喷射成形沉积坯生长过程数值模拟和组织预测
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摘要
喷射成形工艺是在铸造、粉末冶金工艺竞争中发展起来的,不仅具有快速凝固工艺的优点,而且克服了快速凝固—粉末冶金工艺成本高、工序复杂等缺点,有望在冶金工业及其它工业应用方面发挥其作用。本文的研究工作围绕这一实际应用及其相关的理论问题展开,结合已制备GCr15轴承钢沉积坯,对喷射成形过程的各个阶段进行了模拟和研究,并且对喷射成形GCr15钢的组织进行了预测分析。
采用沉积坯表面轮廓线坐标跟踪方法,建立了偏心斜喷沉积坯形状模型。本模型考虑了喷射工艺对其影响。利用该模型预测了不同喷射成形工艺条件下沉积坯的形状和尺寸,并分析了喷射成形工艺对沉积坯形状的影响规律,得到以下结论:沉积器水平设置、垂直喷射时,不能形成规整的柱状沉积坯;金属雾滴倾斜喷射时、沉积器垂直下移时,可以形成良好的沉积坯。
运用目前较为成熟的有限元数值分析手段计算了沉积坯的二维瞬态温度场。在采用瞬态非线性热分析计算其温度场时,采用了生死单元法进行处理,该方法可以用来模拟沉积坯不断长大的过程。计算结果表明,在沉积的最初阶段,沉积坯中各个位置的冷却速度可以达到102 Ks-1数量级,随后各个位置的冷却速度迅速下降至101-100 Ks-1数量级。
依据GCr15钢种CCT曲线,在室温下,将得到不同的组织。在边界区域,冷却速度相对较大,最终将得到残余奥氏体和马氏体混合组织,其硬度较高。在沉积坯内部区域,该区域冷却后室温组织最终得到残余奥氏体、贝氏体和马氏体的混合组织,硬度较小。
The technology of spray forming that was developed in the casting and the art of powder metallurgy have not only the virtue of rapid solidification, but also conquer the defaults of high cost as well as complicated working procedure. It is hopeful to play an important part in the metallurgical industry as well as other industrial application.According to prepared GCr15 bear steel deposition billets, the thesis’s major research working is simulating and analyzing every stage of spray forming. What is more, GCr15 steel’s structure is predicted and analyzed in the process of spray forming.
Adopted the method of coordinate tracking, the deposition billet shape model of eccentric and incline is built. The deposition billet’s shape and size are predicted in different spray forming condition Through analyzing the rule about the spray forming influencing on deposition billet’s shape, the conclusions are as follow: when the depositor is level installed and vertical spray , cylindrical deposition billet can’t be formed:When the metal fogdrop is oblique spray and the depositor is vertical moved, the benign deposition billet can be formed.
The thesis calculates the deposited billet’s two dimensional transient temperature field using the method of well-rounded finite element numerical analysis. Adopted the method of life and death elements, the method can be used to simulate the process of deposition billet continuous growth process.The result show that the depositing’s rate of cooling can achieve 102 Ks-1 order of magnitude in the depositing initial stage ,then the depositing’s rate of cooling decrease to 101 to 100 Ks-1 order of magnitude.
GCr15 steel’s different structure can be received according to the curve of the steel’s CCT. The remnants austenite and martensite that their hardness is high can be received because of big rate of cooling in boundary region. In the depositing’s inner compartment, the mixed organize about remnants austenite、bainate and martensite that their hardness are small can be received in room temperature.
采用沉积坯表面轮廓线坐标跟踪方法,建立了偏心斜喷沉积坯形状模型。本模型考虑了喷射工艺对其影响。利用该模型预测了不同喷射成形工艺条件下沉积坯的形状和尺寸,并分析了喷射成形工艺对沉积坯形状的影响规律,得到以下结论:沉积器水平设置、垂直喷射时,不能形成规整的柱状沉积坯;金属雾滴倾斜喷射时、沉积器垂直下移时,可以形成良好的沉积坯。
运用目前较为成熟的有限元数值分析手段计算了沉积坯的二维瞬态温度场。在采用瞬态非线性热分析计算其温度场时,采用了生死单元法进行处理,该方法可以用来模拟沉积坯不断长大的过程。计算结果表明,在沉积的最初阶段,沉积坯中各个位置的冷却速度可以达到102 Ks-1数量级,随后各个位置的冷却速度迅速下降至101-100 Ks-1数量级。
依据GCr15钢种CCT曲线,在室温下,将得到不同的组织。在边界区域,冷却速度相对较大,最终将得到残余奥氏体和马氏体混合组织,其硬度较高。在沉积坯内部区域,该区域冷却后室温组织最终得到残余奥氏体、贝氏体和马氏体的混合组织,硬度较小。
The technology of spray forming that was developed in the casting and the art of powder metallurgy have not only the virtue of rapid solidification, but also conquer the defaults of high cost as well as complicated working procedure. It is hopeful to play an important part in the metallurgical industry as well as other industrial application.According to prepared GCr15 bear steel deposition billets, the thesis’s major research working is simulating and analyzing every stage of spray forming. What is more, GCr15 steel’s structure is predicted and analyzed in the process of spray forming.
Adopted the method of coordinate tracking, the deposition billet shape model of eccentric and incline is built. The deposition billet’s shape and size are predicted in different spray forming condition Through analyzing the rule about the spray forming influencing on deposition billet’s shape, the conclusions are as follow: when the depositor is level installed and vertical spray , cylindrical deposition billet can’t be formed:When the metal fogdrop is oblique spray and the depositor is vertical moved, the benign deposition billet can be formed.
The thesis calculates the deposited billet’s two dimensional transient temperature field using the method of well-rounded finite element numerical analysis. Adopted the method of life and death elements, the method can be used to simulate the process of deposition billet continuous growth process.The result show that the depositing’s rate of cooling can achieve 102 Ks-1 order of magnitude in the depositing initial stage ,then the depositing’s rate of cooling decrease to 101 to 100 Ks-1 order of magnitude.
GCr15 steel’s different structure can be received according to the curve of the steel’s CCT. The remnants austenite and martensite that their hardness is high can be received because of big rate of cooling in boundary region. In the depositing’s inner compartment, the mixed organize about remnants austenite、bainate and martensite that their hardness are small can be received in room temperature.
引文
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