条形光束激光熔覆的熔池特征及涂层力学性能研究

The formation and solidification of melten pool is the key scientific problems in laser cladding process. The characteristics of molten pool determine the final mechanical properties of the coatings. Aiming at high demands in quality and performance of surface coatings of metal parts from modern industry application, investigations on characteristics of molten pool and mechanical properties of coating in laser cladding process with shaped strip beam will be carried out. In this project, shaped strip beams are adopted to break through the intensity distribution limit of multimode Gaussian beam direct output from industrial laser. The formation and evolution of molten pool and the morphology of free interface in molten pool are studied; the transient temperature field and velocity field of molten pool are simulated and analyzed；the microstructure、the micro defects and the residual stress generation/evolution in the solid-liquid interface during the solidification process of molten pool are discussed; coating performance formed by strip beams with different intensity distributions are measured by advanced detecting technology ; the influences of process parameters on the cladding layer performance are explored. These researches raised in the project will lay scientific foundation on control of quality and properties of laser cladding coating.

熔池的形成和凝固过程是激光熔覆的核心科学问题，熔池特征决定着涂层最终的力学性能。针对现代工业应用对激光熔覆金属零件表面涂层高质量、高性能的严苛要求,本项目采用整形后的条形光束作为激光热源，突破工业激光器原始输出的多模高斯圆形光束在空间强度分布上的局限性，开展条形光束激光熔覆的熔池特征及涂层力学性能研究。主要包括以下内容：研究条形激光束作用下熔池形成、演化及熔池自由界面形貌;开展熔池瞬态温度场和流体速度场的数值模拟及力学分析；研究条形激光束熔池凝固过程中固液界面区的微结构、微缺陷及残余应力的产生和演化；研究条形激光熔覆涂层的力学性能，结合数值模拟结果与先进的检测技术，探索工艺参数对涂层性能的影响规律。通过本项目的研究深入理解条形激光熔覆过程中熔池演化的机理，为工艺参量与熔覆层性能的量化控制提供科学依据。

激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等服役性能，作为送粉式激光增材制造过程，激光束能量的输入和粉末流质量添加是影响其熔池特征和涂层性能的决定性因素。本项目以条形激光束为热源，突破激光器直接输出的圆形高斯光束在空间强度分布上的局限性，结合激光束能量分布、粉末流特性以及基体材料特性，研究了在激光、粉末、基体共同作用下，熔池的形成、演化和凝固，探索了激光束能量密度分布和工艺参数对熔池形貌、沉积形貌和凝固组织的影响。研究了同轴粉末流场的特征，分析了载粉气流量、保护气流量和送粉率等对粉末流浓度分布的影响，结合粉末流的离散相模型和条形光束尺寸，设计了新型的宽带送粉喷嘴结构，采用可分流的内部结构，多通道的出口形式，获得浓度分布较均匀的宽带粉末流场。建立了激光熔覆过程的三维瞬态模型，考虑了粉末添加、熔化潜热、对流换热和气液界面的追踪。提取了与熔池驱动力、传热、流动、传质等相关的无量纲参数，研究了在不同热、质输入条件下的熔池特征。研究了条形光束作用下的熔池传热和流动，对比了条形光束与高斯光束作用下，熔池在传热、流动和形貌等方面的差异。条形光束作用下的熔池长宽比大，熔深浅，熔池表面积大，温度梯度高，温度场和流场各向异性明显。探讨了不同热输入条件对涂层形貌和凝固组织的影响，采用条形光束制备了超薄的宽带熔覆涂层，涂层宽约5mm，涂层厚度均匀，约为50μm，在横截面内均为等轴晶组织。等轴晶的产生是晶体成核率和生长率的竞争导致的结果，条形光束作用下，熔池的过冷度大，成核率高，抑制晶粒的长大，形成了等轴晶组织。本项目的研究结果为激光熔覆过程中热质输入与熔覆层性能的量化控制提供科学依据，对于深入理解激光熔覆过程的物理机制、控制涂层质量具有重要的科学意义和工程价值。