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Numerical Simulation of Temperature Field, Velocity Field and Solidification Microstructure Evolution of Laser Cladding AlCoCrFeNi High Entropy Alloy Coatings

材料科学 马朗戈尼效应 等轴晶 微观结构 对流 传热 表面张力 复合材料 多物理 温度梯度 机械 熔池 自由面 冶金 Péclet编号 合金 浮力 升华(心理学) 热流密度 过冷 枝晶(数学) 热力学 流体力学 空隙(复合材料) 对流换热 流体体积法 共晶体系 包层(金属加工) 复辉 熔体流动指数
作者
Andi Huang,Yilong Liu,Xin Li,Jingang Liu,Shiping Yang
出处
期刊:Lubricants [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (12): 541-541
标识
DOI:10.3390/lubricants13120541
摘要

In this study, a multiphysics coupling numerical model was developed to investigate the thermal-fluid dynamics and microstructure evolution during the laser metal deposition of AlCoCrFeNi high-entropy alloy (HEA) coatings on 430 stainless steel substrates. The model integrated laser-powder interactions, temperature-dependent material properties, and the coupled effects of buoyancy and Marangoni convection on melt pool dynamics. The simulation results were compared with experimental data to validate the model’s effectiveness. The simulations revealed a strong bidirectional coupling between temperature and flow fields in the molten pool: the temperature distribution governed surface tension gradients that drove Marangoni convection patterns, while the resulting fluid motion dominated heat redistribution and pool morphology. Initially, the Peclet number (PeT) remained below 5, indicating conduction-controlled heat transfer with a hemispherical melt pool. As the process progressed, PeT exceeded 50 at maximum flow velocities of 2.31 mm/s, transitioning the pool from a circular to an elliptical geometry with peak temperatures reaching 2850 K, where Marangoni convection became the primary heat transfer mechanism. Solidification parameter distributions (G and R) were computed and quantitatively correlated with scanning electron microscopy (SEM)-observed microstructures to elucidate the columnar-to-equiaxed transition (CET). X-ray diffraction (XRD) analysis identified body-centered cubic (BCC), face-centered cubic (FCC), and ordered B2 phases within the coating. The resulting hierarchical microstructure, transitioning from fine equiaxed surface grains to coarse columnar interfacial grains, synergistically enhanced surface properties and established robust metallurgical bonding with the substrate.
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