田美玲，石世宏，傅戈雁，石皋蓮

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021）

激光熔覆快速成形技術(shù)（Laser Cladding for Rapid Manufacturing，LCRM）是目前國(guó)際激光材料加工領(lǐng)域的研究前沿之一。它將現(xiàn)有的快速成形技術(shù)從非金屬的模型推進(jìn)到各種金屬和高溫合金零件直接成形的新高度，是快速成形技術(shù)與激光材料加工技術(shù)的集成。大量文獻(xiàn)表明，激光熔覆成形伴隨有傳熱、輻射、對(duì)流、結(jié)晶等一系列的物理變化過(guò)程，這些過(guò)程很大程度上取決于熔池的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并直接影響熔池的形狀及熔覆層的組織性能。在強(qiáng)激光條件下，金屬粉末與基體熔覆成形過(guò)程中，熔池內(nèi)的對(duì)流、傳熱和傳質(zhì)都會(huì)引起溫度場(chǎng)和熔池流場(chǎng)的變化，直接影響材料凝固組織形態(tài)及固態(tài)相變組織結(jié)構(gòu)，從而最終決定組織形態(tài)及各種缺陷分布。因此，對(duì)中空激光光內(nèi)送粉熔覆成形過(guò)程中熔池的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，能從理論上掌握熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布和變化。分析影響熔覆成形質(zhì)量的材料因素和工藝因素，對(duì)于選擇合適的工藝參數(shù)、保證熔覆層質(zhì)量具有重要的意義。

1 光內(nèi)同軸送粉光粉耦合原理

送粉激光熔覆實(shí)際上是激光束、粉末及熔池相互熱作用的過(guò)程，而激光束與粉末幾何耦合取決于光和粉末的空間動(dòng)態(tài)位置，激光物理冶金過(guò)程及熔覆件的質(zhì)量與激光、粉末的幾何耦合精度密切相關(guān)。針對(duì)光外同軸送粉的缺點(diǎn)，本課題組采用自主研制的光內(nèi)同軸送粉噴嘴[1-2]，送粉噴嘴的粉末流見(jiàn)圖1。

圖1 光內(nèi)同軸送粉原理圖

粉管位于光束內(nèi)部，進(jìn)行送粉時(shí)，粉末居中豎直降落，激光環(huán)繞包圍粉末，粉束與激光束始終能實(shí)現(xiàn)同軸。粉末通過(guò)送粉噴嘴從環(huán)形光中間的無(wú)光區(qū)垂直下落到熔池中，粉斑與光斑同軸，粉末流與激光束同軸分布，激光光斑d1大于粉斑d2，粉末流束可形成很細(xì)的一束，且相互作用位置固定。這種光內(nèi)同軸送粉的激光與金屬粉末的最后輸變與當(dāng)今最常用的多路同軸送粉的光粉輸變?cè)聿煌?，由于激光束存在一個(gè)焦深，讓其先擴(kuò)束，再匯聚，而金屬粉末不需要擴(kuò)束，豎直下落，可大大提高送粉精度和粉末利用率，使成形零件的精度得到很大的提高，而且光和粉的耦合穩(wěn)定性比光外多路同軸送粉要好得多。

2 環(huán)形中空激光光斑內(nèi)能量分布

2.1 環(huán)形中空激光光斑內(nèi)能量分布模型

激光熔覆成形零件質(zhì)量的高低與激光熔池內(nèi)的物理過(guò)程密切相關(guān)。在激光熔覆快速成形過(guò)程中，激光束、熔覆粉末與基體之間極快速地相互作用，熔化、對(duì)流、凝固、擴(kuò)散和相變等冶金現(xiàn)象非常復(fù)雜，涉及到動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳熱學(xué)等機(jī)理，它們直接影響激光熔池的形貌、組織和成分均勻性、偏析及其他物理冶金性能。環(huán)形中空激光光斑內(nèi)的能量分布與光斑大小有關(guān)，光斑大小又與離焦量及光圈內(nèi)外徑之比有關(guān)。因此，研究環(huán)形中空激光光斑內(nèi)的能量分布[3]，可從理論上為研究環(huán)形激光光內(nèi)送粉激光熔覆快速成形的溫度場(chǎng)建立一定的基礎(chǔ)。

圖2 是基模狀態(tài)下環(huán)形激光光斑靜止輻照的二維能量分布圖，它反映了沿激光掃描方向吸收光能的分布情況。中間部分的能量明顯較低，而兩側(cè)溫度梯度較高，熔覆層表面的張力增大，熔道兩側(cè)不易出現(xiàn)實(shí)心高斯激光熱源易出現(xiàn)的欠熔和熔不透情況，熔覆件側(cè)壁的表面粗糙度較好。

圖2 環(huán)形激光光斑能量分布示意圖

2.2 占空比對(duì)能量密度分布的影響

占空比是指環(huán)形光內(nèi)徑與外徑之比，用K 表示。圖3 是不同占空比時(shí)的環(huán)形激光光斑能量分布情況。隨著K 的增大，中間部分的能量逐漸降低，而兩側(cè)溫度梯度逐漸減??；K 太大，光圈中心易出現(xiàn)欠熔和熔不透；K 太小，能量密度分布類似實(shí)心高斯光，中心溫度高，熔道兩側(cè)易出現(xiàn)欠熔和熔不透，熔覆件側(cè)壁表面較粗糙。另外，在環(huán)形光熔池形貌上，由于實(shí)驗(yàn)中會(huì)受到環(huán)形光質(zhì)量及占空比等多因素影響，熔池的實(shí)際形狀與理想模型下得到的結(jié)論稍有區(qū)別。通常，實(shí)驗(yàn)選擇的占空比為0.3 左右，其能量雙峰位置相距較近，無(wú)明顯的雙熔池現(xiàn)象；當(dāng)占空比較大時(shí)，"馬鞍"形雙峰相距較遠(yuǎn)，環(huán)形光兩側(cè)能量分布較高，中間能量較低，與金屬材料作用時(shí)，在環(huán)形光兩邊會(huì)形成明顯的雙熔池現(xiàn)象。

圖3 離焦量一定、占空比變化時(shí)的激光能量分布圖

2.3 離焦量對(duì)能量密度分布的影響

離焦量對(duì)能量密度分布的影響也很明顯。圖4是占空比一定、離焦量由大變小時(shí)，沿掃描方向吸收光能的分布靜止輻照的二維圖。圖中反映出占空比一定時(shí)，隨著離焦量的減小，光斑的內(nèi)外圈明顯減小，但光斑掃描能量分布的形狀卻未發(fā)生變化，這有利于保證在離焦?fàn)顟B(tài)下熔覆過(guò)程的穩(wěn)定性。然而，占空比不變是指幾何不變，因光存在衍射等原因，實(shí)驗(yàn)證明占空比在物理光學(xué)上是變化的，離焦量的變化會(huì)引起光斑直徑的變化，從而引起占空比的變化。

圖4 占空比一定、離焦量變化時(shí)的激光能量分布圖

總之，激光作用的能量密度對(duì)成形過(guò)程起著非常關(guān)鍵的作用。從微觀角度看，實(shí)心激光束中心的能量相對(duì)集中，而熔池邊緣能量相對(duì)較低，易造成熔覆層間外側(cè)冶金結(jié)構(gòu)不完全。環(huán)形激光光束中心的能量分布較均勻，熔池邊緣能量較高，激光作用的熱積聚效應(yīng)也使光斑中心位置的熱量保持在一定水準(zhǔn)，從而可獲得質(zhì)量均勻的快速成形零件。

3 環(huán)形中空激光熔池三維流場(chǎng)理論分析

在強(qiáng)激光作用下，激光熔覆的熔池內(nèi)存在著金屬熔體的對(duì)流。圖5 是對(duì)實(shí)心高斯激光束作用下的熔池流場(chǎng)進(jìn)行的數(shù)值模擬，即：在橫截面上，熔池中心的流動(dòng)是由下向上逐漸增大的，熔池邊緣達(dá)到最大（圖5b）；然后再向下流動(dòng)，從而形成了左、右對(duì)稱的雙對(duì)流環(huán)。而在縱截面上，也存在兩個(gè)環(huán)流，由熔池中心向外流動(dòng)，但呈不對(duì)稱分布，這是由于光斑運(yùn)動(dòng)引起的（圖5a）。另外，在熔池頂部沒(méi)有對(duì)流環(huán)存在，僅從中心向外流，這種對(duì)流方式所引起的外表熔覆層會(huì)形成中間高、兩側(cè)低的形狀（圖5c）。

圖5 實(shí)心圓形激光熔池內(nèi)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬圖

本實(shí)驗(yàn)采用的環(huán)形中空光能量分布相當(dāng)于雙高斯曲線的疊加，其對(duì)流機(jī)制與傳統(tǒng)圓形光束的對(duì)流機(jī)制有所區(qū)別。圖6 是環(huán)形光束下的激光熔池流場(chǎng)分布，可看出：在橫截面上，環(huán)道的中心成為溫度最高的區(qū)域，流動(dòng)由下向上逐漸增大，熔池邊緣達(dá)到最大，之后繼續(xù)向下流動(dòng)，形成了左右對(duì)稱的四對(duì)流環(huán)圖案（圖6b）。在縱截面上，由于光束偏向一側(cè)，則引起了不對(duì)稱的對(duì)流環(huán)（圖6a）。而在熔池頂部則沒(méi)有對(duì)流環(huán)，但從環(huán)形熔道的中心向四周流動(dòng)，形成一個(gè)類似封閉的環(huán)流（圖6c）。這種對(duì)流方式使得到的熔覆層表面較平整。

圖6 環(huán)形中空離焦激光熔池內(nèi)三維流場(chǎng)示意圖

4 中空激光快速成形過(guò)程的溫度場(chǎng)分布

4.1 單層熔覆

基于本文提出的環(huán)形光源比一般激光光源存在一定的優(yōu)勢(shì)，采用在厚度方向逐層疊加方法建立沉積層有限元計(jì)算的幾何模型，并逐層激活層單元的計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)邊界，以充分模擬真實(shí)的熔覆過(guò)程[4-6]。模擬選用基體材料為45 鋼，熔覆層粉末為Fe313。在其他工藝參數(shù)相同的條件下，分別采用單層熔覆與多層熔覆進(jìn)行熔池溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。

圖7a～圖7f 是在功率為3000 W，光斑直徑為4 mm，掃描速度為5 mm/s，占空比K=0 的條件下，作用時(shí)間為激光掃描單元所需時(shí)間，單道單層激光快速成形每隔0.8 s 的溫度場(chǎng)變化圖。可看出，被激活的單元具有熔池表面溫度1755 ℃，激光光斑中心的溫度達(dá)到1736 ℃，高于Fe313 粉末的熔點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鐵粉的熔化，形成了熔池，產(chǎn)生了液相。隨著掃描時(shí)間的增加，激光束在基板和熔覆層表面經(jīng)過(guò)的距離越長(zhǎng)，溫度場(chǎng)也發(fā)生了明顯變化，時(shí)間越長(zhǎng)，溫度逐步升高，從1079 ℃逐步升高到1720 ℃。

圖7 單層熔覆溫度場(chǎng)演變過(guò)程

圖8 是單層熔覆實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)紅外測(cè)溫儀裝置實(shí)時(shí)采集的熔池溫度變化情況。隨著熔覆的繼續(xù)，熔池溫度呈明顯上升的趨勢(shì)。模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖8 紅外測(cè)溫儀裝置實(shí)時(shí)采集熔池溫度變化情況

4.2 多層熔覆

圖9 是熔覆層在同一方位不同層高的溫度場(chǎng)分布演變?cè)茍D?？煽闯?隨著沉積層數(shù)的增加，熔池溫度也呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)榧す饽芰坎粩嘧⑷耄瑢?dǎo)致在熔覆層堆積過(guò)程中，熱量會(huì)一直積累，致使熔池溫度逐步上升；熔覆第6 層時(shí)，熔池最高溫度達(dá)2287 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵粉的熔點(diǎn)，最終使工件當(dāng)前熔覆層向下塌陷，導(dǎo)致工件橫截面成蘑菇狀。隨著熔覆層高度的增加，基板溫度也呈上升趨勢(shì)。

圖9 熔覆層高度方向溫度場(chǎng)分布演變?cè)茍D

在高層熔覆堆積過(guò)程中，熔覆層質(zhì)量的好壞與熔池是否穩(wěn)定有關(guān)。熔池的穩(wěn)定又靠溫度來(lái)保證，溫度過(guò)高會(huì)引起熔覆層過(guò)燒，溫度過(guò)低會(huì)造成金屬粉末的液相減少，熔覆不充分。一方面，在掃描速度不變的情況下，中空環(huán)形激光的能量密度數(shù)值會(huì)由于離焦量的變化而變化，只有通過(guò)調(diào)整激光功率，才能保證激光能量密度不變；另一方面，高層堆積中，總能量為熔池吸收的能量與損耗的能量之和，熔池溫度由吸收能量來(lái)保證，而損耗能量主要由熔池的散熱情況決定。隨著堆積層數(shù)的增加，熔池由三維散熱變?yōu)槎S散熱，損耗能量減小，為了使總能量保持不變，即熔池溫度保持穩(wěn)定，需相應(yīng)減小吸收能量，因此，需實(shí)時(shí)減小功率。圖9 所示結(jié)論能為激光熔覆高層堆積中功率的調(diào)節(jié)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）光內(nèi)同軸送粉成形過(guò)程中，粉流穩(wěn)定易控，光粉耦合性更理想；環(huán)形中空激光能量呈“月牙”或“馬鞍”形分布，其能量分布更合理，有利于形成質(zhì)量良好的熔覆層，也有利于金屬粉末的均勻化和粉末有效利用率的提高。

（2）環(huán)形中空激光的占空比和離焦量的變化對(duì)能量密度分布有顯著影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須選擇合適的占空比和離焦量，以保證熔覆成形件的表面質(zhì)量。另外，對(duì)環(huán)形激光與金屬粉末相互作用的熔池流場(chǎng)進(jìn)行了分析，環(huán)形中空光的熔池具有兩對(duì)四環(huán)對(duì)流特點(diǎn)。

（3）環(huán)形中空激光單層和多層熔覆過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果表明：隨著熔覆層高度的增加，基板和熔池的溫度會(huì)越來(lái)越高；激光束在基板和熔覆層表面經(jīng)過(guò)的距離越長(zhǎng)，溫度場(chǎng)也發(fā)生明顯變化，時(shí)間越長(zhǎng)，溫度逐步升高。因此，在激光熔覆成形過(guò)程中，必須對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以保證成形過(guò)程的順利進(jìn)行。

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