多元合金激光熔覆沉积增材制造动态熔池非平衡凝固行为模拟研究

With the development of the laser technique, computer and materials science, the laser additive manufacturing for the metallic materials has already entered new times. The molten pool solidification behavior during the laser additive manufacturing is related with the microstructure morphology of the laser cladding layer, and can affect the mechanical property of the cladding layer directly. Therefore, the control of the microstructure morphology and mechanical property of the cladding layer is the main purpose in the field of the laser additive manufacturing to obtain the better product. In the present work, several scientific problems in the laser additive manufacturing field about the non-equilibrium solidification behavior of the molten pool for multi-component alloy such as the heat and mass transfer in the molten pool, the growth kinetics and the morphological evolution of the non-equilibrium solidification structure, and the micro-segregation behavior for different elements are investigated through the numerical and experimental methods. The results of the present work can reveal the mechanism of the non-equilibrium solidification behavior of the molten pool for multi-component alloy and establish the relationalship between the laser cladding manufacturing process and the microstructure morphology of the cladding layer. In addition, the result will also provide useful information for the development of the control mechanism for the microstructure morphology and the mechanical property of the laser cladding layer.

随着激光技术、计算机技术以及材料技术的融合发展，金属零件的激光增材制造开启了一个崭新的时代。激光熔池的非平衡凝固过程与熔覆层内的微观组织形态演变以及溶质偏析行为密切相关，从而直接影响熔覆层力学性能。因此，深入研究动态激光熔池的非平衡凝固行为，进而建立激光熔覆层微观组织和性能调控机制、获得力学性能优良的金属零件一直都是激光增材制造领域中的重要目标。. 本项目采用数值模拟与实验相结合的方法，针对多元合金激光增材制造动态熔池非平衡凝固过程，围绕激光熔池内复杂传热传质行为、快速冷却条件下非平衡凝固组织生长动力学及形貌演变机理、熔覆层内多种溶质元素偏析行为等激光增材制造领域中的关键科学问题开展系统研究工作。研究结果有助于深入理解动态激光熔池的非平衡凝固行为、建立激光工艺参数与实际多层多道激光熔覆层微观组织形貌之间的关系，从而为实现激光熔覆层组织和性能调控奠定基础。

近年来金属材料激光增材制造技术在诸多领域取得迅速发展。动态激光熔池的非平衡凝固过程将直接影响熔覆层微观组织形态以及最终力学性能。围绕激光动态熔池传热传质及凝固行为开展研究进而建立激光熔覆层微观组织和性能调控机制是本领域重要目标。本项目采用数值模拟与实验相结合的研究方法，针对激光熔池内复杂传热传质行为、快速冷却条件下非平衡凝固组织形貌演变机理、多层多道激光熔覆层间组织外延生长行为等关键科学问题开展了研究工作。针对激光熔覆气/粉耦合传输过程提出了一种等效方法用于计算粉末与喷嘴内壁及粉末之间复杂碰撞行为对粉末出射角度和速度的影响，建立了激光熔覆气/粉耦合传输模型并对模型进行了实验验证。研究了不同工艺参数下多重气体紊流及粉末粒子运动过程，分析了激光熔覆工艺参数对粉末瞬态位置、运动轨迹以及粉末束空间密度分布等关键量的影响机理。基于激光与粉末束交互过程分析了激光能量在粉末及工件之间的分配模式，建立了激光熔池传热传质专用热源模型，研究了不同工艺参数下激光能量密度在粉末束以及工件表面的分布规律。围绕激光熔覆动态熔池传热传质过程，利用基于激光能量精确分配的专用复合热源模型，建立了激光熔覆熔池传热传质模型，研究了不同工艺参数对熔池传热传质行为以及凝固条件的影响机理。采用元胞自动机方法开发了凝固组织演变模型并与激光熔池传热传质模型相耦合，系统研究了不同工艺条件下熔覆层凝固组织演变过程。将理论研究与激光熔覆工艺试验相结合，初步探索了不同材料激光熔覆层形性调控机制。上述研究结果揭示了激光熔覆核心过程的内在机理和相互关联，开发了一款可以对不同工艺参数下激光熔覆全过程进行预测的模拟软件，为后续优化激光熔覆工艺及完善熔覆层形性调控机制提供了理论依据和实用工具。