电-磁复合场协同作用对激光熔覆层组织的调控机理研究

The traditional regulation of laser process parameters could only change the thermal boundary of laser cladding melt pool, but difficult to control the direction of the fluid and the diversity of microstructure and performance. Therefore, the synergistic effect of composite field containing electric field and magnetic field were proposed by our group. Due to the synergistic effect, the Lorenz force was formed to drive, suppress or bias the melt flow，influencing the heat and mass transfer, controlling the microstructure of cladding layer. With the different types of synergistic effect, the directional growth crystal could be obtained, the defects in the cladding layer could be decreased and the gradient distribution of the solute element or hard phase could be realized. The multi-physics model including electric-magnetic synergistic effect during the processing of laser cladding would be created. The relationship between Lorenz force and melt flow would be explained, the mechanism of the shape, size and growth orientation of microstructure accompanying with the changes of convection would be exhibited. Meanwhile, the research results can be extended to the laser additive manufacture, laser welding, laser alloying and other laser processing fields.

现有的激光熔覆难以实现对熔覆层组织和性能的差异化定制。本项目提出了利用电场和磁场的复合场协同作用，利用在熔池内形成的可驱动、抑制或偏转对流的电磁力（洛伦兹力），改变连续熔覆过程中的传热传质行为，实现对熔覆层组织的选区定向调控，可获得具有生长方向和性能趋向性的组织、外加溶质元素或硬质相的分布控制，减少或消除熔覆层中的常见缺陷，克服单一强磁场影响下作用效率低、无法控制熔池流体的趋向性等难题。本项目将建立电-磁复合场协同激光熔覆过程中的多物理量耦合模型，揭示不同类型洛伦兹力对熔池对流的影响规律，获得熔池对流状态的趋向性变化与熔覆层晶粒形态、大小和生长取向之间的关系。本项目成果有望应用于高温涡轮机等关键部件，通过局部选区微观组织定向制造实现性能差异化定制，进一步优化零件的组织与性能，本项目理论与方法不仅可用于激光熔覆技术，还可拓展至激光增材制造、激光焊接及激光合金化等其他激光加工领域。

激光熔覆过程熔池存在时间极短、多物理场之间影响复杂，仅凭激光熔覆工艺参数调整难以实现熔覆过程的形性控制。本项目提出了利用电场和磁场的复合场协同作用，利用在熔池内形成定向恒稳的洛伦兹力，实现对熔覆层形貌、缺陷和组织的调控。. 项目组围绕项目研究内容，瞄准项目关键科学问题，通过四年研究，现已完成所有预期研究目标。项目组建立了激光熔覆过程中电-磁复合场与熔池流体相互作用的多物理场数学模型，研究了激光熔覆熔池中传热传质过程的影响机理，提出了激光熔覆层形貌、缺陷和组织的调控方法。. 项目重要研究结果与关键数据如下：. 1．当磁场强度为0.6 T，电流密度为5×106 A/m2时，熔覆层熔池液体洛伦兹力量级约为105 N/m3；洛伦兹力向上条件下，熔池最高流速约为0.03 m/s，较未施加外场降低62.5%。洛伦兹力向下条件下，最高流速为0.06 m/s，较未施加外场降低25%，成功揭示了电-磁复合场对熔池传热传质调控的机理。. 2．电-磁复合场引入的感应洛伦兹力和定向洛伦兹力，能够抑制镍基高温合金熔覆时铌元素的偏析，进而抑制熔覆层中Laves相等有害相的析出。施加了电-磁复合场之后，Inconel 718熔覆层的Laves相含量由7.85%降低到5.59%，为电-磁复合场协同处理高温合金零部件的应用奠定了基础。. 3. 激光熔覆Ni60合金时，电磁复合场施加后，熔覆层内部脆性相偏聚降低，类柱状晶数量增多，降低了CrB、Cr23C6等脆性相的尺寸和含量，实现了激光熔覆硬质合金涂层的裂纹调控。. 4. 研制了电-磁复合场随激光头运动的同步耦合装置，磁感应强度0.6 T，输出稳态电流0~1000 A，为电-磁复合场的实际工业应用奠定了基础。. 该方法的应用突破了传统单一激光工艺参数调整的极限，有效提升了激光熔覆技术的质量稳定性，提高了调控效率，拓宽了该技术的应用范围。通过电-磁复合场专用装置的设计，现已将该技术应用于汽轮机关键部件的再制造过程，实现再制造区域的高质量精密控形控性，后续将进一步推广应用至燃气轮机高温部件的修复过程。