Cu基复合材料选区激光熔化数值模拟及实验研究

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本文针对W-Cu复合体系选区激光熔化过程,建立了三维瞬态定点和移动热源下的熔化―凝固数学模型,研究了不同激光功率P和扫描速度V下的熔池表面的温度场和速度场及熔池中W颗粒周围熔体流场和受力情况。当激光功率P由600W增至900W时,熔池表面温度梯度与速度场耦合夹角θ由50°减为0°,熔池表面对流传热加快。在定点热源P≥800W或移动热源(线能量密度η=16kJ/m)条件下,熔池中W颗粒的周围会产生二次流,使得W颗粒受到由压强差所引起的压力的作用。当二次流产生的引力矢量与压力矢量夹角为锐角时,W颗粒趋于形成小环状结构,限制了其重排且易于发生团聚;反之,W颗粒趋于形成大环状结构,易于均匀分布。利用有限体积法模拟SLM制备WC/Cu复合材料时温度场和致密化行为,物理模型中考虑了粉体向块体的转变、温度梯度引起的表面张力和移动的高斯热源。研究了激光线能量密度对温度分布、熔池尺寸、气泡的运动行为以及熔池的致密化行为。激光辐照区域的温度场呈非对称,且偏向于激光扫描方向的后方;熔池尺寸为数百微米并随着线能量密度η的增加而增加。在优化的工艺条件下(η=17.5kJ/m),熔池内气泡能顺利逸出熔池,并且凝固试件的最高致密度达96%。当采用的η超过20kJ/m时,熔池内气泡易于被Marangoni流俘获,流动的熔体将气泡推向熔池底部或在回流的作用下发生团聚。实验获得了试件的相对致密度和对应孔隙尺寸及形貌,实验与模拟结果相匹配。研究SLM加工WC/Cu试样时,熔池表面的熔体流向为径向向外,但当激光线能量密度η较高时(η>20kJ/m),熔池表面的熔体流动开始出现紊乱,失去了熔体径向流动的规律性;熔池表面熔体的最高流速出现在熔池边缘。熔池内湍流强度和熔体回流次数随着线能量密度的增加而加大,在优化的工艺参数下(η=17.5kJ/m),熔池内平均湍流强度和熔体回流次数分别为260和208,加快了WC颗粒重排效率,并均匀分布于凝固后的基体中;同时,WC颗粒受到方向相反的压力和重力作用,避免了自身发生团聚。
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