陈育钒,刘晋,刘艳,胡登文,杨川,王雷.TiNbZr难熔中熵合金激光熔覆过程温度场和流场模拟[J].表面技术,2025,54(9):138-151.
CHEN Yufan,LIU Jin,LIU Yan,HU Dengwen,YANG Chuan,WANG Lei.Simulation of Temperature and Flow Fields in Laser Cladding Process of TiNbZr Refractory Medium-entropy Alloy[J].Surface Technology,2025,54(9):138-151 |
| TiNbZr难熔中熵合金激光熔覆过程温度场和流场模拟 |
| Simulation of Temperature and Flow Fields in Laser Cladding Process of TiNbZr Refractory Medium-entropy Alloy |
| 投稿时间：2024-10-18 修订日期：2024-12-23 |
| DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.09.012 |
| 中文关键词: 激光熔覆 数值模拟 激光熔池 温度场 流场模拟 |
| 英文关键词:laser cladding numerical simulation laser melt pool temperature field flow field simulation |
| 基金项目:国家自然科学基金(5237053678) |
| 作者 | 单位 |
| 陈育钒 | 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031 |
| 刘晋 | 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031 |
| 刘艳 | 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031 |
| 胡登文 | 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031 |
| 杨川 | 中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062 |
| 王雷 | 中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062 |
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| Author | Institution |
| CHEN Yufan | School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China |
| LIU Jin | School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China |
| LIU Yan | School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China |
| HU Dengwen | School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China |
| YANG Chuan | CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China |
| WANG Lei | CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China |
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| 中文摘要: |
| 目的 激光熔覆可以通过精确控制熔池中能量的分布和熔池的流动，改善涂层的凝固特性和成分分布。基于其快速熔化凝固过程的复杂性，难以实时监测熔池的熔凝行为，数值模拟成为研究熔池演化的重要工具。方法 结合数值模拟与实验验证，建立考虑熔池传热、流体动力学和自由表面的激光熔覆三维有限元模型，模拟在TC4上熔覆TiNbZr难熔中熵合金的过程。结果 通过模型和实验对比发现，成形参数平均偏差为5.15%，最大偏差为8.88%。研究了激光热源、对流换热、辐射散热和基体热传导对熔池温度场和熔池轮廓的影响，表明基体中热传导是主要的热损失方式。进一步分析熔池凝固界面可知，从熔池底部到顶部，形态参数(G/R)逐渐减小，而冷却速率(G×R)逐渐增大，验证了凝固组织从平面晶向柱状晶，最后到等轴晶的变化情况，且尺寸逐渐减小。结合涂层各位置元素分析的物理实验结果可知，马兰戈尼对流导致熔池两侧及底部存在拐点，阻碍了元素的混合，基体中V元素在熔池中心偏聚，粉末中的Zr元素在熔池上边缘偏聚，发生宏观偏聚。结论 基于数值模拟和物理实验，对温度场和速度场进行了定量评估，激光熔池中的热传导对涂层的凝固形貌具有显著影响。平顶光束激光源的独特能量分布影响了熔池内的质量传输，进一步对涂层的成分分布产生了影响，这种定量评估有利于精确控制熔池中的能量分布和流体流动，以预测并改善涂层的凝固特性和成分分布。 |
| 英文摘要: |
| Laser cladding of refractory alloys on titanium alloy surfaces has the potential to enhance surface properties, expanding applications under high-temperature and wear-intensive conditions. By precisely controlling energy distribution and melt pool dynamics, laser cladding can improve the solidification characteristics and compositional distribution of coatings. However, due to the complexity of the rapid melting and solidification process, real-time monitoring of melt pool behaviors is challenging, making numerical simulation an essential tool for investigating melt pool evolution. |
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