Многофазная трехмерная модель лазерного точечного нагрева и плавления стали AISI 316L в ультразвуковом поле
Авторы: Никифоров С.А., Шварц И.В., Рубля Р.С., Мельников А.С., Горунов А.И., Гильмутдинов А.Х.
Опубликовано в выпуске: #7(151)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-7-2369
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Представлена многофазная математическая модель точечного нагрева и плавления нержавеющей стали AISI 316L в ультразвуковом поле и ее численная реализация методом конечных объемов в программном комплексе ANSYS Fluent. Для применения объемных тепловых источников и внешних сил воздействия на ванну расплава использовались оригинальные алгоритмы на основе пользовательских функций (User-Defined Function) на языке C. Приведено описание метода введения ультразвуковых колебаний в вычислительную область. При анализе влияния ультразвуковых колебаний на течения, ширину, глубину и объем ванны расплава сравнивались полученные данные с результатами численного эксперимента, выполненного при тех же параметрах, но без ультразвука. Проведена верификация математической модели путем сопоставления с натурным экспериментом, подтверждающим качественные и количественные характеристики воздействия ультразвука на формирование ванны расплава.
EDN THOQVI
Литература
[1] Bedenko D.V., Kovalev O.B., Smurov I., Zaitsev A.V. Numerical simulation of transport phenomena, formation the bead and thermal behavior in application to industrial DMD technology. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, vol. 95, pp. 902–912. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.046
[2] Zhao Z., Wang J., Du W., Bai P., Wu X. Numerical simulation and experimental study of the 7075 aluminum alloy during selective laser melting. Optics and Laser Technology, 2023, vol. 167, p. 109814. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109814
[3] Li Y., Chen L., Lu L., Zhang X., Zhou W., Ren, X. Numerical and experimental study of RHEAs surface morphology and defect in selective laser melting. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2024, vol. 118, p. 106484. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106484
[4] Zhang D., Prasad A., Bermingham M.J., Todaro C.J., Benoit M.J., Patel M.N., Qiu D., StJohn D.H., Qian M., Easton M.A. Grain refinement of alloys in fusion-based additive manufacturing processes. Metallurgical and Materials Transactions A, 2020, vol. 51, issue 9, pp. 4341–4359. Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05880-4
[5] Cui Y., Xu C., Han Q. Effect of ultrasonic vibration on unmixed zone formation. Scripta Materialia, 2006, vol. 55, issue 11, pp. 975–978. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.08.035
[6] Yuan T., Kou S., Luo Z. Grain refining by ultrasonic stirring of the weld pool. Acta Materialia, 2016, vol. 106, pp. 144–154. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.01.016
[7] Todaro C.J., Easton M.A., Qiu D., Zhang D., Bermingham M.J., Lui E.W., Brandt M., StJohn D.H., Qian M. Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound. Nature Communications, 2020, vol. 11, issue 1, Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/s41467-019-13874-z
[8] Xiao M., Jiang F., Guo C., Song H., Dong T. Investigation on microstructure and mechanical properties of Fe-based amorphous coatings prepared via laser cladding assisted with ultrasonic vibration. Optics and Laser Technology, 2023, vol. 162, p. 109294. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109294
[9] Ivanov I.A., Dub V.S., Karabutov A.A., Cherepetskaya E.B., Bychkov A.S., Kudinov I.A., Gapeev A.A., Krivilyov M.D., Simakov N.N., Gruzd S.A., Lomaev S.L., Dremov V.V., Chirkov P.V., Kichigin R.M., Karavaev A.V., Anufriev M.Yu., Kuper K.E. Effect of laser-induced ultrasound treatment on material structure in laser surface treatment for selective laser melting applications. Scientific Reports, 2021, vol. 11, issue 1. Springer Science and Business Media LLC. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02895-8
[10] Ke W., Liu Y., Teshome F.B., Zeng Z. Numerical study on multiphase evolution and molten pool dynamics of underwater wet laser welding in shallow water environment. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2024, vol. 220, p. 124976. Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124976
[11] Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И. Численное моделирование и верификация точечного лазерного нагрева нержавеющей стали AISI 316L. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, вып. 8. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2023-8-2295
[12] Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И. Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии на сталь AISI 316L с учетом конвекции Марангони. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, вып. 2. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2023-2-2248