激光熔覆金属层晶粒形成模型及其试验研究

论文摘要

材料的性能是由其微观组织决定的,包括相的种类和微观组织中的晶粒形态,而液态金属结晶时晶粒形态是由凝固过程晶核生长方向和生长速度决定的。激光熔覆具有快速熔化和快速凝固的特点,在形成具有优良组织性能材料方面有其特有的优势。本文在参考金属凝固理论及相关晶粒模拟方法的基础上,对激光熔覆金属层晶粒形态、晶粒形成模型及形成机理进行了研究。作者首先改进了粉末输送系统,为电磁调速电动机配备电磁调速控制器,它们与减速机配合使用,组成了一套交流无级调速装置,达到均匀无级调速的目的,能够方便地控制粉末输送量。通过改变激光功率、扫描速度和送粉量,在基体上熔覆了大量试样,对试样熔覆层的横截面和纵截面进行显微组织分析发现,此试验条件下熔覆层组织几乎全由等轴晶粒构成。通过对铸造凝固方面晶粒模拟方法的比较和相场模型实质的分析,建立了纯物质相场模型和宏观温度场控制方程即激光熔覆温度场热传导微分方程。通过先计算激光熔覆温度场即宏观温度场,然后在整个宏观温度场计算区域选取一个宏观单元作为进行晶粒模拟的微观计算区域,采用联合宏观温度场控制方程和晶粒形成模型即相场模型的方法,即所谓的宏-微观耦合方法进行晶粒形态模拟。模拟显示熔覆层晶粒为等轴晶,而试验得到的金相组织图分析的结果显示也为等轴晶粒,它们二者的结果相吻合,说明所建立的晶粒形成模型、所采用的宏-微观耦合方法基本上是正确可行的,能够用来预测晶粒形态,同时运用宏-微观耦合方法和对不同计算区域采用不同大小网格划分方式也节省了运算时间。本文成功地把现有的铸造凝固中晶粒模拟方法加以修改并运用到激光熔覆金属层晶粒形成的模拟上;结合激光熔覆温度场,使用宏-微观耦合方法模拟出了熔覆层组织晶粒形态,为预测晶粒形态奠定了理论基础;分析了工艺参数对熔覆层整体晶粒大小的影响,扫描速度越大,熔覆层凝固后的晶粒越细,送粉速度增加,熔覆层组织趋于细化,激光功率的降低,晶粒平均尺寸有随之变小的趋势,并根据凝固结晶的热力学条件和动力学条件及激光熔覆实际情况分析了等轴晶粒形成的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 激光熔覆概述
• 1.1.1 基本原理
• 1.1.2 主要特点
• 1.2 国内外激光熔覆研究与应用现状
• 1.2.1 激光熔覆设备及工艺的研究现状
• 1.2.2 激光熔覆技术应用现状
• 1.3 晶粒模拟方法及比较
• 1.3.1 确定性方法（Deterministic Method）
• 1.3.2 概率方法（Probabilistic Method）
• 1.3.3 相场方法（Phase Field Method）
• 1.3.4 晶粒模拟方法的确定
• 1.4 熔覆层晶粒形成理论
• 1.4.1 液态金属结晶的热力学条件
• 1.4.2 液态金属结晶的动力学条件
• 1.4.3 形核理论
• 1.4.4 生长理论
• 1.5 课题的学术背景
• 1.6 课题的来源和意义
• 1.6.1 课题的来源
• 1.6.2 课题的意义
• 1.7 主要研究内容
• 第2章 熔覆层晶粒形成模型的建立
• 2.1 相关的理论
• 2.1.1 熔覆层金属结晶传热学基本理论
• 2.1.2 厄伦菲斯对相变的分类
• 2.1.3 朗道的唯象理论（Landau Phenomenological Theory）
• 2.1.4 金兹堡—朗道（Ginzburg—Landau）相变理论
• 2.2 激光熔覆温度场与相场模型的关系
• 2.3 相场模型的实质
• 2.4 建立相场模型的两种方法
• 2.4.1 基于自由能泛函的相场模型的建立
• 2.4.2 基于熵泛函的相场模型的建立
• 2.5 纯物质相场模型的推导
• 2.6 激光熔覆温度场即宏观温度场控制方程
• 2.6.1 激光熔覆热传导模型的简化
• 2.6.2 激光熔覆热传导模型的控制方程
• 2.7 本章小结
• 第3章 晶粒形成模型的数值计算
• 3.1 数值计算方法的选择
• 3.1.1 有限元法
• 3.1.2 有限差分法
• 3.2 激光熔覆热传导控制方程的数值计算方法
• 3.2.1 有限差分方程的建立
• 3.2.2 边界条件的确定
• 3.3 相场模型的数值计算方法
• 3.3.1 纯物质相场控制方程的数值计算
• 3.3.2 温度场控制方程的数值计算
• 3.3.3 相场模型的初始条件和边界条件
• 3.4 计算区域、网格划分与物理参数
• 3.4.1 计算区域及网格划分
• 3.4.2 物理参数
• 3.5 数值计算编程
• 3.5.1 编程语言的选择
• 3.5.2 模拟结果的可视化
• 3.5.3 模拟程序的编制
• 3.5.4 相场模型的验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 试验材料与方法
• 4.1 试验材料
• 4.1.1 基体材料
• 4.1.2 试验气体
• 4.1.3 熔覆材料
• 4.2 试验系统及设备
• 2 激光器'>4.2.1 PHC-1500 CO₂激光器
• 4.2.2 LCK-12×25 数控精密激光加工机床
• 4.2.3 粉末输送系统
• 4.3 试样制备及主要仪器设备
• 4.3.1 试样制备
• 4.3.2 主要仪器设备
• 4.4 激光熔覆工艺方案
• 4.4.1 工艺参数的选择
• 4.4.2 试验过程
• 4.5 本章小结
• 第5章 试验及模拟结果分析
• 5.1 熔覆试验
• 5.2 试验及模拟结果的比较与分析
• 5.2.1 试验结果及分析
• 5.2.2 模拟结果及分析
• 5.2.3 试验及模拟结果的差异比较与分析
• 5.3 激光熔覆工艺参数对晶粒大小整体趋势的影响
• 5.3.1 激光扫描速度的影响
• 5.3.2 送粉速度的影响
• 5.3.3 激光功率的影响
• 5.4 熔覆带不同部位晶粒整体变化
• 5.5 试样的等轴晶形成原因
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B Tecplot10.0 软件对数据文件输出格式要求