基于生死单元的激光熔覆温度场有限元模拟

本书在第3章中，在45#低碳钢表面采用同轴送粉的激光熔覆技术已成功制备出NbC颗粒镍基非晶复合熔覆层，熔覆层由非晶相、晶体相和白色NbC颗粒相组成。同时，发现在不同的热输入下获得的涂层中非晶相的体积含量不同，在较高的热输入下获得的熔覆层中基本没有发现非晶相，随着热输入的降低，熔覆层中出现了非晶组织，并且热输入越小非晶的含量越高。因此认为在熔覆层稀释率较低的情况下，采用激光熔覆技术制备非晶熔覆层中也存在一个非晶形成的临界冷却速率RCL。针对（Ni0.6Fe0.4）65B18Si10Nb4C3合金粉末，了解其激光熔覆过程中非晶形成临界冷却速率，以及不同参数下的冷却速率（RCL）的差异，并且分析其产生的原因，必须获得在熔覆过程中熔体的冷却速率。但是在激光熔覆过程中，由于产生的熔池体积小，另外，激光斑点的温度较高，激光扫描速度较快，导致温度变化较快，很难用实验的方法跟踪熔体动态凝固过程的温度分布和变化情况。所以本节试图采用ANSYS有限元软件模拟激光熔覆镍基非晶复合熔覆层过程中的温度场分布和热循环曲线，从而掌握熔覆过程中的动态温度分布情况以及热循环特征，获得不同工艺参数对温度场和热循环的影响。

在采用激光熔覆工艺制备金属或合金熔覆层时，合金粉末以及部分基体表面薄层在激光辐照的作用下混合形成熔池并凝固、结晶。为使得有限元模拟过程更接近于实际激光熔覆层的制备过程，本节采用ANSYS中生死单元技术模拟熔覆层在激光辐照的作用下随着热源的移动熔覆层的向前延伸过程。对于ANSYS有限元软件，首先模型换分成有限个单元，对于特定单元，有时需在模型中加入材料，对应单元的“存在”；有时需要删除材料，对应单元的“消亡”。ANSYS中具有专门的单元生死选项，在给定条件下杀死或重新激活经选择的特定单元。要让单元“死”，不是将要“杀死”的单元从有限元模型中去掉，而是将其刚度（或其他热分析、磁特性等特性）矩阵与一个极小的因子相乘。一般情况下，该因子默认值为1.0×10-6，但也可以将其他值赋给它。并且对于死去的单元，一般不再给它加载，即载荷为零。同样死单元的质量、比热容、热膨胀系数等和热分析相关的参数都设为零。在有限元计算结果中也不出现死去单元的能量和质量。并且杀死的单元其应变也设为零。与单元死的过程相近，如果让单元“生”，并不是把它加入有限元中，而是再把它们激活。在有限元模拟过程中，需要在PREP7中建立所需要的单元，被激活或杀死的单元也必须包括在其中。在SOLUTION中不能再重新建立新的有限元单元。当需要激活某个单元时，须先将其杀掉，接着在必要的载荷步中将其激活。当激活这个单元以后，其刚度、质量、热膨胀系数、比热容等性能和载荷将改变为其原有大小。被激活的有限元模型中的单元不存在应变的过程记录。然而，单元生死这个选项对有些实参形式的输入的初应变（例如LINK1单元）没有影响。并且，在未打开大变形这个选项的情况下，一些有限元单元模型会以其前期的几何特征恢复（有时用大变形效果来获得相对合理的输出结果）。假如有限元模型承受热量的体载荷，这个单元在其被激活以后第一个求解中也可具有热应变（相当于a*（T-TREF））。

在开始模拟时，首先将熔覆层单元存入预先定义的数组中，把熔覆层划分为有限个单元，其次将熔覆层内所有单元都“杀死”，然后建立局部坐标系，再通过“Do”循环实现光斑的移动，之后在每一步计算过程中，必须先激活激光束照射区域的“死”单元，最后在熔覆层表面施加面热源。另外，使用记事本编辑器编写ANSYS模拟时所加载的APDL程序，然后导入ANSYS进行计算。