光学与激光技术 高功率激光熔覆TiC／NiCrBSiC复合涂层的温度分布和TiC的生长动力学的数值模拟

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1、光学与激光技术高功率激光熔覆TiC／NiCrBSiC复合涂层的温度分布和TiC的生长动力学的数值模拟摘要建立了Ti6Al4V合金高功率激光熔覆TiC／NiCrBSiC复合涂层的三维模型。从模型中可以得到熔池和基底热影响区(HAZ)的温度分布，不同节点的温度曲线，三维形状和熔化区TiC的尺寸。基于熔池模拟温度曲线的动力学理论分析，解释了TiC颗粒的成核，生长速度，和尺寸，清晰的呈现了熔覆涂层在激光熔覆过程中的相变和微观组织演化。用TiC和NiCrBSiC的粉末混合物为熔覆材料，矩形Ti6Al4V合金为

2、基体，以优化的工艺参数制备了稀释率低，冶金结合良好的高质量TiC／NiCrBSiC复合涂层，通过理论结果和涂层微观组织的比较分析，验证所建立模型的可靠性。结果表明，理论结果与实验例证的一致性良好。引言钛基合金如今被广泛的用作结构材料，如航天器，化学和海洋相关工业，这是由于他们具有极好的强度-重量比和出色的抗腐蚀能力。然而，较弱的滑动摩擦抗力限制了他们更宽的应用。经过激光熔覆陶瓷强化的金属基体母体覆层常常铸造在钛合金表面以提高他们的耐磨性，该覆层使具有非常高的强度和延展性金属和具有独特硬度和耐磨性的陶

3、瓷相结合。为了生产出具有冶金结合的高质量，低的稀释率和最小量的空洞和裂纹的覆层，熔覆过程应该被精确控制。然而，参数（材料特征，激光能量，扫描速度，被取代层的厚度）之间复杂的关系，局部化的激光能量特征以及冷却速度使得很难监测这样的过程。能够准确模拟这个过程的方法对于制造高质量的覆层具有重要价值。其中一个被广泛采用的方法是有限元模型。在近几年，几个数学模型被提出来模拟激光熔覆过程。Sowdari和Majumdar研发出了一个有限元模型来分析金属的激光加热和融化过程。激光能量对于液-固交界面和熔池的影响得

4、到了说明。Kumar和Roy提出了一个个模拟扫描速度、Marangoni量对熔池和微观结构的影响的模型。扫描速度高时，熔池体积减少，在基体附近的冷却速度在增加，微观结构也更细。Roberts等人使用出生和死亡元技术模拟了多个覆层的温度场，发现被加热的区域经理快速的热循环。Tan等人建立一个模型来估算该荣覆层的几何结构。通过控制扫描速度和粉末传递速率可以有效限制荣覆层的高度。Zhu等人发现熔池的最高温度（1919℃）是低于热动力学温度（1927℃），这是为了能够获得羟磷灰石生物陶瓷的复合覆层。在这些文

5、献中，这些参数的作用，例如热传导率，扫描速度，激光能量，和激光束的聚焦等这些加工特征都已经得到说明。在本文中，为了得到高功率激光熔覆工艺的物理现象，我们提出了用三维模型来预测涂层内特定区域的温度分布和三维形状与大小。除此此外，为了阐明在激光熔覆过程中的涂层相变和微观组织的演化过程，我们将基于温度曲线熔池的和理论的动力学来分析成核，生长速度，和TiC颗粒的大小。最后将通过比较模拟结果与实验结果来验证模型的可靠性。建立数学模型我们使用商业有限元分析软件（ANSYS ver10.0），来计算在高功率激光熔

6、覆过程中，随时间变化的温度分布。采用SOLID70单元来实体进行网格划分，这种划分得到三维热传导元素的八个节点和其在每一个节点的自由度，而这种元素适用于稳态或瞬态热分析。有一种生死单元技术，这种技术是利用激活和停用元素对时间的依赖性来模拟熔覆工艺。由于考虑到相变潜热，在热传导熔覆过程中的偏微分方程[7]，该方程是其一般的形式表示，例如其中的是密度，c热容量，是预置层的导热系数，T是温度分布函数，Q是相变潜热，t是时间。样品的底面被设为绝热和分配绝热边界传导。样品的表面部分只有底面被设为与环境的对流边

7、界。样品表面的边界条件通过该公式得出，其中是对流换热系数，是环境温度，是试样表面法线方向。为了获得唯一解，该热传导偏微分方程应由牛顿-拉夫逊法求解。图1显示了这个过程的示意图。如图所示，当激光束照射到预置层的顶面，激光功率的一部分被反射，剩余部分被吸收。吸收的功率使预置层和基底的薄薄一层融化。在激光熔覆过程中，预置层通过冶金结合形成并包覆在基体表面。图一.激光熔覆过程示意图激光熔覆过程改变了激光照射的表面的边界形状并将预置层变为多孔的、薄弱的材料。除了考虑到热传导，对流（在较低的温度下的不熔化区）过

8、程中的热量流失，辐射（在熔化区接近高温度时）也应被考虑到，以此来得到在激光熔覆过程中正确的温度分布描述。这些因素都大大增加模型过程的难度。我们为了简化问题，采用了以下的假设：⑴整个样品的初始温度均假定为20摄氏度。在这个过程中，使用高斯公式来计算一个移动的激光束的强度分布：其中是总的入射激光功率，是预置层的吸收系数，是激光束，扫描速度是激光束直径。⑵为了使问题易于处理，这被认为是一个单一的复合轨道。有固定的参照系，因此这个过程可以看作是一个平稳过程。⑶将预置层假定为是