Автоматическая сварка, 2016, №04



2016 №04 (01)

DOI of Article 10.15407/as2016.04.02

2016 №04 (03)

---

Журнал «Автоматическая сварка», №4, 2016, с. 26-34
 

Влияние комбинированного магнитного и электрического поля на распределение частиц WC при лазерной инжекционной наплавке

Лян Ван^1,2, Юн Ху^1,2, Шиуинг Сонг^1,2, Дзиньхуа Яо^1,2

¹Исследовательский центр лазерных технологий и оборудования, Дзеджанский технологический ун-т. 310014, Хангжоу, ул. Чаованг, 18, Китай. E-mail: ddtwl@foxmail.com
²Центр по разработке и внедрению лазерного оборудования провинции Дзеджан. 310014, Хангжоу, ул. Чаованг, 18, Китай
 
Реферат
Метод лазерной инжекционной наплавки (ЛИН) используется для получения слоя металлического композита на поверхности подложки. В процессе ЛИН лазерный луч локально расплавляет поверхностный слой подложки с одновременной инжекцией на него частиц дополнительного материала. Для контроля распределения упрочняющих частиц в слое, полученном ЛИН, можно применять комбинированное магнитное и электрическое поле (КМЭП). Влияние синергетического эффекта КМЭП на распределение упрочняющих частиц при ЛИН было исследовано с помощью экспериментальных и численных методов. В качестве упрочняющих частиц были использованы сферические частицы карбида вольфрама (WC), поскольку правильная форма была наиболее близка к условиям моделирования и хорошей работе индикатора в потоке расплава. Распределение частиц WC в продольном сечении было изучено с помощью сканирующей электронной микроскопии и рассчитано методом компьютерного моделирования с помощью 2D модели с учетом уравнений теплообмена, гидродинамики, силы сопротивления, силы Лоренца и фазового перехода. Результаты моделирования с достаточной точностью соответствуют экспериментальным данным. Исследованиями установлено наличие синергетического влияния КМЭП на распределение упрочняющих частиц при ЛИН. Распределение частиц WC в слое, полученном ЛИН, зависит от направления силы Лоренца, создаваемой КМЭП. Когда сила Лоренца и сила тяжести действуют в одном и том же направлении, подавляющее большинство частиц остаются в верхней области слоя, полученного ЛИН, а когда сила Лоренца и сила тяжести действуют в противоположном направлении, большинство частиц сосредоточены в нижней области. Библиогр. 34, рис. 8.
 
Ключевые слова: лазерная инжекционная наплавка, частицы WC, сила Лоренца, распределение частиц, комбинированное магнитное и электрическое поле
 
Поступила в редакцию 08.12.2015
Подписано в печать 07.04.2016
 

1. In situ investigation of fracture behavior in monocrystalline WCp-reinforced Ti–6Al–4V metal matrix composites produced by laser melt injection / D. Liu, Y. Chen, l. Li [et al.] // Scripta Materialia. – 2008. – 59. – P. 91–94.
2. Electron microscopy study of reaction layers between singlecrystal WC particle and Ti–6Al–4V after laser melt injection / L. Li, D. Liu, Y. Chen [et al.] // Acta Materialia. – 2009. – 57. – P. 3606–3614.
3. Performance of a cutting tool made of steel matrix surface nano-composite produced by in situ laser melt injection technology / O. Verezub, Z. Kalazi, A. Sytcheva [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – 211. – P. 750–758.
4. Wear resistance of WCp/Duplex Stainless Steel metal matrix composite layers prepared by laser melt injection / Do Nascimento A. M., Ocelik V., Ierardi M. C. F. [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 202. – P. 4758–4765.
5. A study of laser melt injection of TiN particles to repair maraging tool steels / M. Cabeza, G. Castro, P. Merino [et al.] // Surface and Interface Analysis. – 2014. – 46. – P. 861–864.
6. Microstructure of reaction zone in WCp/duplex stainless steels matrix composites processing by laser melt injection / Do Nascimento A. M., Ocelik V., Ierardi M. C. F. [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 202. – P. 2113–2120.
7. Laser melt injection in aluminum alloys: on the role of the oxide skin / J. A. Vreeling, V. Ocel??k, Y. T. Pei [et al.] // Acta Materialia. – 2000. – 48. – P. 4225–4233.
8. Li FQ. Arc enhanced laser melt injection WC particles on Al surface / F. Q. Li, L. Q. Li, Y. B. Chen // Surface Engineering. – 2013. – 29. – P. 296–299.
9. Pei YT. SiCp/Ti6Al4V functionally graded materials produced by laser melt injection / Y. T. Pei, V. Ocelik, J. T. M. De Hosson // Acta Materialia. – 2002. – 50. – P. 2035–2051.
10. Vreeling JA. Ti–6Al–4V strengthened by laser melt injection of WCp particles / J. A. Vreeling, V. Ocelik, J. T. M. De Hosson // Fcta Materialia. – 2002. – 50. – P. 4913–24.
11. WCp/Ti–6Al–4V graded metal matrix composites layer produced by laser melt injection / Y. Chen, D. Liu, F. Li [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 202. – P. 4780–4787.
12. Liu A. Improved Wear Resistance of Low Carbon Steel with Plasma Melt Injection of WC Particles / A. Liu, M. Guo, H. Hu // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2009. – 19. – P. 848-851.
13. Microstructure of Cr3C2-reinforced surface metal matrix composite produced by gas tungsten arc melt injection / A. Liu, M. Guo, H. Hu [et al.] // Scripta Materialia. – 2008. – 59. – P. 231–234.
14. Microstructure and wear resistance of low carbon steel surface strengthened by plasma melt injection of SiC particles / M. Guo, A. Liu, M. Zhao [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 202. – P. 4041–4046.
15. Microstructures and wear resistance of large WC particles reinforced surface metal matrix composites produced by plasma melt injection / A. Liu, M. Guo, M. Zhao [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2007. – 201. – P. 7978–7982.
16. WCp/Fe metal matrix composites produced by laser melt injection / D. Liu, L. Liu, F. Liu [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2008. – 202. – P. 1771–1777.
17. In-situ synthesis of a carbide reinforced steel matrix surface nanocomposite by laser melt injection technology and subsequent heat treatment / O. Verezub, Z. Kalazi, G. Buza [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2009. – 203. – P. 3049–3057.
18. Guo B. Simulation of the agglomeration in a spray using Lagrangian particle tracking / B. Guo, D. F. Fletcher, T. A. G. Langrish // Applied Mathematical Modelling. – 2004. – 28. – P. 273–90.
19. Minier J-P. On Lagrangian stochastic methods for turbulent polydisperse two-phase reactive flows / J-P. Minier // Progress in Energy and Combustion Science. – 2015. – 50. – P. 1–62.
20. Microstructure evolution of single crystal WCp reinforced Ti–6Al–4V metal matrix composites produced at different cooling rates / Y. Chen, D. Liu, L. Li [et al.] // Jouranl of Alloys and Compounds. – 2009. – 484. – P. 108–12.
21. Kloosterman AB Electron microscopy of reaction layers between SiC and Ti–6Al–4V after laser embedding / A. B. Kloosterman, B. J. Kooi, J. T. M. De Hosson // Acta Materialia. – 1998. – 46. – P. 6205–6017.
22. Anandkumar R. Influence of powder particle injection velocity on the microstructure of Al–12Si/SiCp coatings produced by laser cladding / R. Anandkumar, A. Almeida, R. Vilar [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2009. – 204. – P. 285–90.
23. Gatzen M. Effect of electromagnetic Stirring on the Element Distribution in Laser Beam Welding of Aluminium with Filler Wire / M. Gatzen, Z. Tang, F. Vollertsen // Physics Procedia. – 2011. – 12. – P. 56–65.
24. Tang Z. Influence on the dilution by laser welding of aluminum with magnetic stirring / Z. Tang, M. Gatzen // Physics Procedia. – 2010. – 5. – P. 125–137.
25. Gatzen M. Influence of Low-frequency Magnetic Fields During Laser Beam Welding of Aluminium with Filler Wire // Physics Procedia. – 2012. – 39. – P. 59–66.
26. Velde O. Numerical investigations of Lorentz force influenced Marangoni convection relevant to aluminum surface alloying / O. Velde, R. Gritzki, R. Grundmann // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2001. – 44. – P. 2751–2762.
27. About the influence of a steady magnetic field on weld pool dynamics in partial penetration high power laser beam welding of thick aluminium parts / M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2013. – 60. – P. 309–321.
28. Laser Beam Welding of Aluminum Alloys Under the Influence of an Electromagnetic Field / A. Schneider, V. Avilov, A. Gumenyuk [et al.] // Physics Procedia. – 2013. – 41. – P. 4–11.
29. Zhou J. Effects of electromagnetic force on melt flow and porosity prevention in pulsed laser keyhole welding / J. Zhou, H.-L. Tsai // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2007. – 50. – P. 2217–2235.
30. Numerical simulation of full-penetration laser beam welding of thick aluminium plates with inductive support / M. Bachmann, V. Avilov, A. Gumenyuk [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2012. – 45. – P. 035201.
31. Experimental and numerical investigation of temperature distribution and melt pool geometry during pulsed laser welding of Ti6Al4V alloy / M. Akbari, S. Saedodin, D. Toghraie [et al.] // Optics & Laser Technology. – 2014. – 59. – P. 52–59.
32. 2D longitudinal model ing of heat transfer and fluid flow during multilayered direct laser metal deposition process / S. Morville, M. Carin, P. Peyre [et al.] // Journal of Laser Applications. – 2012. – 24. – P. 032008.
33. Brent A. D. Enthalpy-Porosity Technique for Modeling Convection-Diffusion Phase Change: Application to the Melting of a Pure Metal / A. D. Brent, V. R. Voller, K. J. Reid // Numerical Heat Transfer Part B-fundamentals. – 1988. – 13. – P. 297–318.
34. A theoretical model for laser and powder particles interaction during laser cladding / Y. Fu, A. Loredo, B. Martin [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. – 2002. – 128. – P. 106–112.