AZ31B镁合金表面激光熔注增强颗粒运动模拟研究

摘要

镁合金作为被广泛应用的有色轻金属材料，但是，较差的耐磨耐腐蚀性制约了镁合金的进一步发展。本文应用激光熔注技术，在AZ31B镁合金表面注入SiC-316L混合颗粒，来改善镁合金表面的耐磨耐腐蚀性能。运用Ansys软件激光熔注过程的温度场、应力场进行模拟，采用Fluent对不同工艺参数下混合颗粒在熔池的运动轨迹和分布进行模拟，得到结论如下：
　　（1）通过对基体的温度场分析，随着激光功率的增加，熔池的熔深、熔宽和熔长都变大。熔池存在的时间也随之增多。当激光功率为2500W时，熔池存在0.28s。随着扫描速度的增加，熔池的熔深、熔宽减小，熔长反而变大。对比不同激光功率和不同扫描速度情况下的基体温度场，从熔池存在时间、熔池大小、基体汽化程度三个方面考虑最适合激光熔注的实验参数为激光功率P=2500W，扫描速度V=7mm/s。在激光功率和扫描速度成比例增加的情况下，熔池中心点的温度呈升高趋势。可以说明，激光功率对熔池温度场的影响要大于扫描速度对熔池温度场的影响。
　　（2）依据基体的应力场形成原理，对基体表面应力场分布进行推测。模拟结果与推测相一致。熔池区域持续高温，持续受压应力作用；熔池周围的基体因为受热膨胀，受到周围区域的基体阻碍其膨胀产生的压应力，随着激光撤离后的冷却凝固，周围基体阻碍其收缩产生拉应力。对基体表面中心某点的热应力变化进行分析。激光还未扫描到该点时，先受到预热温度升高，产生压应力；当在该点形成熔池时，液态金属流动产生拉应力；激光撤离之后，该点开始冷却凝固，产生拉应力。各方向对基体阻碍其收缩的约束程度不同是由于温度在基体表面的不均匀分布。Y方向最大，X方向次之，Z方向最小。增大激光功率或者较小扫描速度都会导致基体表面热应力升高。主要原因是：在激光功率增加的情况下，基体表面的能量密度增大。基体表面温度随之增加，所以热应力呈增加趋势。扫描速度减小亦然。
　　（3）在相同的初速度的情况下，比较SiC-316L颗粒以不同的入射角进入到熔池的运动轨迹。可以看出，入射角为20°、30°的颗粒轨迹更平缓，更容易上浮到熔池表面；注射角为60°、70°的颗粒轨迹比较陡峭，下沉的更接近熔池的底部。以40°、50°注入的颗粒能更好的均匀分布在熔池内，更加符合激光熔注的目的，与实验文献中的30°到50°注射符合。当颗粒从熔池不同位置以V=3.28m/s与水平方向成40°注入时，运动轨迹显示从中间和左侧注入的颗粒更接近熔池的底部。颗粒的轨迹大都存在拐点，这是由于斯托克斯力和速度的方向不同，并且熔池各部分的液体流动速度粘度温度不同的原因。在入射角相同的情况下，模拟不同初速度的颗粒分布情况，初速度越大的颗粒分布的更靠近熔池的底部。在注入角度和初速度都相同的情况下，直径大的颗粒，重力也更大，虽然粘度也随颗粒直径变大而变大，但是粘度是关于半径r的一次函数，重力是r的三次函数增长更快，所以直径大的，在Y方面位移更大。颗粒随着激光功率的增加，颗粒的主要分布区域越来越靠近熔池的底部。过冷度越大的，颗粒在熔池中的分布接近熔池表面。过冷度为100℃到150℃的加工工艺更利于颗粒的梯度分布。扫描速度越大的熔池颗粒分布深度小于扫描速度小的熔池颗粒分布深度。对基体进行预热对颗粒的熔注有很大的影响，基体预热温度越高的颗粒在熔注过程中更顺利进入熔池，模拟结果和实验结果相符。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号说明

第一章 绪论

1 .1 课题的背景及意义

1 .2 国内外材料表面改性相关领域现状

1 .3 激光表面改性数值模拟的研究现状

1 .4 主要存在的问题

1 .5 课题主要研究内容

第二章 激光熔注温度场和应力场数值模型的建立

2 .1 引言

2 .2 激光熔注过程的物理模型

2 .3 激光熔注温度场数学模型

2 .4 激光熔注应力场数值模型

2 .5 本章小结

第三章 F lue nt数值模拟软件介绍及流体力学的数值处理

3 .1 Fluent数值模拟软件简介

3 .2 模型数值处理策略

3 .3 颗粒流体两相流动

3 .4 激光与颗粒的相互作用

3 .5 小结

第四章 熔池三维温度场的数值模拟

4 .1 引言

4 .2 高斯热源作用下的三维温度场模拟

4 .3 本章小结

第五章 激光熔注过程基体应力场模拟

5 .1 引言

5 .2 不同时刻的应力场

5 .3 基体表面特殊点的应力分析

5 .4 激光功率对基体应力场的影响

5 .5 扫描速度对基体应力场的影响

5 .6 小结

第六章 A Z31B镁合金表面激光熔注SiC-3 1 6 L颗粒的数值模拟

6 .1 引言

6 .2 颗粒熔注过程的数值模拟

6 .3 注入位置对颗粒轨迹的影响

6 .4 颗粒参数对颗粒轨迹和分布的影响

6 .5 送粉率对颗粒分布的影响

6 .6 本章小结

第七章 其他工艺参数对颗粒分布影响

7 .1 不同激光功率对颗粒分布的影响

7 .2 过冷度对颗粒在熔池分布的影响

7 .3 扫描速度对颗粒在熔池中分布的影响

7 .4 预热温度对颗粒在熔池中分布的影响

7 .5 小结

第八章 总结与展望

8 .1 小结

8 .2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢