Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Mohsen Badrosamay,Ehsan Foroozmehr
محمد مشایخی (استاد راهنما) محسن بدرسمای (استاد راهنما) احسان فروزمهر (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ali Alirezaie Dizicheh
علی علیرضائی دیزیچه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Experimental Analysis of Laser Cladding of Ni-TiC Composite and Calculation of Stress and Temperature Fields by Finite Element Method
Since cladding operation improves the function of the part’s surface in addition to its useful life enhancement, it increases the parts’ value. Nowadays, utilizing the metal-ceramic composite coatings is highly noticed by a lot of industries and it’s because of the high thermal resistance, high wearing resistance, high strength of the ceramics and also ductility and toughness of the metals. Moreover unique property can be achieved by combination of them. The composite coatings are often used in order to wearing and corrosion resistance enhancement. Laser cladding process is one of the surface cladding methods which is applied by many industries. In this process part of the laser beam’s energy is absorbed by the cladding powder and results the powder’s melting before reaching the substrate, another part of the energy melts a thin layer of the substrate and therefore a powerful bond is developed between the coating and the substrate in addition to the least dilution. In the present work, finite element and experimental investigation have been done on laser cladding process. In the experimental part of this investigation, the essential equipment of this process such as designing and making of the dual power feeder and characterization the cladding head is provided. Because of the low power in utilizing the CO2 laser, it’s not possible to develop the coatings with suitable width. By applying the Nd:YAG laser the appropriate parameters are determined with proper width and thickness. Titanium Carbide cladding composite is developed under metallography and mechanical tests with different percentages of hard phases. The results show that the Titanium Carbide particles are spread out through the nickel matrix, Because of the particles’ lightness the spread of these particles is also more on the surface. Wear test results show that the coating’s wear resistance and its friction is reduced by increasing the amount of Titanium Carbide. The coating’s hardness is increased by increasing the hard phase percentage. In the finite element part of this investigation, the laser cladding process is modeled in order to determining the thermal and stress distribution. For simulating the element birth and death technique is used. A customized 3-D finite element model has been developed, incorporating these effects, based on simulation of conductive, convective and radiative heat transfer, and assuming elastic-perfectly plastic deformation behavior. Creep effects have been neglected and the cladding (particulate metal matrix composite) has been treated as a continuum. Comparisons are presented between measured and simulated thermal fields and specimen deflection histories. The results show that curvature is decreased by increasing the coating’s Titanium Carbide percentage. The residual stress in the coating is compressive and will be increased by increasing the amount of Titanium Carbide. Also the residual stress is constant along the cladding. Keywords: Laser cladding, Powder feeder, Metal-ceramic composite, Nickel-Titanium Carbide, Wear test, Finite element, Element birth and death
عملیات سطحی به دلیل اینکه ضمن افزایش عمر مفید قطعه، عملکرد سطح را نیز بهبود می بخشد، به ارزش قطعات می افزاید. امروزه استفاده از پوشش‌های کامپوزیتی سرامیک/ فلز مورد توجه زیادی در صنایع قرار گرفته که دلیل آن مقاومت بالای حرارتی، سایشی و استحکام بالای سرامیک‌ها، همچنین نر‌می و چقرمگی فلزات است. با ترکیب این خواص می توان ویژگی های منحصر به فردی در ماده ایجاد کرد. پوشش‌های کامپوزیتی بیشتر جهت افزایش مقاومت به سایش و خوردگی مورد استفاده قرار ‌می گیرند. فرآیند پوشش دهی سطح به کمک لیزر یکی از روش های پوشش دهی سطح می باشد که امروزه مورد استفاده های زیادی در صنایع قرار می گیرد. در این فرآیند بخشی از انرژی پرتو لیزر جذب پودر پوشش دهنده شده و منجر به ذوب پودر قبل از رسیدن به زیر لایه می‌شود، بخش دیگر انرژی، لایه نازکی از سطح زیر لایه را ذوب کرده و در نتیجه پیوندی قوی ضمن حداقل اختلاط بین لایه پوشش و زیر لایه ایجاد می شود. در این پژوهش فرآیند پوشش دهی به کمک لیزر جهت ایجاد پوشش کامپوزیتی نیکل – کاربید تیتانیوم، از نظر تجربی و اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفته است. در بررسی تجربی با تهیه و مشخصه یابی تجهیزات لازم این فرآیند، مانند طراحی و ساخت دستگاه تغذیه‌ی پودر دو قلو و مشخصه یابی هد‌‌پوشش‌دهی، این فرآیند توسط دو لیزر CO 2 و Nd:YAG مورد ارزیابی قرار می گیرد. در استفاده از لیزر CO 2 مشخص می‌گردد به دلیل توان پایین این لیزر، امکان ایجاد پوشش‌هایی با پهنای بالا وجود ندارد. با استفاده از لیزرNd:YAG پارامتر‌های مناسب پوشش دهی با عرض و ضخامت مناسب تعیین شده است. پوشش کامپوزیتی نیکل-کاربید تیتانیوم با درصد‌های متفاوت از فاز سخت ایجاد شده و مورد آزمون‌های مکانیکی و متالوگرافی قرار گرفته شده است. نتایج نشان می‌دهد ذرات تیتانیوم کاربیاد در فرآیند پوشش‌دهی ذوب نشده و درون زمینه نیکل به صورت جامد توزیع می شوند همچنین به دلیل سبکی این ذرات نسبت به فلز نیکل توزیع این ذرات بر روی سطح بیشتر است. نتایج آزمون سایش نشان می دهد با افزایش میزان کاربید تیتانیوم در پوشش، مقاومت به سایش پوشش افزایش و ضریب اصطکاک آن کاهش می یابد. سختی پوشش با افزایش درصد فاز سخت، افزایش می یابد. در بررسی اجزا‌محدود، فرآیند پوشش‌دهی به کمک لیزر، جهت تعیین توزیع دما و تنش، مدلسازی می‌شود. برای مدل سازی از نرم افزار اجزای محدود آباکوس استفاده شده است. از تکنیک فعال و غیر فعال شدن المان ها برای شبیه سازی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد، با افزایش توان لیزر ناحیه‌ی مذاب ایجاد شده بر روی سطح افزایش‌‌می یابد و میزان نفوذ پوشش افزایش ‌می یابد. با حرکت پرتو لیزر بر روی سطح زیرلایه، ابتدا انتهای آزاد مدل به سمت پایین انحنا پیدا ‌می کند، پس از رسیدن دمای مدل به دمای محیط، تنش‌های حرارتی تغییر می کنند و انحنای مدل به سمت بالا تغییر جهت ‌می دهد. با افزایش درصد کاربید تیتانیوم موجود در پوشش میزان انحنای ایجاد شده در نمونه کاهش ‌می یابد. تنش پسماند ایجاد شده در پوشش از نوع فشاری است و با افزایش میزان کاربید تیتانیوم پوشش، این تنش افزایش ‌می یابد. تنش پسماند موجود در پوشش در طول پوشش ثابت است. کلمات کلیدی: پوشش دهی به کمک لیزر، دستگاه تغذیه‌ی پودر، نیکل-کاربید تیتانیوم، هد‌پوشش دهی، آزمون سایش، تحلیل اجزای محدود، فعال و غیر فعال شدن المان

ارتقاء امنیت وب با وف بومی