激光熔覆中熔池流动与凝固过程的数值研究(2)
1.1 激光熔覆
1.1.1 激光熔覆技术简介
激光熔覆是一项较为新颖的表面改性技术，它不仅改变了材料表层组织的物理状态，同时也改变了材料表面的化学成分[1]。熔覆层性能与涂层材料原始成分、基体材料的种类相关，并且还与激光作用参数有关[2]。激光熔覆与堆焊、热喷涂、化学镀等原先的表面改性技术相比较,激光熔覆技术具有下列特点:其适用的材料体系更为广泛,可以在低熔点金属表面熔覆具有高熔点的合金,得到完全致密的冶金结合层；由于激光是高单色性、高方向性、高相干性和高亮度的电磁波,所以它的能量密度高,且激光熔覆的快速加热以及高达105~106km/s的冷却速度,使得熔池熔体凝固速度较快,涂层组织可以得到有效改善,甚至产生具有新性能的组织结构,如亚稳相、非晶相、超弥散相等[3];激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的微观结构、与基材良好的结合性、均匀的化学组成。综上所述，激光熔覆加工可以提高材料基体表面的耐腐蚀、耐磨损等性能，激光熔覆技术可以得到更加优质的熔覆层，所以它的使用也越来越广泛。
1.1.2 激光熔覆工艺简介
激光熔覆工艺技术含有三部分内容:第一是熔覆材料的选取、第二是材料的添加方法以及第三的激光工艺参数的设计。熔覆涂层材料的选取主要有自熔性合金粉、复合粉末两种。自熔性合金粉末是在熔点较低、自身能起熔剂作用的合金中加入具有强烈脱氧作用、自熔剂作用的Si、B等元素的熔覆合金材料,其使用范围比较广泛；复合粉末是指在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,仅仅使用Ni基、Co基、Fe基自熔性合金已不符合使用要求,这时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒,制成复合涂层,制备完成后使得其具有很高的硬度和良好的耐磨性[4]。
关于激光熔覆工艺方法分为一步法和两步法。一步法又分为同步送粉法与同步送丝法，二步法分为预置涂覆层法与预置片法[5]。
1.1.3 激光熔覆模拟简介
激光熔覆技术在材料表面改性、对工件表面局部损伤的修复、制备表面复合涂层材料和材料快速成型等方面得到了比较多的应用。然而，由于目前的激光熔覆技术还存在不足之处，得到的熔覆层存在裂纹、气孔和杂质等缺陷。为了改善熔覆工艺，提高熔覆覆层质量，避免覆层组织缺陷，必须要了解激光、粉末及基体三者间的相互作用机制[6]。
激光熔覆的工艺特点：当高功率激光束与金属相互作用熔融产生熔池后,其会较快速自冷，凝固形成合金覆层。熔覆层质量的好坏与熔池内冶金动力学过程密切相关。激光熔覆熔池内存在传热、传质、对流及气液界面冶金反应和固液界面扩散等现象,直接影响熔池形状及其他冶金物理性能。由于激光熔覆时局部快速加热至高温、动态熔化的过程,熔池尺寸很小,且温度极高,并伴随着极其快速得快速冷却,而随着热源的移动,整个熔覆件的温度随时间和空间急剧变化,材料的热物理性能也随着温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变潜热因素，用一般常规的检测手段难以获得相关温度场、流场的准确信息。所以用试验方法来测量熔池内部熔体的流动和温度、应力分布以及熔池表面粉末、熔池、光束的相互作用和表面形状的形成机理是非常困难的。因此，采用有限元法数值模拟是较为有效的方法。
至今为止，国内外学者专家采用数值模拟技术，对激光熔覆过程进行了多方面的考察与研究，建立了大大小小形式不同的数学模型。赵永等[7]建立了简化了的二文非稳态温度场的数值模型，模拟了平板工件的激光熔覆过程，利用 ANSYS 软件对温度场的分布进行了模拟求解。哈尔滨工业大学的徐庆鸿等[8]建立了激光熔覆过程的数值模型，利用有限元方法进行了计算，并与实际情况相比较。
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