2D longitudinal modeling of heat transfer and fluid flow during multilayered direct laser metal deposition process

材料科学 激光功率缩放 多物理 表面粗糙度 传热 表面张力 激光器 表面光洁度 复合材料 机械 有限元法 光学 量子力学 热力学 物理
作者
Simon Morville,Muriel Carin,Patrice Peyre,Myriam Gharbi,Denis Carron,Philippe Masson,R. Fabbro
出处
期刊:Journal of Laser Applications [Laser Institute of America]
卷期号:24 (3) 被引量:145
标识
DOI:10.2351/1.4726445
摘要

Derived from laser cladding, the direct laser metal deposition (DLMD) process is based upon a laser beam–powder–melt pool interaction and enables the manufacturing of complex 3D shapes much faster than conventional processes. However, the surface finish remains critical, and DLMD parts usually necessitate postmachining steps. Within this context, the focus of our work is to improve the understanding of the phenomena responsible for deleterious surface finish by using numerical simulation. Mass, momentum, and energy conservation equations are solved using comsol multiphysics® in a 2D transient model including filler material with surface tension and thermocapillary effects at the free surface. The dynamic shape of the molten zone is explicitly described by a moving mesh based on an arbitrary Lagrangian–Eulerian method (ALE). This model is used to analyze the influence of the process parameters, such as laser power, scanning speed, and powder feed rate on the melt pool behavior. The simulations of a single layer and multilayer claddings are presented. The numerical results are compared with experimental data, in terms of layer height, melt pool length, and depth of penetration, obtained from high speed camera. The experiments are carried out on a widely used aeronautical alloy (Ti–6Al–4 V) using a Nd:YAG laser. The results show that the dilution ratio increases with increasing the laser power and the scanning velocity or with decreasing the powder feed rate. The final surface finish is then improved.
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