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AZ31B镁合金表面激光熔注SiC-316L混合粒子模拟研究

作　者: 王孜
导　师: 赵龙志
学　校: 华东交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 激光熔注 SiC-316L混合颗粒 Fluent数值模拟温度场模拟流场模拟粒子分布粒子轨迹
分类号: TG178
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文通过注入SiC-316L混合颗粒的方式，对AZ31B镁合金表面进行激光熔注处理，利用Gambit建模软件建立了激光熔注分析模型，用Fluent对SiC-316L混合颗粒镁基复合涂层进行了温度场和流场数值模拟分析，并通过离散相模型模拟粒子在熔池内的分布情况，得到结论如下：（1）对激光熔注温度场进行模拟，通过对不同的激光功率和不同的激光扫描速度进行模拟比较，选择出最优的一套工艺参数P=3000w，v=5mm/s；温度场呈椭圆分布；类似于彗星状。（2）根据熔池上表面和横截面的形貌图，可以看出熔池的熔深、熔宽及熔长的大小，与激光功率大小成正比，与激光扫描速度成反比；通过熔池中心点的温度曲线图，可以估算出在工艺参数P=1800w，v=5mm/s，工艺参数P=2500w，v=5mm/s和工艺参数P=3000w，v=5mm/s下的熔池存在时间分别为0.8s、1.1s和1.5s。（3）对不同工艺参数下的激光熔注熔池的流场运动规律进行了模拟。随着激光功率的增加，熔池的最高流速和最低流速增加，并且最高流速与最低流速的差值也随之增加。这是因为激光功率增加，基体单位面积吸收的热量也就增加，熔池内的温度梯度的也会增加，表面张力增大，从而致使液体流动速度的增加，也导致了液体最高流速与最低流速之差的增加；熔池的最高流速和最低流速以及二者的差值与激光扫描速度成反比；（4）一般表面张力温度系数为负值，即液态金属表面张力随着温度的升高反而降低，，因此激光熔注熔池的表面张力分布从熔池中心向周围逐渐增加，但由于熔池内温度分布不是对称的，熔池前端温度逐渐降低，熔池尾端温度逐渐升高，依据温度高的区域表面张力小，所以最后熔池形成了两个大小不一的漩涡，左边大，右边小。（5）SiC-316L混合颗粒能够注入熔池条件分析。依据公式计算出SiC-316L混合颗粒注入熔池所需的最小速度vr为0.94m/s；通过计算得出送粉载气速度为53.7～70.7m/s，通过计算得出颗粒抵达熔池的速度vp为3.26～5.84m/s；液态金属的粘度与温度程函数关系，最后计算出常数C的值为1.654cP。（6）在液态金属熔池的尾端以不同角度注入SiC-316L混合颗粒，计算SiC-316L混合颗粒轨迹，分别以vr=3.12m/s和vr=5.24m/s的速度将SiC-316L混合颗粒送入液态金属熔池，模拟计算出颗粒在熔池内的运动轨迹。最后可得知，在入射角相同的情况下，初速度越大，颗粒的轨迹越长；以50°角注入的轨迹要比30°角的陡峭，而且粒子更易下沉至底部，效果更好。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
主要符号说明  9-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题的背景及意义  10-11
  1.2 国内外材料表面改性方法研究现状  11-16
    1.2.1 激光表面合金化  11-12
    1.2.2 激光熔覆技术  12-13
    1.2.3 激光熔注技术应用的基本原理  13-16
  1.3 激光表面改性温度场数值模拟的研究现状  16-17
    1.3.1 激光熔覆的温度场及流场数值模拟研究综述  16-17
  1.4 本课题的主要研究内容  17-18
第二章瞬态激光熔注熔池温度场和流场数值分析模型的建立  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 数值模型的建立  18-19
  2.3 控制方程组  19-21
  2.4 定解条件  21-24
    2.4.1 初始条件  21
    2.4.2 边界条件  21-23
    2.4.3 源项及液态金属熔池流体流动驱动力分析  23-24
  2.5 本章小结  24-26
第三章 Fluent 数值模拟软件介绍及流体力学的数值处理方法  26-32
  3.1 Fluent 数值模拟软件介绍  26-27
  3.2 模型数值处理策略  27-31
    3.2.1 求解区域的如何选择物理模型  27
    3.2.2 网格的划分  27-28
    3.2.3 材料物理参数  28-30
    3.2.4 对熔化 /凝固相变潜热的处理  30
    3.2.5 时间步长的设定原则  30-31
  3.3 本章小结  31-32
第四章三维温度场的数值模拟  32-44
  4.1 引言  32
  4.2 固定热源及高斯移动热源作用下的三维温度场模拟  32-43
    4.2.1 三维固定热源作用下的温度场  32
    4.2.2 高斯移动热源作用下的温度场  32-43
  4.3 本章小结  43-44
第五章熔池内流体流场的数值模拟分析  44-52
  5.1 引言  44
  5.2 Fluent 数值模拟软件中的影响因素的处理策略  44-45
    5.2.1 对时间步长的处理策略  44
    5.2.2 固液两相同一化的处理策略  44-45
  5.3 液态金属熔池的流场计算结果  45-51
  5.4 本章小结  51-52
第六章激光熔注熔池内运动对颗粒注入的影响  52-65
  6.1 引言  52
  6.2 离散相模型的处理策略  52
  6.3 SiC- 316L 颗粒能够注入熔池条件分析  52-58
    6.3.1 SiC - 316L 的热物性参数  53
    6.3.2 SiC - 316L 混合颗粒注入熔池所需的最小速度分析  53-54
    6.3.3 Sic -316L 混合颗粒注入速度  54-56
    6.3.4 SiC -316L 混合颗粒注入熔池内的受力分析  56-57
    6.3.5 熔池的粘度  57-58
  6.4 颗粒注入后在熔池内的分布状态  58-63
    6.4.1 颗粒以不同速度在不同位置注入的运动轨迹  60
    6.4.2 单一颗粒在熔池内的受力分析  60-63
  6.5 本章小结  63-65
第七章总结与展望  65-67
  7.1 总结  65-66
  7.2 展望  66-67
参考文献  67-70
个人简历在读期间发表的学术论文  70-71
致谢  71

AZ31B镁合金表面激光熔注SiC-316L混合粒子模拟研究

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