1、等离子束熔覆铁基合金温度场的数值模拟第 20 卷第 5 期2009 年 1O 月中原工学院JOURNAIOFZHONGYUANUNIVERSITY0FTECHNOLOGYV01.2ONO.5Oct.,2009文章编号:16716906(2009)05 001003等离子束熔覆铁基合金温度场的数值模拟卢金斌,孟普,彭竹琴,弓金霞,刘英,杨卫铁(中原工学院,郑州 450007)摘要:采用等离子束在 Q235 钢基体上熔覆了铁基合金涂层,分析了熔覆过程中温度场的主要影响因素,在考虑边界条件,热源模型,材料非线性的基础上,建立了等离子束熔覆的温度场有限元模型,得到了熔覆层上温度变化规律.分析结果表明:
2、等离子束熔覆温度场呈椭圆形,最高温度达到 1988C,与试验结果基本符合.关键词:等离子束熔覆;温度场;Ansys中图分类号:TG402 文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1671 6906.2009.05.003工程机械中的许多零部件在使用过程中往往承受着各种各样的复合磨损,而为了便于热加工,上述零部件多采用低碳低合金结构钢如 Q235,16Mn 钢等制造,但这类钢的硬度及耐磨性能较低,导致其服役寿命大大降低_1.采用高能束熔覆技术,不仅能够提高熔覆层的耐磨性,而且能够修复已经磨损的部位,同时铁基合金具有成本低及连接强度高的优势 l_】j.高能束熔覆过程中存在着复杂的传热,
3、传质,对流,扩散,相变等物理和化学现象,给 T 艺参数的确定和数学模型的建立带来很大的困难 l3.熔覆的组织主要由熔覆处理过程中的成分,温度场所决定,因此研究熔覆的温度场是研究其组织重要的一项内容,采用实验的方法测试熔覆过程温度场的分布及变化有很大的困难,而通过有限元模拟和一定的实验验证来研究其温度场的分布,可以掌握熔覆过程中温度场的动态分布,分析影响熔覆处理的材料因素和工艺因素,进而指导丁艺参数的合理选择_3J.目前,激光表面处理温度场的数值模拟较多_3j,但等离子束熔覆温度场的模拟计算较少.本文利用有限元软件 Ansys,建立了等离子束熔覆三维瞬态温度场有限元模型.1 等离子束熔覆温度场有
4、限元模型由于熔覆过程的复杂性,分析前应进行合理的假收稿日期:20090803基金项目:河南省基础与前沿技术研究项目(072300440020)作者简介:卢会斌(1970 一).男,山西百台人.副教授.博十.设:材料为各向同性;忽略熔池流体的流动作用及熔池表面变形;忽略材料的汽化作用.1.1 定解条件的确定金属材料在移动热源一等离子束作用下,金属材料表面以熔入型的方式形成一定深度熔池,并且等离子束沿熔覆方向运动,如图 1 所示.本文的热源以三维的双椭球体热源进行加载,与面热源相比,双椭球体热源更能准确地反映热熔覆过程中热量在空间上的三维传播.为了求解热平衡方程,需要设定初始条件和边界条件.熔覆过
5、程开始前,工件及粉末初始温度分布均匀,设为,可用式(1)表示8:丁(,v,z,0)一 T0(1)铁基合金7,Q 热传导一图 1 等离子束传热示意图工件表面的散热主要通过对流和辐射进行,其温度场边界条件可表示为:一k3_Tq+h(TTo)+( 丁 4 一 T)一 0(2),2第 5 期卢金斌等:等离子束熔覆铁基合金温度场的数值模拟式中,忌为金属粉末的有效导热系数;T 为熔覆过程中某一时刻金属粉末的温度;,l 为对流换热系数;e 表示实际物体的有效辐射率(黑度);为 Stefan-Boltzmann常数,约为 5.6710W/m?K.由于材料非线性,相变,辐射导致有限元分析高度的非线性,求解困难,
6、因此,使用 Vinokurov 经验关系式求解 L8:H 一 2.410eT(3)公式(3)把辐射和对流结合起来成为一个整体系数,求解精度小于 5.1.2 几何模型和网格划分基体几何模型的尺寸确定为 50mm40mm5mm,熔覆材料的尺寸为 5mm0.5mm,考虑到对称性,取工件的 1/2 进行分析.采用八节点六面体单元Solid70 对工件进行离散 ,由于熔覆过程中温度梯度较大,为保证计算精度及运算速度,粉末部分划分为较细的单元网格,基体采用较大的网格,共有 5986 个节点和 12382 个单元,如图 2 所示.图 2 等离子柬熔覆有限元模型1.3 材料非线性及相变潜热的处理材料的热物性是
7、随着温度的变化在变化,因此必须考虑材料非线性.等离子束熔覆过程中存在着熔化,凝固等相变过程,由此而产生的相变潜热对温度场分析会产生一定的影响,相变问题是一种非线性的瞬态热分析问题,在Ansys 中处理相变潜热问题的方法是通过定义材料不同温度下的热焓来考虑潜热.其数学定义式为:Hjpc(T)dT式中,H 为热焓;p 为材料密度;T 为绝对温度;c 为材料比热容,它是温度的分段线性函数.2 计算结果与分析2.1 试验材料及条件试验材料选用 Q235,硬度 170220HB,试样尺寸为 100mmX400mmX100mm,其主要化学成分见表 1.对试样进行表面除油除锈.铁基合金为FeCrNiBSi
8、粉,其成分见表 1,粒度为 140325 目.将铁基合金采用有机胶调成糊状,均匀涂敷于试样表面,宽度大约 2.5mm,厚度大约 0.5mm,150烘干.表 l 铁基合金的化学成分(重量百分比)2.2 熔覆温度场分布采用有限元软件 Ansys 对熔覆电流 130A,电压22V,扫描速度 180mm/min 的工艺进行温度场计算,其结果如图 3 所示,图 3 中 a,b,C 分别为熔覆时间为第 1,8,15S 时的温度场分布云图,可以看出:在第 1,8,158 时等离子束中心温度最高分别达到 16l7,图 3 试样等离子束熔覆不同时刻温度场中原工学院 2009 年第 20 卷1763,1988,实
9、现了铁基合金的熔化并形成熔池.温度场呈椭圆形,熔池前端的温度梯度比后端熔化的区域大,具体表现为温度等值线比后端已熔化区域的要细密.为了方便观察计算结果,在工件对称面的中心线上向下设置 5 个点 A,B,C,D,E,分别距工件表面 0,0.25,0.5,1,3mm,各点的温度变化如图 4a 所示.从图 4a 中可以得知 ,当等离子束扫描到 A 点时温度迅速上升到 1763以上,升温速率达到 3000/s 以上,而基体仍处于冷态并与加热区存在较高的温度梯度.当光斑移出作用区后,熔覆区以大于 200/s 的速率进行冷却.另外,从 C 点的温度可以看出,距表面距离 0.5mm 的地方(32 件的表面)
10、,温度达到 1300左右,Q235 钢的熔点大约为 1300左右,使熔覆涂层与基体有好的冶金结合.在试样上表面设置 3 个点(F,G,H)分别距对称面 0,1,1.25mm,其各点的热循环曲线如图 4b 所示.当等离子束经过该截面时,各点温度几乎迅速上升,各点最高温度相差不大,中心点最高同样是 1763,边缘最低,为 1300C,可以判断熔覆层全部熔化.p赠AlI-/曰C 覆I,DXLl 厂 rb,.一!艺 E/时间/SFG,曩,|,.图 4 试样表面及内部各点温度变化图2.3 实验验证本实验采用的是自制的等离子设备.实验采用的工艺参数与模拟参数相同,得到的熔覆试样如图 5 所示.从图 5 可
11、以看出,铁基合金完全熔化,只有少量烧损,熔覆层表面有放射状条纹,无宏观气孔.图 6 所示为熔覆层的横截面形貌,经过测量,熔覆层的高度和宽度分别为 0.5mm 和 2.5mm.从图 6 可以看出,内部组织均匀,熔覆层与基体交界处结合良好,主要是因为有少量基体的熔化,与有限元的计算结果基体的温度为 1300,即基体刚熔化基本吻合.图 5 熔覆试样图 6 熔覆试样的横截面形貌3 结语(1)根据传热学理论和实验过程,建立了等离子束熔覆温度场的有限元模型;(2)有限元模拟得到的熔覆宽度,深度与实验实测结果符合,验证了模型的准确性和实用性.(下转第 17 页)0OO0OOOOOOO 如刚拍221p蜉OOO
12、OOOOOOOO瑚撕97 响O第 5 期焦明立等:PLA/PEG 多嵌段共聚物的合成与表征SynthesisandCharacterizationofPLAPEGMultiblockCopolymerJIAOMingli,ZHENGJin,YANGKai,PANWei,ZHANGWangxi(ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)Abstract:InattemptstomodifytheintrinsicpropertiesofPLA,thePIAPEGPIAmultiblockscopolymersweresynthes
13、izedbyringopeningpolymerizationofLlactide,initiatedbythehydroxylterminalgroupsofthePEGchain,followedbyusingOCNPEGNCOinabsolutechloroformsolvent.VariousanalyticaltechniquessuchasFTIR,DSCwereusedtocharacterizethestructureofthecopolymer.AccordingtothatitisinferredthatPLA/PEGmultiblockcopolymersaresynth
14、esized.andtheTgdescendsthrough26.5withtheincreaseofPEGcontent,thermalstabilitykeepsinvariant.Keywords:PEGPLAPEGtriblockcopolymer;OCNPEGNCO;PLAPEGmuhiblockcopolymer;toughness一-.-(上接第 12 页)参考文献-.-.-.-.-一 +.-.一.-.一1刘秀波,虞钢 ,郭建,等.等离子熔覆 T/CrC.复合材料涂层组织与耐磨性研究J.材料热处理,2006,27(6):1】117.23ZHAOCheng,TIANFeng,PEN
15、GHongrui,eta1.NontransferredArcPlasmaCladdingofStellileNi60AlloyODst【J.SurfaceCoatingsTechnology,2002,155:8O 一 84.34E56789刘振侠.激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值分析D.西安:西北工业大学,2003.马琳,原津萍,张平.多道激光熔覆温度场的有限元数值模拟 LJ.焊接.2007,28(7):lo91l12.郝南海.陆伟,左铁钏.激光熔覆过程热力耦合有限元温度场分析J.中国表面工程,201(6):101,1.卢金斌,王志新,席艳君.基于有限元的激光熔覆温度场分析 LJ.中原工
16、学院,2005,l6(12):5860.杨洗陈,李延民,黄卫东,等.激光表面熔覆温度场计算J.材料科学与工程,t999.17(1):1014.姚化山,史玉升,章文献,等.金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟J.应用激光,2007,27(6):456160张国智,胡仁喜,陈继刚,等.Ansysl0.0 热力学有限元分析实例指导教程M. 北京: 机械工业出版社.2007NumericalSimulationofTemperatureFieldofPlasmaCladdingFe-baseAlloyLUJinbin,MENGPu,PENGZhuqin,GONGJinxia,LIUYing,YANG
17、Weitie(ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)Abstract:TheFebasealloycoatingwaspreparedbyplasmaarccladdingtechnology.Themaineffectivefactoroftemperaturefieldwasanalyzedanditscalculationmodelinplasmaarccladdingwasbuilt.Inthemodelthemainconsiderationwasgiventothethermalboundaryconditionsandheatsource.Andthetemperaturefieldofplasmacladdingprocessonplatewascalculated.Theanalysisresultsshowthatsimulationresultsareinaccordancewiththeexperimentalresults.Temperaturenearthesurfaceoftheweldmoltenisthehighest,anduptoabout1988.Keywords:plasmaarcremelting;temperaturefield;Ansys
