金屬材料掃描電子束表面處理熔池晶粒生長(zhǎng)的模擬.pdf

1、很多金屬材料因?yàn)槟透g性差、硬度低等缺點(diǎn)而限制了工業(yè)應(yīng)用,通過(guò)對(duì)其表面處理可以有效的改善耐磨性、耐腐蝕性等性能。電子束技術(shù)作為一項(xiàng)新型的快速表面處理技術(shù),為改善材料的力學(xué)性能開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。掃描電子束表面處理熔池的凝固組織如晶粒的尺寸、生長(zhǎng)形態(tài)等對(duì)材料的性能有很大的影響,但掃描電子束表面處理是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,對(duì)實(shí)時(shí)熔池的凝固過(guò)程很難進(jìn)行測(cè)試,因此采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)掃描電子束表面處理熔池凝固進(jìn)行模擬具有重要的實(shí)際意義。
　　

2、本文根據(jù)掃描電子束表面處理的物理過(guò)程,建立了掃描電子束表面處理熔池的溫度場(chǎng)模型,并利用COMSOL軟件求解,得到宏觀溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù),通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行處理,得到微觀溫度場(chǎng)。采用蒙特卡羅方法建立了掃描電子束表面處理金屬材料熔池晶粒生長(zhǎng)的二維數(shù)學(xué)模型,利用宏觀溫度場(chǎng)和微觀溫度場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù),結(jié)合晶界遷移模型進(jìn)行晶粒生長(zhǎng)模擬,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性。
　　研究結(jié)果表明:微觀溫度場(chǎng)在三維空間內(nèi)表面溫度高,熔池底部溫度低,具有高斯分布

3、的特性;在xoy平面,溫度由熔池表面到熔池底部呈現(xiàn)出較為均勻的梯度分布。二維晶粒生長(zhǎng)模型恒溫模擬結(jié)果表明隨著模擬時(shí)間步的增加,晶粒平均尺寸增長(zhǎng)的速率先增加后減小,呈逐漸降低的趨勢(shì),晶粒平均尺寸不斷增大,晶粒數(shù)量減小;在晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象,產(chǎn)生T1和T2兩種拓?fù)渥兓?通過(guò)對(duì)恒溫模擬獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算得到模型常數(shù)(K1=0.9113,n1=0.5992)。采用蒙特卡羅方法進(jìn)行熔池晶粒生長(zhǎng)模擬,在熔池底部主要生長(zhǎng)的

4、是細(xì)小的等軸晶,熔池中部轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?在熔池上部逐漸生長(zhǎng)為粗大的等軸晶;對(duì)6061鋁合金、H13鋼和45鋼進(jìn)行掃描電子束表面處理,制備出金相試樣,通過(guò)電子顯微鏡觀察其金相組織,發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)掃描電子束表面處理之后,在熔池的底部主要分布著細(xì)小的等軸晶,隨著凝固的進(jìn)行直到熔池自由表面,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?實(shí)驗(yàn)得到的晶粒大小和位向分布的結(jié)果與模擬結(jié)果相互吻合;通過(guò)改變掃描電子束參數(shù)對(duì)晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行模擬,隨著掃描電流的增加,晶粒平均尺寸呈增大趨勢(shì),隨著