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《激光熔覆温度场和流场数值模拟研究现状和发展趋势_曾大文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、DOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.1997.04.001第十五卷第四期材料科学与工程总第60期Vo1.15No.4MaterialsScience&EngineeringDec.1997激光熔覆温度场和流场数值模拟研究现状和发展趋势曾大文谢长生华中理工大学武汉430074【摘要】本文回顾了己报道过的激光重熔和激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟,重点评述了激光重熔和激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟的数学物理模型和自由表面处理方法,并对这一领域今后的发展提出了自己的看法。【关键
2、词】激光熔覆温度场流场数值模拟ReviewofNumericalSimulationoftheTemperatureFieldandFluidFlowFieldinLaserCladdingMeltedPoolZengDawen,XieChangshengHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074【Abstract】Inthisreview,thecurrentstatusofnumericalsimulationofthefluidflowfie
3、ldandthetem-peraturefieldinlasercladdingmeltedpoolareexaminedandcriticallyassessedandkeyareasforthefuturedirectionsofnumericalsimulationstudiesaresuggested.【Keywords】Lasercladdingmelted,Temperaturefield,Fluidflowfield,Numericalsimulation.一、前言激光熔覆是高能密度作用下,在
4、材料表面进行的冶金过程。利用这一新技术可在廉价材料表面制备具有特种性能的合金层或对零部件表面进行局部修复,因而此技术具有广阔的应用前景。激光熔覆的工艺特点是高功率激光束与金属交互作用产生熔池,工艺质量的好坏与熔池内动力学过程密切相关。激光熔覆熔池内存在传热、传质、对流及气—液界面冶金反应和固—液界面扩散等现象,直接影响熔池形状,气体和夹渣物的吸收、聚集和逸出,组织、成分变化及其它冶金物理性能。因此,图1激光熔覆研究领域的因果关系图激光熔覆熔池中的传质、传热及流动对熔覆层的组的。同时随着科学技术的进步和国民经
5、济发展的需求,织和性能起决定性作用。此外熔覆层的表面质量也激光熔覆这一高新技术逐渐得到广泛应用,对熔覆层和熔池中流体流动方式密切相关。温度场和流场是质量要求也越来越高,迫切需要我们寻找一种可靠、经基础,如图1所示。济、科学的方法来提高激光熔覆层质量。计算机技术的由于激光熔覆熔池尺寸较小,温度极高,用实验方飞速发展,使数值模拟技术在材料领域也得到了广泛法来测量熔池中液体的对流和温度分布是非常困难的应用,为更好地理解激光熔覆过程中所发生的一系列复杂冶金物理现象提供了有效手段。*国家自然科学基金(CN595810
6、04)资助项目综上所述,采用数值模拟技术定量分析激光熔·1·覆熔池中的流体流动、传热及传质过程,从理论上搞性剪切力相平衡,并且诱使这部分流体依次流动。清激光熔覆熔池物理冶金过程不仅具有重要的理论在激光作用下,熔体上下左右都存在温度梯度,价值,而且具有重大的经济价值。加上激光作用下溶质元素的选择性蒸发和与温度梯度相适应的溶质元素的化学位梯度所形成的浓度梯二、激光熔覆熔池中流体流动度,二者综合作用形成表面张力梯度及由它决定的的驱动力及影响因素液流方向。通常金属液体的表面张力可表示为:[1]V=f(T,x在早期的
7、研究中,T.R.Anthony等借助焊接i)=V0-A(T-Tm)冶金物理学的研究成果,曾定性和半定量地对激光-RTΓ[3]sln(1+Kai)(3)焊接熔池进行了研究,指出熔池内存在两种主要的式中,K=k-ΔH0/RT1e,V0为标准状态下纯金属的表面作用力:表面张力和浮力,如图2所示。对于自动送张力,A为纯金属的表面温度张力系数dV/dT的负粉激光熔覆而言,熔池自由表面还存一个曲面引起值,R为理想气体常数,Г0s为表面吸附系数,ΔH为标的压力和粉末对熔池的冲击力。准焓。k1为比例常数,xi为组元浓度,a
8、i为组元活度。表面张力不仅是温度的函数,而且还与金属液体中溶质的活度有关。由于激光熔覆是在廉价材料表面制备具有特种性能的合金层,即使不考虑熔池中对流和热传导的影响,其熔池自由表面也是曲面,而不是平坦的。在熔池中对流和热传导的作用下,自由表面随时间和空间的变化而变化。伴随着这种变化,由于表面张力的作用,存在一个作用于自由表面的压力psrf,其大小可表示为:11图2作用在熔池上的力psrf=VR+(4)xRy式中Rx
