激光熔覆高熵合金温度场的数值模拟开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，激光熔覆和增材制造由于其优秀的灵活性，优良的机械性能，和低热敏性在许多研究机构和工业部门的区域，引起了极大的关注。

激光熔覆，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆采用高能量激光作为热源,金属合金粉末作为焊材,通过激光与合金粉末同步作用于金属表面快速熔化形成熔池,再快速凝固形成致密、均匀并且厚度可控的冶金结合层,熔覆层具有特殊物理、化学或力学性能。

由于激光熔池内存在着复杂的物理和化学现象,如热传导,对流,传质和固-液界面扩散等,它们直接影响着熔池凝固后的宏观形貌,微观组织及其它物理冶金性能.所以研究温度场的目的是为了采用数值模拟方法探究激光熔覆中的温度场特征,揭示其对凝固过程和凝固组织的影响。

2. 研究内容和预期目标

1、通过实验探究激光功率、预置粉末厚度、扫描速度对激光熔覆涂层的形貌和性能的影响，总结制备良好质量熔覆层的较优工艺参数。

2、建立了描述激光熔覆的数学模型，给出了模型的基本控制方程组和边界条件，编写了移动热源、表面张力施加和潜热施加等相关计算模块，对激光熔池内流动和传热现象进行了计算分析。由于存在表面张力梯度，熔池内形成环流，使熔覆层和基体间溶质混掺加剧进而影响凝固方式和凝固组织。

3、利用模拟的激光熔覆熔覆温度场，计算得到熔池不同位置的温度梯度、加热速度、冷却速度等参数

3. 研究的方法与步骤

通过数值模拟的方法,对激光熔覆过程中的温度场和应力场进行分析,揭示激光熔覆成形组织生长机理,并通过实验对模型的正确性进行验证。首先,建立了移动激光热源作用下的三维瞬态单道、多道搭接及多层激光熔覆温度场的有限元模型。研究了激光熔覆的工艺参数(激光功率、扫描速度、光斑半径)对温度场的影响、熔覆过程中温度场的变化规律、特定节点的温度-时间历程曲线、温度梯度和冷却速率。然后,基于激光熔覆过程的温度场有限元模拟,进行热应力分析。最后,分析实验所得的熔覆层组织形貌和尺寸,可以知道熔覆层微观组织的生长形态和熔覆层不同位置的温度梯度、冷却速率变化之间的联系,验证温度场模拟是否可靠。

4. 参考文献

[1]张天刚，张倩，姚波，李宝轩．TC4 表面 Ni 基激光熔覆层温度场和应力场数 值模拟[J/OL]．激光与光电子学进展. https://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.TN.20200811.1602.040.html

5. 计划与进度安排

1. 2022-1-3～2022-1-22 查阅资料，撰写开题报告和翻译外文资料。

2. 2022-3-5～2022-4-1 查阅资料，提出激光熔覆高熵合金温度场的计算方法；

2. 2022-3-5～2022-4-1 查阅资料，进行激光熔覆高熵合金的实验研究；