金屬材料掃描電子束表面處理熔池晶粒生長的模擬.pdf

1、很多金屬材料因為耐腐蝕性差、硬度低等缺點而限制了工業(yè)應用,通過對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)作為一項新型的快速表面處理技術(shù),為改善材料的力學性能開辟了新的領域。掃描電子束表面處理熔池的凝固組織如晶粒的尺寸、生長形態(tài)等對材料的性能有很大的影響,但掃描電子束表面處理是一個非常復雜的動態(tài)過程,對實時熔池的凝固過程很難進行測試,因此采用數(shù)值模擬技術(shù)對掃描電子束表面處理熔池凝固進行模擬具有重要的實際意義。
　　

2、本文根據(jù)掃描電子束表面處理的物理過程,建立了掃描電子束表面處理熔池的溫度場模型,并利用COMSOL軟件求解,得到宏觀溫度場分布數(shù)據(jù),通過MATLAB軟件進行處理,得到微觀溫度場。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的二維數(shù)學模型,利用宏觀溫度場和微觀溫度場的溫度數(shù)據(jù),結(jié)合晶界遷移模型進行晶粒生長模擬,通過試驗驗證模型的合理性。
　　研究結(jié)果表明:微觀溫度場在三維空間內(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。二維晶粒生長模型恒溫模擬結(jié)果表明隨著模擬時間步的增加,晶粒平均尺寸增長的速率先增加后減小,呈逐漸降低的趨勢,晶粒平均尺寸不斷增大,晶粒數(shù)量減小;在晶粒生長過程中會出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象,產(chǎn)生T1和T2兩種拓撲變化,通過對恒溫模擬獲得的數(shù)據(jù)進行回歸計算得到模型常數(shù)(K1=0.9113,n1=0.5992)。采用蒙特卡羅方法進行熔池晶粒生長模擬,在熔池底部主要生長的

4、是細小的等軸晶,熔池中部轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?在熔池上部逐漸生長為粗大的等軸晶;對6061鋁合金、H13鋼和45鋼進行掃描電子束表面處理,制備出金相試樣,通過電子顯微鏡觀察其金相組織,發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過掃描電子束表面處理之后,在熔池的底部主要分布著細小的等軸晶,隨著凝固的進行直到熔池自由表面,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?實驗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;通過改變掃描電子束參數(shù)對晶粒生長進行模擬,隨著掃描電流的增加,晶粒平均尺寸呈增大趨勢,隨著