GH4037镍基高温合金激光打孔相变进程数值模仿

引言
激光打孔进程既存在熔化又存在气化蒸腾，是一个复杂的多态多物理场耦合进程。国内外研究人员围
绕激光参量对激光打孔质量的影响规律与激光打孔工艺参量优化现已展开了很多的试验研究11，如WANG等人根据单要素法的激光打孔试验， 剖析了激光器电压、脉冲宽度、重复频率、聚集条件、辅助气体
等对不锈钢激光打孔的影响规律。FU等人使用光纤激光打孔试验剖析了激光功率、占空比、切割速率、
重复频率等参量对光纤激光打孔质量的影响。QIAN等人根据正交试验办法进行的激光打孔试验，得出了SUS 304不锈钢激光打孔的较优试验参量组合。但是选用传统的试验手法难以解说和剖析激光打孔的机理以及激光打孔进程中资料的相变进程。选用模仿仿真的办法有利于研究激光打孔的物理机制和瞬态进程，并为实践的激光打孔加工提供理论指导。早期针对激光打孔进程的模仿仿真首要根据解析法14如SWIFT-100K等人引入高斯散布的激光热源树立了激光热作用物理模型，剖析了激光移动速率对熔池巨细及形状的影响110.但未考虑相变潜热的影响。WU等人以无限大均匀介质中热分散方程的解为理论工具给出了激光打孔进程的近似数学表达式模仿了激光打孔的孔洞形成进程。但使用解析法求解时，无法处理资料热物理参量随温度改变的实践情况121.目前针对激光打孔进程的数值模仿首要根据热传导理论即通过求解热传导方程得到激光打孔进程的温度场。ZHANG等人树立了1维稳态热传导模型研究了长脉冲激光打孔的效能比核算了不同激光能量密度下的打孔深度， CHU等人根据有限元法树立了2维激光打孔模型，考虑了激光束空间散布和资料相变潜热对孔的影响，核算了激光打孔进程温度场和孔型演化进程.BE GIC-HAJ DARE VIC等人根据有限体积法核算了激光打孔进程中温度的散布和孔的几许形状(1s.SONG等人使用ANSYS软件中的单元存亡技能对激光打孔进程的温度场进行模仿仿真得到了小孔的孔深、孔径的时刻特性以及随激光能量的改变曲线!但该模型疏忽了打孔进程中产生的熔化现象，只考虑资料的气化。
根据热传导理论的模型大多疏忽了重力、反冲压力和粘滞力等对激光打孔的影响，且仅考虑资料的固-
液相变进程疏忽了资料的液气相变进程，因而仅能模仿激光打孔进程中的温度散布情况。别的，激光打
孔进程中资料发生相变会导致资料的热物理特点发生阶跃跳变需要对随温度改变的资料参量进行滑润处
理。资料的熔化和气化蒸腾进程还涉及到粘滞力和反冲压力的作用以及相变潜热和热对流的影响，因而根据热传导理论树立精确的激光打孔模型较为困难。本文中以航空涡轮发动机叶片常用的GH4037镍基高温合金为研究对象根据流体传热和流体力学理论树立了操控方程组模型中考虑了重力、反冲压力和粘滞力的作用，也考虑了资料的固/液相变和气/液相变进程提高了激光打孔模型的精确性。通过核算得
到了激光打孔相变进程中不同时刻的温度场散布、熔池活动速率以及气化蒸腾速率，为进一步展开激光打孔的研究奠定了理论基础。

1  数学模型
1.1 有限元模型
本文中有限元模型的树立、参量设置、边界条件设置、求解以及后处理等均根据COMSOL MULTI PHY-
SICS多物理场仿真软件。为便于核算有限元模型选用2维模型分为上下两个矩形域。上矩形域为空气，
长4mm高4mm；下矩形域为GH4037镍基高温合金，长4mm，高1mm。考虑到模型精确性，同时削减核算
量在空气以及资料外表以下0.5mm左右的深度结构较细的网格其它区域构建较粗的网格网格类型选用
三角形网格。几许模型的网格划分作用如图1所示。

2
模仿结果与剖析
2.1
温度场模仿结果图3为激光作用0.80ms，1.20ms，1.60ms和1.70ms左右的温度场模仿结果。图3中的横纵坐标分别代表几许区域的长和高，单位为mm，色柱表明温度单位为K。如图3a、图3b所示在激光加热早期阶段激光束首要用于加热基体激光束下方的资料到达消融温度后开端形成小的熔池，此时激光能量以菲涅尔吸收的方式被资料外表吸收其余能量被反射，传热进程以热传导方式为主。随着加热时刻增加，热传导现象加重熔池的深度随之增加。如图3c所示激光加热1.60ms左右资料外表发生气化现象，在小孔内外压力差的作用下气化资料沿笔直方向向上喷出并与周围空气形成了热对流。如图3d所示，激光加热
1.70ms左右资料气化蒸腾现象更加显着气化后的资料进一步上升，并向周围分散，形成了类似“蘑菇云”的形状。
3 定论
根据流体力学和流体传热理论树立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型，核算了激光打孔相变进程的温度场散布、熔池活动速率以及气化蒸腾速率，模仿结果较好地展示了资料熔化和气化蒸腾的相变过
程。
(1)随着激光作用时刻增加资料相继发生熔化和气化现象熔化资料初期在粘滞力和重力的阻碍作用下活动较为缓慢然后在气化蒸腾资料的反冲压力下熔池的活动速率敏捷增加气化蒸腾资料沿笔直方向从小孔喷射到空气中，并向周围空气中分散。
(2)在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时，熔池的水平活动较高速率为1.7m/s笔直活动较高速率为1.1m/s资料较大气化蒸腾速率可以到达250m/s。