基于系统动态平衡的同轴送粉激光熔覆熔池的表面形貌研究

激光熔覆工艺用于材料表面改性、贵重零件再制造以及特种零件直接制造，能够有效地节约资源和能源、提高经济和社会效益。在激光熔覆过程中形成的熔池的表面形貌决定熔覆后制件的尺寸精度和表面质量。本项目理论和试验研究在稳定的同轴送粉激光熔覆过程中形成的熔池表面形貌。首先用系统动态平衡理论，分析在多因素作用下维持物质和能量动态平衡的熔池系统，建立其三维数学模型；然后建立模型的无网格数值计算方法，并数值模拟熔池表面形貌；最后研究实时观测熔池表面形貌和测量熔覆带轮廓的方法，试验验证三维数学模型。本项目的目的是揭示在同轴送粉激光熔覆过程中形成的熔池表面形貌的基本特征及其随工艺参数变化的规律，为激光熔覆工艺设计和过程控制提供理论指导，促进环境友好、资源节约的激光熔覆工艺的推广应用。

激光熔覆工艺不仅能够改善材料的表面性能，而且能够直接制造出具有使用功能的金属零件或快速修复废旧的贵重零件，具有材料消耗少，制件性能优良，易于实现自动化等优点。在激光熔覆过程中形成的熔池表面形貌不仅影响制件的表面状况，还影响其内部质量。因此，有必要对激光熔覆熔池表面形貌进行深入研究。本项目在分析同轴送粉激光熔覆过程特点的基础上，考虑气体—粉末流和激光束等因素对熔池的作用，对激光熔覆熔池形貌形成过程展开了研究，完善了激光熔覆理论模型。基于光滑粒子流体动力学法（一种无网格法）的基本理论，开发了一套数值模拟程序，实现了对激光熔覆熔池形貌形成过程的数值模拟。另外，设计了激光熔池三维形貌检测装置，并开发了激光熔池形貌检测程序，实现了对激光熔覆熔池形貌的实时观察。这些工作揭示了熔池表面形貌及其变化规律，为优化激光熔覆工艺参数和工艺过程控制提供理论指导。在该项目的支持下，获得省部级奖励2项，申请国家发明专利3项,发表期刊论文6篇（其中国际期刊1篇），参加国内学术会议并发表会议论文8次（其中国际会议1次），已毕业研究生8名，正在培养博士生4名、硕士生1名等。