电磁场辅助激光熔覆再制造中熔池凝固模拟研究

Laser cladding is an important application in the area of steam turbine rotor and other critical components repairing. However, the conventional laser cladding has the tendency of cracks and pores during the solidification of the molten pool, and also it is difficult to control the microstructure. The laser cladding processing with the additional external electromagnetic field can reduce the defects and improve quality of microstructure by controlling the flow, heat transfer and mass transfer in the molten pool. Due to the less research on the current technology, this project focuses on modelling a three-phase mixed solidification model based on the volume average method to study the physical phenomena during the solidification of the molten pool. Both experimental and simulation methods are used to research the evolution of the molten pool under different types of electromagnetic fields during the laser cladding. Based on the project, it is expected to systematically study the rules of laser cladding with electromagnetic field, which provides the theoretical and technical foundation for the promotion of current technology. Therefore, this project has highly scientific and application value.

激光熔覆再制造技术在汽轮机转子等部件的修复领域具有重要应用。但目前采用传统激光熔覆时存在裂纹倾向大、气孔容易形成、组织难以控制等不足。通过在激光熔覆时加入电磁场，调控移动熔池内的流动、传热和传质现象，可达到降低缺陷、改善组织的效果。鉴于目前该技术存在研究较少，理论模型较分散，作用机理不够清晰等不足。为了系统研究电磁场辅助激光熔覆的凝固行为，本项目通过构建基于体积平均法的三相混合凝固模型，采用实验与模拟相结合方法，系统研究熔池凝固过程中宏、微观物理现象及在不同电磁场作用下的演化机理。通过本项目研究有望系统掌握电磁场辅助激光熔覆后的组织和性能分布规律，为该技术的推广提供理论和技术基础，具有重要的科学意义和应用价值。

激光熔覆作为激光再制造技术的基础，可对关键零部件服役中产生的磨损、裂纹、孔洞等缺陷进行修复。而在对零部件的修复过程中，由于在基材表面熔覆其他性能优异的材料，粉末和基材的元素构成差异较大，凝固后熔覆层中的元素分布将会对熔覆层组织结构、性能等方面产生重要影响。因此，本项目希望通过外场辅助激光熔覆方法，以此改变熔覆过程中熔池流动、传热和传质行为，达到控制成分，优化组织，提高熔覆层质量的目的。.随着数值模拟技术在材料加工领域得到广泛应用，这为研究激光熔覆过程中的流动、传热传质现象提供了有效手段。本项目基于体积平均法和非平衡溶质再分配系数计算方法，建立了三相混合凝固模型，探索了工艺参数和非平衡溶质再分配系数对激光熔覆过程中温度、流动和元素分布的影响。另外，激光熔覆模型耦合加入稳态磁场，获取熔覆过程中温度场、流场和元素分布等信息，分析稳态磁场的影响机理及作用效果。通过本项目的研究有助于定量化研究稳态磁场辅助激光熔覆的作用机理，为实际生产提供理论支撑。本项目的主要研究结论如下：.（1）激光熔覆过程中温度呈“急剧增长-缓慢增长-动态平衡”的状态，最高温度随着激光功率的增加而变大，而温度下降速率随着激光功率的增大而减小。激光熔覆过程中的熔池存在两个方向相反的涡流，最大流速随激光功率的增加先增大后减小，随扫描速度的增加而增大，随送粉率的增加而减小。.（2）各工艺参数等幅变化下对激光熔覆层Cr元素平均浓度的影响程度由大到小依次是：送粉率>激光功率>扫描速度。而非平衡溶质再分配系数对熔覆层Cr元素分布起主导控制作用，非平衡凝固模型与实验熔覆层Cr元素含量的绝对误差大部分在0.5%以下。.（3）未施加磁场时，熔覆层中的元素呈均匀分布，而施加稳态磁场时，熔覆层中的元素分布不均匀。施加不同磁感应强度的稳态磁场对激光熔覆温度场分布影响不大，但是对流场与元素分布有较大影响，磁感应强度越大，熔池流速越小，熔覆层中的元素分布越不均匀。