哈尔滨理工大学材料与化工硕士学位论文
激光表面重熔Mg-4Y-3Nd-0.5Zr合金宏微观组织数值
模拟
摘要
激光表面重熔(LaserSurfaceRemelting,LSR)是近几十年来出现的一种表面
改性技术，其通过激光束来改变基体材料的相组成和组织结构，可以对材料表
面层组织进行改性，获得细小的微观组织，显著提高材料表面强度，展现了良
好的应用前景。但由于不同工艺条件下形成的微观组织影响着合金硬度、耐磨
损和耐腐蚀性能。因此，深入探究LSR过程中熔池内的微观组织演变行为具有
重要意义。
本论文采用LSR对Mg-4Y-3Nd-0.5Zr(wt.%)合金进行表面改性，建立了
LSR过程的多尺度三维模型。基于FLUENT软件平台，进行二次开发，在宏观
尺度上建立了热、动量传输耦合模型来描述熔池热动力学行为，在微观尺度上
采用尖锐界面模型(SharpInterfaceModel,SIM)描述熔池中的形核和枝晶生长。
研究结果表明：
基于表面能各向异性函数，推导了适合尖锐界面模型界面的加权平均曲率
公式，实现了对十八枝α-Mg枝晶生长的模拟。基于固液界面局部溶质平衡假
设，充分考虑了Y、Nd和Zr元素的微观偏析，建立了多元合金枝晶生长速度
模型。基于宏微观组织模拟，得到了熔池深度、溶质分布、晶粒形貌和晶粒尺
寸随扫描速度变化的特征，并通过实验进行验证，模拟结果与实验表征趋势吻
合。
在LSR过程中，熔池内的流动模式为典型的Marangoni对流，熔池沿着中
心线(激光光斑定位)上升，并向低温熔池边缘流动。随着扫描速度的增加，熔
池内冷却速率增大，温度梯度增大，熔池体积减小，平均晶粒尺寸增加。预测
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冷却速率的量级为10K/s，温度梯度的量级为10K/m。随着激光功率的增大
和预热温度的增加，熔池内温度升高，金属液紊乱度增加，流动加剧，金属液
蒸发并出现局部匙孔现象；冷却速率降低，温度梯度增大，导致平均晶粒尺寸
增加；对Y和Nd元素，晶间溶质富集程度增加；对于Zr元素，晶间溶质贫乏
程度更为明显。在LSR过程中，由高冷却速率引起的热过冷作为有效过冷的主
-I-
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要部分，是激活大量形核的主导因素，熔池内晶粒典型特征为细小等轴晶组织。
所建立的多尺度三维模型有助于综合预测Mg-4Y-3Nd-0.5Zr合金在LSR过程中
微观组织和微观偏析的形成，有助于优化实际LSR过程。
关键词激光表面重熔；晶粒细化；Mg-RE-Zr合金；尖锐界面模型
-II-
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NumericalSimulationofMacro-Microstructural
EvolutioninMg-4Y-3Nd-0.5ZrAlloythroughLaser
SurfaceRemelting
Abstract
LaserSurfaceRemelting(LaserSurfaceRemelting,LSR)representsanadvanced
surfacemodificationtechnologythathasgainedprominenceinrecentyears.This
processinvolvesalteringthephasecompositionandmicrostructureofthesubstrate
materialusingafocusedlaserbeam.TheprimaryobjectiveofL