【激光表面改性技术】石家庄铁道大学齐海波教授等：基于CFD-DEM的激光熔覆粉末利用率仿真分析
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2024-11-11 17:00
重庆
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目的为准确描述激光熔覆过程中粉末与粉末、送粉管、基板之间存在碰撞的事实，提高粉末利用率，探究送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律及原因。方法首先，基于FLUENT有限元分析软件和EDEM离散元分析软件建立基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型，对粉末流从喷嘴喷射到达熔池的全过程进行气固两相流模拟仿真；然后，采用正交方差分析法确定送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律；最后，利用粉末收集试验和单道激光熔覆试验验证模型的可靠性及准确性。结果粉末利用率方差分析结果表明，送粉量、载气量和保护气量的显著性差异评价量F值分别为169.079、114.317、50.153；粉末利用率随送粉量、载气量和保护气量的增大均先提高后降低；在送粉电压18
V、载气量15 L/min、保护气量10 L/min和送粉电压14 V、载气量11 L/min、保护气量8 L/min 2种极端工况下进行粉末收集试验，模拟值与试验值误差分别为4.03%、4.54%；在激光功率1100 W、扫描速度5 mm/s下进行单道激光熔覆试验，模拟值与试验值误差分别为16.13%和16.50%，说明该模型准确可靠。结论送粉量对粉末利用率的影响最大，载气量次之，保护气量影响最小；获取较高粉末利用率的最优组合参数为送粉电压16 V、载气量13 L/min、保护气量10 L/min。关键词：激光熔覆；粉末利用率；CFD-DEM；碰撞；工艺参数；模拟仿真1）建立了CFD-DEM激光熔覆三维耦合模型，模型既考虑了气体作为连续介质的有限单元，又考虑了粒子作为个体的离散单元，从而可以分析粉末与粉末、粉末与送粉管壁、粉末与基板的碰撞作用。2）采用正交方差分析方法探究了送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响，粉末利用率随载气量、送粉量和保护气量的增大均先提高后降低，送粉量对粉末利用率的影响最大，载气量次之，保护气量影响最小。3）本试验条件下获取较高粉末利用率的最优组合参数为：送粉电压16 V，载气量13 L/min，保护气量10 L/min。4）基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型对粉末利用率的仿真结果与粉末收集试验和单道激光熔覆试验结果误差均在合理范围内，模型准确有效。该文章发表在《表面技术》第53卷第17期。
引文格式：范红丽, 齐海波, 张钊, 等. 基于 CFD-DEM 的激光熔覆粉末利用率仿真分析[J]. 表面技术,
2024, 53(17): 146-156.
FAN Hongli, QI Haibo,
ZHANG Zhao, et al. CFD-DEM Simulation on Powder Catchment Efficiency in
Laser Cladding[J]. Surface Technology,2024, 53(17): 146-156.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.013
