在航空航天、汽車、石油化工等領域，鍍鉻是最常用的電沉積鍍層，具有硬度高、耐磨、摩擦系數低的特點。但是六價鉻的電流效率很低，電鍍時會產生大量酸霧。美國環境保護署（EPA）已將六價鉻明確列入17種高風險有毒物質之一。我國電鍍廠每年排放廢水4×109 立方米，其中約50%不符合國家排放標準，嚴重污染了水土資源。
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，使其熔化成冶金結合涂層。這種新型的耐磨、耐腐蝕表面處理技術是未來的重要發展方向。2016年，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所首次提出超高速激光應用可以提高熔覆率，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間。絕大部分激光能量會被用來加熱粉末顆粒，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間，將激光掃描速度翻倍。
因此，在超高速激光熔覆過程中，激光掃描的線速度通常可達50-200米/分鐘。較高的激光掃描速度還能減少單位時間熔池內的粉末輸入量，熔覆層厚度僅為25-250微米，足以保護基材，同時還能提高粉末材料的利用效率。
熔池問題是激光熔覆的基本問題。由于熔池是一個具有重量守恒、動量守恒和能量守恒的動態平衡系統，粉末流的各種物理參數特性會影響熔池的動態平衡。因此，研究粉末流是一項不可忽視的重要工作。本文研究了超高速熔覆層的粉末動力學和粉末溫度場。數值模擬是研究激光熔覆過程的一個主要方法。開發超高速激光熔覆粉末溫度場的數值模型，不僅可以分析超高速激光熔覆技術的實現機制和流程規則，也可以為研發人員提供更多的技術信息和研發理念，減少流程實驗的試錯率。
實驗條件
本實驗系統主要由DILAS DL030R半導體激光器、以色列OPHIR Comet 10K-HD功率計、武鋼-HG大型設備有限公司WGHG-1送粉器以及同軸四向送粉管激光熔覆頭組成，結構如圖1所示。其中半導體激光器的波長為980微米，最大輸出激光功率為3千瓦，聚焦系統在聚焦平面上輸出的光斑是尺寸為3平方毫米的矩形。實驗用的金屬粉末是武漢華工激光公司生產的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。實驗使用的氣體是高純氬氣。
為了測量激光經過粉末后的功率衰減，采用如圖1（b）所示的功率測量方法。但不同的是，在熔覆頭下方加裝了一塊厚度為5毫米的金屬保護板，打了一個直徑約為10毫米的中心孔，保證激光束能完全穿過這個小孔。小孔下方設置了沿水平方向流動的高速保護氣幕。當金屬粉末穿過小孔時，高速氣幕會對它施加橫向的加速力，使所有穿過孔的粉末顆粒向右飛出（氣幕的粉末流方向）。
同時，在保護板下方一定距離處放置激光功率計，檢測輸送的激光功率。通過改變熔覆頭與防護板之間的距離，測量穿透距離變化導致的激光能量衰減。通過改變送粉速度，得到對激光能量衰減的數據。
超高速激光熔覆系統的仿真參考模型來自武鋼-HG集團。該系統主要由4千瓦半導體激光器、超高速激光熔覆頭、中央控制系統、四軸三聯動激光加工機床、自動送粉機、電源、水冷系統等組成。整個過程如圖2所示。由于此設備是臺完整的機床，無法實時監控其工作狀態。該超高速激光熔覆系統主要用于軸向工件表面的強化以及重復給氣。
粉末流場模型
在激光熔覆過程中，粉末流是一個復雜的兩相流問題。由于氣體中粉末的容積率小于10%，在模型模擬中，將氣相視為連續項，可以通過時間平均的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程求解出。在拉格朗日坐標系下，可以通過在計算域內追蹤一定數量的粉末顆粒，獲得粉末流的運動軌跡。
在激光熔覆過程中，載氣與金屬粉末組成的兩相流的雷諾數大于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項的重量方程和動量方程。可以用標準的k-ε模型按時間平均方式求解。
當離散相（粉末顆粒）體積小于流體總體積的10%時，可采用離散相模型計算粉末顆粒在流場中的軌跡。在流體軟件中，在拉格朗日坐標下對作用在顆粒上的力進行積分，得到顆粒的運動軌跡。由于氣體流動是紊流，需要考慮金屬顆粒是否夠重，不受紊流速度微小波動的影響。在本文所討論的模型范圍內，斯托克斯數值遠大于1，表明顆粒重量足夠大，不會受湍流速度波動的影響。
為了降低模型的復雜性，提高計算效率，流場模型的建立基于以下假設條件：
（1）假設保護氣體和摻有金屬粉末的載氣均以恒定的初速進入計算域，且粉末顆粒在進入計算域前與載氣具有相同的初速；
（2）因為模擬過程是基于恒送粉、恒給氣的工藝參數，模型主要分析穩態情況，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只考慮拖曳力、慣性力和重力。 由于顆粒占氣體總體積不到10%，且濃度較低，因此可忽略顆粒碰撞對軌跡的影響。由于顆粒的重量和濃度較低，因此可忽略顆粒對氣流場的影響；
（4）考慮到本文的研究內容以及降低計算成本的需求，本模型假設粉末都是相同尺寸的球形顆粒。
粉末流的計算結果可以通過高速攝像機驗證。圖3是通過高速攝像得到的粉末流狀態與通過仿真得到的粉末流狀態的對比圖。從圖3（a）看到，在實際流動過程中，當粉束飛離送粉管時，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，然后粉末開始劇烈偏移。對比圖3（b）模擬結果，可以看到模擬結果與實驗結果較為吻合，證明模型流場的模擬結果可靠。
針對不同送粉方式的能量衰減分析
為了研究穿過粉末流的激光衰減規律，模擬了傳統同軸四路的粉末流噴嘴的粉末匯聚，以及在不穩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體激光光斑作為傳統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毫米處進入激光輻射區域。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，高粉末匯聚區比同軸四路的粉末流噴嘴的更長。
結合激光功率的軸向變化曲線，可以看到同軸四路的粉末流噴嘴，激光經過高粉末濃度區時，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到80%。在高粉末濃度區外，速度衰減趨于平緩，衰減小于5%。
研究發現：激光功率的衰減趨勢與粉末匯聚濃度有一定的“同步”性。對于兩種熔覆方式，激光能量衰減在粉末濃度高的區域較大，之后趨于平緩。更重要的是，激光功率進入高濃度區域后的衰減趨勢具有高斯函數的特性，所以可以用高斯函數描述送粉后激光功率的衰減狀態。
粉末粒徑對激光能量衰減的影響
實驗模擬了兩種激光熔覆頭對粒徑分別為30、45、60、75、90微米時的粉末匯聚過程。 圖5（a）顯示了超高速粉末流噴嘴對粒徑分別為30、60、90微米時的粉末流匯聚情況。可以發現，雖然粒徑不同，但粉末流會在熔覆頭以下8-10 毫米左右匯聚，這是由熔覆頭的機械結構所決定，幾乎不受粉末粒徑等參數的影響。
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果。激光功率的衰減隨粒徑的增大而減小。同時，環形熔覆噴嘴的粉末對激光功率有較強的衰減能力，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，明顯弱于超高速環形熔覆噴嘴的。當粒徑為30微米時，激光能量衰減僅為18%。
隨著粉末顆粒尺寸增大，單位時間內飛入激光輻射區域的粉末數量會顯著減少。當粒徑為90微米時，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，說明小粒徑粉末云具有更強的激光衰減能力。
送粉速度對激光能量衰減的影響
送粉速度會直接影響激光輻射區域內的粉末濃度，進而影響粉末對激光能量的衰減。圖6（a）是送粉速度分別為10克/分鐘和42克/分鐘時，超高速粉末流動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性變化，當送粉速度超過一定值時，衰減會明顯減小。
以環形熔覆噴嘴為例，當送粉速度從10克/分鐘增加到20克/分鐘時，激光功率衰減迅速增大，說明此范圍內激光功率被粉末大大衰減了。而當送粉量超過20克/分鐘時，激光能量的衰減開始放緩，可以認為此時粉末匯聚區粉末濃度趨于“飽和”，對激光能量衰減的影響減小了。
激光能量衰減實驗
在送粉速度為21克/分鐘時，利用激光功率計測量不同高度發射激光的功率，與仿真結果對比后得到的曲線，如圖7（a）所示。用激光功率計測量熔覆噴嘴與防護板距離為20毫米時不同送粉速度下的激光功率，與仿真結果對比得到后的曲線，如圖7（b）所示。
實驗結果與模擬結果在形狀上比較吻合，但整體數值不一致。隨著溫度升高，粉末顆粒對激光能量的吸收速度也會增大，因此實驗中得到的激光能量衰減會略高于模擬結果。粉末顆粒對激光的散射也會引起透射光的衰減。
此外，由于存在發散角，實際傳輸過程中激光束會變寬，會有更多粉末落在熔覆頭與功率計之間的光束區域內，導致激光能量衰減。實驗中的激光功率是920瓦，進氣速度是4升/分鐘。
由圖7（a）可知，當熔覆噴嘴與保護板距離約為5毫米時，受金屬粉末影響，激光功率開始衰減。當送粉高度在10-25毫米左右時，激光功率衰減速度最快。可以推斷，粉末濃度在熔覆噴嘴下方10-25毫米范圍內達到最高，因此可將該范圍視作粉末濃度較高區。這個范圍也接近模擬預測的高濃度范圍（10.7-24毫米）。對比仿真和實驗結果可以發現，實驗曲線的激光功率衰減點在5毫米左右，而仿真曲線的激光功率衰減點在10毫米左右。兩種曲線在熔覆頭下方約25毫米處開始穩定，說明實驗測量的激光衰減曲線也具有高斯函數特性。
從圖7（b）的實驗曲線可以看出，粉末對激光能量的衰減效應隨送粉速度的增加而增大，但不呈線性函數特性。當送粉率從20克/分鐘增加到30克/分鐘時，激光衰減增加了約11%，但當送粉率從3040克/分鐘增加到40克/分鐘，激光衰減只增加了6%，表明粉末對激光能量衰減效應降低了。
所以，很可能存在一個最佳的送粉速度。當送粉速度小于該值時，隨著送粉速度增加，粉末對激光的衰減效應呈線性增大。而當送粉量大于該值時，雖然粉末對激光能量的衰減效應仍在增加，但衰減效應總體是降低的。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的影響因素
在超高速激光熔覆過程中，激光與粉末的相互作用主要包括兩個因素：激光能量受粉末的衰減以及激光對粉末的加熱過程。當粉末粒徑增大時，粉末暴露在激光輻射下的面積增大，但粉末重量也會增大。
由于重力加速度和氣體流量的影響，粉末在激光輻射區內的飛行速度增大，導致粉末在激光輻射區內停留時間縮短，對激光能量的吸收減少。載氣的還原也是影響粉末加熱過程的一個重要因素。由于粉末的流動速度受載氣流量影響，低速氣流會降低粉末的飛行速度，增加粉末在激光輻射區停留的時間。但是載氣速度過慢不可避免地會影響粉末的匯聚性。
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