析,探究光粉平衡关系对涂层形貌的影响机理。结果粉末颗粒速度随气流量的增加而增大;倾斜基体上最大粉末浓度随气流量的增大而降低,随送粉电压的增大而增高;倾斜基体上的粉斑直径随基体倾斜角度和气流量的增大而增大。以倾斜基体上的粉末浓度最大、倾斜基体上的粉斑直径最小为优化目标,0°、10°、20°、30°倾斜基体上最大粉末浓度模拟值与预测值的误差分别为4.34%、3.61%、5.82%、13.15%,基体上粉斑直径模拟值与预测值的误差分别为2.95%、3.22%、3.57%、4.10%,说明该模型对倾斜基体上最大粉末浓度及粉斑直径的预测精度较高。结论气流量对粉末颗粒速度影响显著,送粉电压、气流量对基体上最大粉末浓度的影响显著,倾斜角度、倾斜角度与气流量的交互项对倾斜基体上的粉斑直径影响显著。研究结果为激光熔覆在斜面零件修复领域应用中基体的布置和工艺参数选取提供了理论指导。

倾斜基体对激光熔覆能量分布的影响研究

为了探究倾斜基体激光熔覆中基体表面能量的分布规律,利用米氏散射理论法建立了倾斜基体表面上的激光功率密度分布的数学模型,以及激光功率密度峰值和峰值偏移量的数学模型。结果表明,随着倾斜角度的增加,激光功率密度会逐渐减小,并且减小幅度逐渐增大;激光功率密度峰值会发生偏移,偏移量也随着倾斜角度的增加而增加,且幅度逐渐增大。用试验对模拟结果进行验证,获得的规律是一致的。

倾斜基体表面激光立体成形沉积特性研究

针对基体表面倾斜条件下的激光沉积特性展开研究,通过表征倾斜基体表面上激光沉积过程熔池的形貌特征以及几何特性,揭示基体表面倾斜特性对熔池的形貌特征、几何特性和表面粘粉的影响规律,并探讨其影响机制。研究结果表明:在倾斜基体上,熔池受重力作用流动铺展,当沿着倾斜基体上坡扫描时,熔池气液界面向下凹陷,并且熔池随倾斜角度的增加逐渐变长;当沿着倾斜基体下坡扫描时,熔池随倾斜角度的增加逐渐变短。由于激光能量在斜面上分布状态不同,上坡时熔池后沿能量低,粉末未能完全熔化,导致沉积层表面有粘粉,且随着角度的增大表面粘粉增多;下坡时熔池后沿能量高,表面粘粉较少甚至没有粘粉,成形表面质量较好。

倾斜基板激光熔覆GH3536熔池形貌的仿真与实验研究

采用实验与仿真相结合的方法研究了工艺参数及基体倾斜角度对激光熔覆GH3536熔池流场及轮廓的影响。研究结果表明:倾斜基体激光熔覆时,基体倾斜导致的激光能量密度及粉末浓度的降低对熔高有显著影响,送粉量及激光能量的适度增加能够有效弥补熔高的降低;熔池内部存在的马兰戈尼对流分为前后流场,前流场主导轮廓前沿坡角,后流场主导熔高;基体倾斜时重力会加强相应方向的流场,进而影响最终的熔池轮廓。上坡熔覆时熔池轮廓下凹,下坡熔覆时熔池前沿更加平缓。结合温度场及流场分析基体倾斜对激光熔覆轮廓的影响,对于采用激光熔覆技术修复工作区间有限的倾斜面结构如燃烧室内部,在工艺参数调整及修复路径规划方面具有重要的指导作用。