铝合金激光熔覆金属基复合材料及数值模拟

摘要

铝合金由于密度小、塑性好、耐腐蚀性能优异、易于加工成形等特点被广泛应用于各个领域。但由于其存在强度低、耐磨性差的缺陷，限制了其应用范围。激光熔覆技术可显著提高材料表面的综合性能，目前，在激光熔覆工艺的实施过程中主要通过试验和经验来确定激光加工工艺参数，铝合金激光熔覆过程温度场数值模拟，对激光辐照工艺参数的选择和优化具有重要的意义。 本文采用2kW连续波Nd：YAG激光加工系统，在6061铝合金表面激光熔覆SiC<,p>/Al金属基复合材料，运用有限元法，对激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟和试验验证。在模拟计算过程中材料热物性随温度变化而改变，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，通过APDL二次开发语言实现移动热源的加载和卸载；建立了激光熔覆瞬态温度分布数学模型，并划分了合适的网格，解决了熔覆热源移动的数学模拟问题。通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题。分析了激光加工工艺参数对温度场的影响，系统地论述了激光熔覆过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对熔覆过程中产生的温度场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ANSYS软件为平台的激光熔覆温度场的模拟分析方法。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对606 1铝合金表面SiC<,p>/Al激光熔覆层的组织、结构进行了分析检测，并针对具体的模拟结果进行了试验验证。 本文建立的三维激光熔覆温度场的动态模拟分析方法，为优化铝合金激光熔覆工艺参数，提供了理论依据和指导。研究表明：激光辐照工艺参数决定了试样表面峰值温度以及温度梯度的分布，激光熔覆过程中熔池中心温度与激光扫描速度、光斑半径成反比，与激光功率成正比。激光扫描速度对熔池内的温度梯度影响较小，而激光输出功率及光斑半径则对熔池内温度梯度影响较大。模拟结果与验证试验基本吻合，6061铝合金表面激光熔覆SiCJAl复合涂层的最佳工艺参数为：激光输出功率1200W，扫描速度5mm/s，激光辐照光斑半径1.25mm。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1前言

1.2铝合金表面激光熔覆技术

1.2.1激光熔覆工艺方法、材料体系及特点

1.2.2激光与材料相互作用能量的传递与转换

1.2.3激光熔覆层的组织、性能特征

1.2.4铝合金激光熔覆存在的问题及发展方向

1.3铝合金激光熔覆温度场模拟

1.3.1铝合金激光熔覆温度场模拟的意义和简单历程

1.3.2激光熔覆温度场数值模拟的研究现状

1.3.3数值模拟方法概述

1.3.4有限元模拟软件在激光熔覆温度场分析中的应用与发展

1.3.5激光熔覆温度场模拟存在的问题

1.3.6目前研究的焦点和方向

1.4本课题的提出及其意义

2激光熔覆温度场的有限元分析理论

2.1有限元方法

2.1.1有限元方法的发展及特点

2.1.2有限元分析的步骤

2.2激光熔覆温度场的有限元分析

2.2.1激光熔覆温度场有限元分析特点

2.2.2激光熔覆有限元模型的简化

2.2.3激光熔覆温度场热传导方程的有限元分析

2.2.4热源模型及选取

2.2.5材料物理性能参数

2.2.6边界换热系数

3基于ANSYS软件的激光熔覆温度场实例模拟及结果分析

3.1激光熔覆温度场模拟过程

3.2前处理

3.2.1建模

3.2.2定义材料属性

3.2.3划分网格

3.3载荷的施加和求解

3.4后处理

3.5结果分析

3.5.1激光扫描速度对温度场的影响

3.5.2激光功率对温度场的影响

3.5.3光斑半径对温度场的影响

3.6小结

4验证性试验研究

4.1试验材料及方法

4.1.1试验材料

4.1.2铝合金基材的预处理及激光熔覆实验

4.1.3检测方法

4.2实验结果及验证分析

4.2.1激光熔覆层组织结构分析

4.2.2模拟结果的试验验证分析

5结论

参考文献

在学研究成果

致 谢