在航空航天、汽車(chē)、石油化工等領(lǐng)域，鍍鉻是最常用的電沉積鍍層，具有硬度高、耐磨、摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)。但是六價(jià)鉻的電流效率很低，電鍍時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量酸霧。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）已將六價(jià)鉻明確列入17種高風(fēng)險(xiǎn)有毒物質(zhì)之一。我國(guó)電鍍廠(chǎng)每年排放廢水4×109 立方米，其中約50%不符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重污染了水土資源。

高速激光熔覆是一種可以替代硬鉻電鍍的工藝，采用高能激光束照射涂層和基材，使其熔化成冶金結(jié)合涂層。這種新型的耐磨、耐腐蝕表面處理技術(shù)是未來(lái)的重要發(fā)展方向。2016年，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所首次提出超高速激光應(yīng)用可以提高熔覆率，最大限度減少熱平衡造成的能量損失，從而減少熔池中粉末顆粒熔化所需的時(shí)間。絕大部分激光能量會(huì)被用來(lái)加熱粉末顆粒，其余能量則被用于輻射基體表面以形成熔池，從而大大減少粉末在熔池的熔化時(shí)間，將激光掃描速度翻倍。

因此，在超高速激光熔覆過(guò)程中，激光掃描的線(xiàn)速度通常可達(dá)50-200米/分鐘。較高的激光掃描速度還能減少單位時(shí)間熔池內(nèi)的粉末輸入量，熔覆層厚度僅為25-250微米，足以保護(hù)基材，同時(shí)還能提高粉末材料的利用效率。

熔池問(wèn)題是激光熔覆的基本問(wèn)題。由于熔池是一個(gè)具有重量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，粉末流的各種物理參數(shù)特性會(huì)影響熔池的動(dòng)態(tài)平衡。因此，研究粉末流是一項(xiàng)不可忽視的重要工作。本文研究了超高速熔覆層的粉末動(dòng)力學(xué)和粉末溫度場(chǎng)。數(shù)值模擬是研究激光熔覆過(guò)程的一個(gè)主要方法。開(kāi)發(fā)超高速激光熔覆粉末溫度場(chǎng)的數(shù)值模型，不僅可以分析超高速激光熔覆技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和流程規(guī)則，也可以為研發(fā)人員提供更多的技術(shù)信息和研發(fā)理念，減少流程實(shí)驗(yàn)的試錯(cuò)率。

實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由DILAS DL030R半導(dǎo)體激光器、以色列OPHIR Comet 10K-HD功率計(jì)、武鋼-HG大型設(shè)備有限公司W(wǎng)GHG-1送粉器以及同軸四向送粉管激光熔覆頭組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)為980微米，最大輸出激光功率為3千瓦，聚焦系統(tǒng)在聚焦平面上輸出的光斑是尺寸為3平方毫米的矩形。實(shí)驗(yàn)用的金屬粉末是武漢華工激光公司生產(chǎn)的HGLC30鐵基金屬粉末，成分為0.2C-16Cr-0.8Ni-bal. Fe。粉末顆粒的平均粒徑是30微米。實(shí)驗(yàn)使用的氣體是高純氬氣。

為了測(cè)量激光經(jīng)過(guò)粉末后的功率衰減，采用如圖1（b）所示的功率測(cè)量方法。但不同的是，在熔覆頭下方加裝了一塊厚度為5毫米的金屬保護(hù)板，打了一個(gè)直徑約為10毫米的中心孔，保證激光束能完全穿過(guò)這個(gè)小孔。小孔下方設(shè)置了沿水平方向流動(dòng)的高速保護(hù)氣幕。當(dāng)金屬粉末穿過(guò)小孔時(shí)，高速氣幕會(huì)對(duì)它施加橫向的加速力，使所有穿過(guò)孔的粉末顆粒向右飛出（氣幕的粉末流方向）。

同時(shí)，在保護(hù)板下方一定距離處放置激光功率計(jì)，檢測(cè)輸送的激光功率。通過(guò)改變?nèi)鄹差^與防護(hù)板之間的距離，測(cè)量穿透距離變化導(dǎo)致的激光能量衰減。通過(guò)改變送粉速度，得到對(duì)激光能量衰減的數(shù)據(jù)。

超高速激光熔覆系統(tǒng)的仿真參考模型來(lái)自武鋼-HG集團(tuán)。該系統(tǒng)主要由4千瓦半導(dǎo)體激光器、超高速激光熔覆頭、中央控制系統(tǒng)、四軸三聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床、自動(dòng)送粉機(jī)、電源、水冷系統(tǒng)等組成。整個(gè)過(guò)程如圖2所示。由于此設(shè)備是臺(tái)完整的機(jī)床，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作狀態(tài)。該超高速激光熔覆系統(tǒng)主要用于軸向工件表面的強(qiáng)化以及重復(fù)給氣。

粉末流場(chǎng)模型

在激光熔覆過(guò)程中，粉末流是一個(gè)復(fù)雜的兩相流問(wèn)題。由于氣體中粉末的容積率小于10%，在模型模擬中，將氣相視為連續(xù)項(xiàng)，可以通過(guò)時(shí)間平均的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程求解出。在拉格朗日坐標(biāo)系下，可以通過(guò)在計(jì)算域內(nèi)追蹤一定數(shù)量的粉末顆粒，獲得粉末流的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在激光熔覆過(guò)程中，載氣與金屬粉末組成的兩相流的雷諾數(shù)大于2000。粉末流具有湍流特性，因此有必要利用湍流模型求解連續(xù)項(xiàng)的重量方程和動(dòng)量方程。可以用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型按時(shí)間平均方式求解。

當(dāng)離散相（粉末顆粒）體積小于流體總體積的10%時(shí)，可采用離散相模型計(jì)算粉末顆粒在流場(chǎng)中的軌跡。在流體軟件中，在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)作用在顆粒上的力進(jìn)行積分，得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于氣體流動(dòng)是紊流，需要考慮金屬顆粒是否夠重，不受紊流速度微小波動(dòng)的影響。在本文所討論的模型范圍內(nèi)，斯托克斯數(shù)值遠(yuǎn)大于1，表明顆粒重量足夠大，不會(huì)受湍流速度波動(dòng)的影響。

為了降低模型的復(fù)雜性，提高計(jì)算效率，流場(chǎng)模型的建立基于以下假設(shè)條件：
（1）假設(shè)保護(hù)氣體和摻有金屬粉末的載氣均以恒定的初速進(jìn)入計(jì)算域，且粉末顆粒在進(jìn)入計(jì)算域前與載氣具有相同的初速；
（2）因?yàn)槟M過(guò)程是基于恒送粉、恒給氣的工藝參數(shù)，模型主要分析穩(wěn)態(tài)情況，采用壓差分離求解器；
（3）在離散相模型中考慮顆粒的力平衡時(shí)只考慮拖曳力、慣性力和重力。 由于顆粒占?xì)怏w總體積不到10%，且濃度較低，因此可忽略顆粒碰撞對(duì)軌跡的影響。由于顆粒的重量和濃度較低，因此可忽略顆粒對(duì)氣流場(chǎng)的影響；
（4）考慮到本文的研究?jī)?nèi)容以及降低計(jì)算成本的需求，本模型假設(shè)粉末都是相同尺寸的球形顆粒。
粉末流的計(jì)算結(jié)果可以通過(guò)高速攝像機(jī)驗(yàn)證。圖3是通過(guò)高速攝像得到的粉末流狀態(tài)與通過(guò)仿真得到的粉末流狀態(tài)的對(duì)比圖。從圖3（a）看到，在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)粉束飛離送粉管時(shí)，粉末在熔覆頭以下13毫米處匯聚，形成13-22毫米的高濃度匯聚區(qū)，然后粉末開(kāi)始劇烈偏移。對(duì)比圖3（b）模擬結(jié)果，可以看到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，證明模型流場(chǎng)的模擬結(jié)果可靠。

針對(duì)不同送粉方式的能量衰減分析

為了研究穿過(guò)粉末流的激光衰減規(guī)律，模擬了傳統(tǒng)同軸四路的粉末流噴嘴的粉末匯聚，以及在不穩(wěn)定顆粒追蹤模式下的超高速粉流噴嘴的粉末匯聚，條件是粉末粒徑30微米，送粉速度21克/分鐘，如圖4所示。

采用理想的方形半導(dǎo)體激光光斑作為傳統(tǒng)的同軸四路粉末流噴嘴的光源模型，光斑尺寸3毫米。在超高速粉末流噴嘴上采用的是理想的環(huán)形激光光斑，光斑焦平面直徑為1.8毫米，初始激光功率是920瓦。

圖4顯示，粉末流在激光熔覆頭下方約10毫米處進(jìn)入激光輻射區(qū)域。但在相同送粉速度下，超高速激光熔覆頭軸向粉末濃度峰值大于500公斤/立方米，在熔覆噴嘴下方10.5-28.5毫米高度可保持較高的粉末濃度，而同軸四路的粉末流噴嘴的軸向粉末濃度峰值僅為7公斤/立方米左右，高粉末濃度區(qū)域位于熔覆頭下方10.7-24毫米。因此，超高速激光熔覆頭具有更好的粉末匯聚效應(yīng)，高粉末匯聚區(qū)比同軸四路的粉末流噴嘴的更長(zhǎng)。

結(jié)合激光功率的軸向變化曲線(xiàn)，可以看到同軸四路的粉末流噴嘴，激光經(jīng)過(guò)高粉末濃度區(qū)時(shí)，在熔覆頭下方24毫米處能量衰減19%以上。而超高速粉流噴嘴的能量衰減可以達(dá)到80%。在高粉末濃度區(qū)外，速度衰減趨于平緩，衰減小于5%。

研究發(fā)現(xiàn)：激光功率的衰減趨勢(shì)與粉末匯聚濃度有一定的“同步”性。對(duì)于兩種熔覆方式，激光能量衰減在粉末濃度高的區(qū)域較大，之后趨于平緩。更重要的是，激光功率進(jìn)入高濃度區(qū)域后的衰減趨勢(shì)具有高斯函數(shù)的特性，所以可以用高斯函數(shù)描述送粉后激光功率的衰減狀態(tài)。

粉末粒徑對(duì)激光能量衰減的影響

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了兩種激光熔覆頭對(duì)粒徑分別為30、45、60、75、90微米時(shí)的粉末匯聚過(guò)程。 圖5（a）顯示了超高速粉末流噴嘴對(duì)粒徑分別為30、60、90微米時(shí)的粉末流匯聚情況。可以發(fā)現(xiàn)，雖然粒徑不同，但粉末流會(huì)在熔覆頭以下8-10 毫米左右匯聚，這是由熔覆頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)所決定，幾乎不受粉末粒徑等參數(shù)的影響。

圖5（b）是激光穿透不同粒徑粉末約15毫米后的能量衰減結(jié)果。激光功率的衰減隨粒徑的增大而減小。同時(shí)，環(huán)形熔覆噴嘴的粉末對(duì)激光功率有較強(qiáng)的衰減能力，衰減保持在50%以上。同軸四路的粉末流噴嘴的激光能量衰減，明顯弱于超高速環(huán)形熔覆噴嘴的。當(dāng)粒徑為30微米時(shí)，激光能量衰減僅為18%。

隨著粉末顆粒尺寸增大，單位時(shí)間內(nèi)飛入激光輻射區(qū)域的粉末數(shù)量會(huì)顯著減少。當(dāng)粒徑為90微米時(shí)，激光能量的衰減僅為5%。小粒徑粉末云接收激光輻射的總顆粒面積明顯大于大粒徑粉末云，說(shuō)明小粒徑粉末云具有更強(qiáng)的激光衰減能力。

送粉速度對(duì)激光能量衰減的影響

送粉速度會(huì)直接影響激光輻射區(qū)域內(nèi)的粉末濃度，進(jìn)而影響粉末對(duì)激光能量的衰減。圖6（a）是送粉速度分別為10克/分鐘和42克/分鐘時(shí)，超高速粉末流動(dòng)噴嘴的粉末匯聚情況。

在圖6（b）中，送粉速度依次為10、21、31、41克/分鐘。粉末粒徑為30微米，激光在粉末中的穿透距離為10毫米。從圖6（b）的曲線(xiàn)可以看出，激光穿粉的能量衰減隨著送粉速度的增加而增大。但激光衰減隨送粉率的變化并不是呈線(xiàn)性變化，當(dāng)送粉速度超過(guò)一定值時(shí)，衰減會(huì)明顯減小。

以環(huán)形熔覆噴嘴為例，當(dāng)送粉速度從10克/分鐘增加到20克/分鐘時(shí)，激光功率衰減迅速增大，說(shuō)明此范圍內(nèi)激光功率被粉末大大衰減了。而當(dāng)送粉量超過(guò)20克/分鐘時(shí)，激光能量的衰減開(kāi)始放緩，可以認(rèn)為此時(shí)粉末匯聚區(qū)粉末濃度趨于“飽和”，對(duì)激光能量衰減的影響減小了。

激光能量衰減實(shí)驗(yàn)

在送粉速度為21克/分鐘時(shí)，利用激光功率計(jì)測(cè)量不同高度發(fā)射激光的功率，與仿真結(jié)果對(duì)比后得到的曲線(xiàn)，如圖7（a）所示。用激光功率計(jì)測(cè)量熔覆噴嘴與防護(hù)板距離為20毫米時(shí)不同送粉速度下的激光功率，與仿真結(jié)果對(duì)比得到后的曲線(xiàn)，如圖7（b）所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在形狀上比較吻合，但整體數(shù)值不一致。隨著溫度升高，粉末顆粒對(duì)激光能量的吸收速度也會(huì)增大，因此實(shí)驗(yàn)中得到的激光能量衰減會(huì)略高于模擬結(jié)果。粉末顆粒對(duì)激光的散射也會(huì)引起透射光的衰減。

此外，由于存在發(fā)散角，實(shí)際傳輸過(guò)程中激光束會(huì)變寬，會(huì)有更多粉末落在熔覆頭與功率計(jì)之間的光束區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致激光能量衰減。實(shí)驗(yàn)中的激光功率是920瓦，進(jìn)氣速度是4升/分鐘。

由圖7（a）可知，當(dāng)熔覆噴嘴與保護(hù)板距離約為5毫米時(shí)，受金屬粉末影響，激光功率開(kāi)始衰減。當(dāng)送粉高度在10-25毫米左右時(shí)，激光功率衰減速度最快?？梢酝茢啵勰舛仍谌鄹矅娮煜路?0-25毫米范圍內(nèi)達(dá)到最高，因此可將該范圍視作粉末濃度較高區(qū)。這個(gè)范圍也接近模擬預(yù)測(cè)的高濃度范圍（10.7-24毫米）。對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的激光功率衰減點(diǎn)在5毫米左右，而仿真曲線(xiàn)的激光功率衰減點(diǎn)在10毫米左右。兩種曲線(xiàn)在熔覆頭下方約25毫米處開(kāi)始穩(wěn)定，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)量的激光衰減曲線(xiàn)也具有高斯函數(shù)特性。

從圖7（b）的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出，粉末對(duì)激光能量的衰減效應(yīng)隨送粉速度的增加而增大，但不呈線(xiàn)性函數(shù)特性。當(dāng)送粉率從20克/分鐘增加到30克/分鐘時(shí)，激光衰減增加了約11%，但當(dāng)送粉率從3040克/分鐘增加到40克/分鐘，激光衰減只增加了6%，表明粉末對(duì)激光能量衰減效應(yīng)降低了。

所以，很可能存在一個(gè)最佳的送粉速度。當(dāng)送粉速度小于該值時(shí)，隨著送粉速度增加，粉末對(duì)激光的衰減效應(yīng)呈線(xiàn)性增大。而當(dāng)送粉量大于該值時(shí)，雖然粉末對(duì)激光能量的衰減效應(yīng)仍在增加，但衰減效應(yīng)總體是降低的。由圖可知，同軸四路的粉流噴嘴的最佳送粉速度約為30克/分鐘。

激光加熱粉末溫度場(chǎng)的影響因素

在超高速激光熔覆過(guò)程中，激光與粉末的相互作用主要包括兩個(gè)因素：激光能量受粉末的衰減以及激光對(duì)粉末的加熱過(guò)程。當(dāng)粉末粒徑增大時(shí)，粉末暴露在激光輻射下的面積增大，但粉末重量也會(huì)增大。

由于重力加速度和氣體流量的影響，粉末在激光輻射區(qū)內(nèi)的飛行速度增大，導(dǎo)致粉末在激光輻射區(qū)內(nèi)停留時(shí)間縮短，對(duì)激光能量的吸收減少。載氣的還原也是影響粉末加熱過(guò)程的一個(gè)重要因素。由于粉末的流動(dòng)速度受載氣流量影響，低速氣流會(huì)降低粉末的飛行速度，增加粉末在激光輻射區(qū)停留的時(shí)間。但是載氣速度過(guò)慢不可避免地會(huì)影響粉末的匯聚性。