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电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

[导读]为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15 钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。

本文研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变 (CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。


电磁搅拌技术作为一种有效的辅助制造手段,是通过导电液态金属切割磁感应线感生出洛伦兹力进行的非接触式搅拌。它在铸造领域得到广泛的应用,并取得了良好的成效。近些年,部分学者借鉴铸造领域的成功应用经验,将电磁搅拌技术引入焊接、激光沉积制造等涉及金属熔池凝固的领域,用于提高成形质量,解决加工过程中出现的气孔和熔合不良等问题。



已报道的文章中多为二维或者三维静态定点的熔凝仿真。二维仿真只能得到单个平面的有效数据,不能全面反映熔池内部温度及流动情况。静态定点熔凝虽然可以使用双椭球等热源模型模仿动态熔池形貌,但是不同激光输入功率和扫描速度等工艺参数下,热源模型几何参数和熔池达到宏观准稳态时间不同,过大或过小地设定相关参数和熔凝时间,

均会影响模拟结果准确性。


鉴于此,本研究采用三维动态的磁-热双物理场耦合仿真技术,对电磁搅拌辅助激光动态熔凝过程进行模拟,分析电磁对激光熔池流场、温度场和固液界面处温度梯度及凝固速度的影响,并结合柱状晶/ 等轴晶转变理论[14] ( columnar-to-equiaxedtransition,CET)对施加磁场前后凝固组织演变机制进行研究。





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