等离子熔积快速直接成形过程宏微观连成数值模拟.pdfVIP

第 1 期 （总第 125期） 机 械 管 理 开 发 2012年2 月 No. 1（SUM No.125） MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Feb .20 12 等 离 子 熔 积 快 速 直 接 成 形 过 程 宏 微 观 连 成 数 值 模 拟 1 2 2 1 王 庆 ，芮道满 ，张海鸥 ，王桂兰 (1.华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室； 2.华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室；湖北 武汉 430074) 摘 要：建立了等离子熔积快速直接成形(Plas a Dep osition Manu facturing, PDM)过程多相混态场统一模型，基于蒙 特卡罗法(Monte Carlo,MC)建立热影响区(Heat Affected Zon e,HAZ)晶粒长 大过程的数学模 型。分析了不同热源功率 工艺条件下熔池温度场和流场的变化规律以及特征点的温度循环 曲线，进而探究了热源功率对热影 响区晶粒尺寸 与分布的作用机理。对AISI316 合金等离子熔积过程进行了模拟，所得的计算结果与试验结果基本一致。 关键词：等离子熔积；热源功率；MC 法；晶粒生长 中图分类号：TG4 56 .2 ；TB31 文献标识码：A 文章编号：1003- 773X （20 12）0 1- 0001- 04 0 引 言 1 宏观温度场与流场数学模型 等 离 子 熔 积 快 速 直 接 成 形 [1] (Plas a Deposition 等离子熔积过程影响因素复杂，为建立数学模型 Manu facturing,PDM)是采用等离子束熔化金属粉末根 作 以下基本假设 ：1）等离子热源与粉末输入呈高斯函 据数控轨迹沉积成形 的直接制造技术 ，如 图 1。PDM 数分布；2）固液界面无合金元素传输并能够达到局部 是一种快速熔化与急速凝 固的过程，其热过程影响晶 热力学平衡 ，液相溶质充分扩散 ；3）自由表面无合金 粒生长过程 ，决定最终成形件 的质量 ，因此 ，成形过程 元素 的烧损和蒸发；4）除浮力项外，各相密度相等 ，而 的温度场与晶粒生长过程 的模拟对于创制高性能材 且为常数。 料 、优化成形工艺条件具有科学指导意义。 目前关于 1.1 基本方程 PDM 成形过程 的研究主要集 中在工艺与热过程等方 质量 守恒 、动 量守恒 以及能量 守恒控 制方程分 面 ，而将宏观热力学过程与微观组织形成过程相耦合 别为： [2 - 5] 的研究则很少见 。 ∂ ( ρ) + ∇⋅( ρV ) = 0 . （1）