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

Abstract

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.

The laser melt injection (LMI) method is always used to prepare a metal-matrix composite layer on the surface of substrate. In LMI process, the laser beam melts the surface layer of substrate locally while simultaneously injecting particles of additional material. In order to control the distribution of reinforcement particles in LMI layer, an electricmagnetic composite field can be applied. The effect of electric-magnetic synergistic on the reinforcement particles distribution in LMI was investigated using experimental and numerical method. The spherical WC particles were used because their regular shape was most close to the simulation conditions and good tracer performance in the melt flow. The distribution of WC particles in longitudinal section was observed by SEM and calculated by computer graphics processing. The trajectory of WC particles in the melt pool was simulated by a 2D model coupled the equations of heat transfer, fluid dynamics, drag force, Lorentz force and phase transition. The simulation results were compared with experimental data and were in good agreement. The results indicated that the effect of electric-magnetic synergistic on the reinforcement particles distribution was verified. The distribution of WC particles in LMI-layer was influenced by the direction of Lorentz force induced by electric-magnetic composite field. When the Lorentz force and gravity force are in the same direction, the vast majority of particles are trapped in the upper region of LMI-layer, and when these forces are in the opposite direction, most particles are concentrated in the lower region.