مقاله پژوهشی: رهیافتی بر ساخت افزایشی پروانه های کمپرسور : مدل سازی سه بعدی پوشش کاری چندلایه فولاد پایه AISI 4140 به روش LSFF با استفاده از پودر Inconel 625 همراه با 2 % نانو پودر 2Ce

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه فیزیک، دانشگاه تفرش

2 دانشکده فیزیک، دانشگاه تفرش

3 دانش آموخته دکترای فوتونیک، شرکت فارپاکو

چکیده

تیغۀ توربین‌های گازی، شفت توربین‌ها و پروانه‌های‌ کمپرسورها، اغلب به دلیل فرسایش یا خوردگی آسیب ‌می‌بیند. با استفاده از روش ‌پوشش‌کاری لیزری و به منظور بازسازی و  بهبود خواص ضد‌فرسایشی قطعات حساس، یک لایه پوشش بر روی مواد پایه قرار داده می‌شود. در این مقاله، مدل ‌سه‌بعدی فرآیند LSFF برای آلیاژ Inconel 625 مخلوط با نانو پودر CeO2 بر روی فولاد AISI 4140 بررسی شده است. با استفاده از ‌نرم‌افزار COMSOL Multiphysics و روش المان محدود (FEM)، معادلۀ انتقال حرارت، معادلۀ مش متحرک و تانسور تنش به صورت عددی حل ‌می‌شود. هندسۀ ناحیۀ مذاب با استفاده از مش‌بندی متحرک و بر اساس ماژول لاگرانژی‌ـ‌اویلری (ALE) به دست می‌آید و همچنین تأثیر پیش‌گرمایش و افزودن نانو پودر CeO2  در توزیع دما و میدان‌های تنش به صورت عددی بررسی می‌شود. رفتار زمانی شاخص‌های کلیدی فرآیند مانند دمای بیشینه و تنش بیشینه و نسبت متناظر آن‌ها مطالعه شده و وابستگی ارتفاع پوشش به سرعت روبش لیزر برای لایه‌های اول و دوم و سوم  بررسی و ارائه می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An Approach to Additive Manufacturing of Compressor Impellers: 3D Modeling of Multilayer Laser Solid Freeform Fabrication of Nickel Alloy 625 Powder Mixed with Nano-CeO2 on AISI 4140

نویسندگان [English]

  • Gholamreza Fayaz 1
  • Saman Kazemzadeh 2
  • Sepideh Sadat Zakeri 3
1 Assistant Professor, department of Physics, Tafresh University
2 Department of Physics, Tafresh University
3 PhD in Photonics, FARPACO.
چکیده [English]

Gas turbine blades, turbine shafts and centrifugal compressor impellers are often suffered by erosion and/or corrosion. By laser cladding technique, a coating layer can be deposited on the base material in order to rebuild, repair and improve anti-erosion or anti-corrosion properties of the sensitive machine parts. In this paper, a three-dimensional finite element modeling of the laser solid freeform fabrication (LSFF) process for nickel alloy 625 powder mixed with nano-CeO2 on AISI 4140 steel is examined. Using Comsol Multiphysics software and the finite element method (FEM), the heat transfer equation, moving mesh equation and stress tensor are numerically evaluated. The dynamic geometry of the molten zone is studied by a 3D moving mesh based on Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) module. The effects of preheating as well as addition of nano-CeO2 on temperature distribution and stress fields are investigated. Temporal behavior of the key characteristic features of the model and dependence of the clad height on the scanning velocity of the laser for the first, second and third layers are also studied.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Additive Manufacturing
  • Laser Cladding
  • Compressor Impeller
  • Nano-CeO2
  • AISI 4140
[1] Fayaz G. R. and Kazemzadeh S., “Towards additive manufacturing of compressor impellers: 3D modeling of multilayer laser solid freeform fabrication of nickel alloy 625 powder mixed with nano-CeO2 on AISI 4140”, Addit. Manufac. 20 (2018) 182-188.
[2] Han L., Phatak K.M., Liou F.W., “Modeling of laser cladding with powder injection”, Metall. Mater. Trans. B 35 (2004) 1139–1150.
[3] Picasso M., Marsden C.F., Wagniere J.D., Frenk A., Rappaz M., “A simple but realistic model for laser cladding”, Metall. Mater. Trans. B 25 (2) (1994) 281–291.
[4] Alimardani M., Toyserkani E., Huissoon J.P., “A 3D dynamic numerical approach for temperature and thermal stress distributions in multilayer laser solid freeform fabrication process”, Opt. Lasers Eng. 45 (12) (2007) 1115–1130.
[5] Navas C., Conde A., Cadenas M., de Damborenea J., “Tribological properties of laser clad stellite 6 coatings on steel substrates”, Surf. Eng. 22 (1) (2006) 26–34.
[6] Wang H., Zuo D., Li X., Chen K., Huang M., “Effects of CeO2 nanoparticles on microstructure and properties of laser cladded NiCoCrAlY coatings”, J. Rare Earths 28 (2010) 246–250.
[7] Navas C., Conde A., Fernández B., Zubiri F., de Damborenea J., “Laser coatings to improve wear resistance of mould steel”, Surf. Coat. Technol. 194 (1) (2005) 136–142.
[8] Darmawan W., Quesada J., Rossi F., Marchal R., Machi F., Usuki H., “Improvement in wear characteristics of the AISI M2 by laser cladding and melting”, J. Laser Appl. 21 (4) (2009) 176–182.
[9] Zhang S.H., Li M.X., Cho T.Y., Yoon J.H., Lee C.G., He Y.Z., “Laser clad Ni-base alloy added nano- and micron-size CeO2 composites”, Opt. Laser Technol. 40 (5) (2008) 716–722.
[10] Jianing L., Chuanzhong C., Cuifang Z., “Effect of nano-CeO2 on microstructure properties of TiC/TiN+nTi(CN) reinforced composite coating”, Bull. Mater. Sci. 35 (3) (2012) 399–404.
[11] Ding L., Hu S., “Effect of nano-CeO2 on microstructure and wear resistance of Co-based coatings”, Surf. Coat. Technol. 276 (2015) 565–572.
[12] Li J., Chen C., Hu J., “Effect of SiC/nano-CeO2 on wear resistance and microstructures of Ti3Al/Y-Ni matrix laser-cladded composite coating on Ti-6Al-4V alloy”, Surf. Interface Anal. 44 (5) (2012) 559–564.
[13] Andolfi A., Mammoliti F., Pineschi F., Catastini R., “Advanced laser cladding application for oil and gas components”, GE Oil Gas Newslett. (2012) 164–173.
[14] Tahmasbi H.R., Fayaz G.R., “Three dimensional finite element modeling of laser solid freeform fabrication of turbine blades”, Optik 126 (22) (2015) 3382–3384.
[15] Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S., Laser Cladding, CRC Press, 2004.
[16] Carslaw H., Jaeger J., Conduction of Heat in Solids, Oxford science publications (Clarendon Press, 1986).
[17] White F.M., Heat Transfer (Addison-Wesley Longman, 1984).
[18] Morville S., Carin M., Peyre P., Gharbi M., Carron D., Masson P.L., Fabbro R., “2D longitudinal modeling of heat transfer and fluid flow during multilayered direct laser metal deposition process”, J. Laser Appl. 24 (3) (2012) 032008.
[19] Mase G., Smelser R., Smelser R., Mase G., Continuum Mechanics for Engineers, CRC Series in Computational Mechanics and Applied Analysis (Taylor and Francis, 2009).
[20] Noda N., Thermal Stresses (Taylor & Francis, 2002).
[21] Gan Z., Yu G., He X., Li S., “Numerical simulation of thermal behavior and multicomponent mass transfer in direct laser deposition of Co-base alloy on steel”, Int. J. Heat Mass Transf. 104 (2017) 28–38.
[22] Lampa C., Kaplan A.F.H., Powell J., Magnusson C., “An analytical thermodynamic model of laser welding”, J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (9) (1997) 1293.
[23] Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S., “Three-dimensional finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of powder feedrate and travel speed on the process”, J. Laser Appl. 15 (3) (2003) 153–160.