激光熔覆工艺热-弹-塑-流多场耦合数值模拟与试验

熔覆过程存在极其复杂的传热及热-弹-塑-流多场耦合变化，将影响对流、传热、传质、凝固和相变，而熔覆中的急冷急热会产生复杂的残余应力与变形，产生熔覆裂纹，影响熔覆层质量。揭示熔覆过程中多场耦合演变机理是控制和避免产生熔覆裂纹的关键。文中以CALPHAD法计算温变物性参数，建立了碟片激光器激光熔覆过程多场耦合模型，综合考虑了光束与粉末间的相互作用，熔池表面张力、浮力对液态金属流动的影响，熔覆带的瞬时变化，计算得出了熔覆过程温度场、速度场、应力场的瞬时变化规律。运用Zeiss-ƩIGMA HD扫描电镜进行金相实验，验证了所建模型的准确性。计算表明：形成近似2 mm×1.5 mm×1 mm椭球体熔池，最高温度在光斑中心偏后位置；700 ms后，等效热应力稳定在548 MPa左右，熔池底部热应力最大。该研究为减小和消除残余应力提供了有效途径与方法。