石 碧，陳雨飛，陸 偉，姜凌云

(1.蘇州紅葉醫(yī)療器械有限公司,江蘇 蘇州 215600；2.蘇州市康力骨科器械有限公司，江蘇 蘇州 215600；3.江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222005)

0 引言

激光熔覆是個急冷急熱的過程，高精度激光熔覆的加熱和冷卻過程更快，并且同軸高精度激光熔覆不受熔覆表面結(jié)構(gòu)的限制，能在極小的曲面構(gòu)建復(fù)雜的熔覆結(jié)構(gòu)，且熔覆結(jié)構(gòu)具有可控性。因此，同軸激光熔覆在醫(yī)療植入物、精密加工、航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用有著諸多優(yōu)勢。高精度激光熔覆的熔池直徑僅有0.6 mm左右，在三維控制系統(tǒng)的控制下，甚至能夠用來構(gòu)建具有一定形狀的空間結(jié)構(gòu)。高精度激光熔覆的熔覆速率一般為0.01 m/s～0.05 m/s，并且熔覆環(huán)境在充滿保護氣(氬氣Ar)的密閉腔室內(nèi)，沒有空氣對流的影響，因此難以直接分析髖臼杯表面高精度激光熔覆的熔池傳熱狀況。

目前，許多科研工作者進行了激光熔覆過程的仿真研究。大連交通大學(xué)的安曉龍等[1]歸納了激光打印時的熔池流動研究進展和各個領(lǐng)域應(yīng)用進展，全面對比了多種數(shù)值模型，總結(jié)出仿真模擬是研究激光熔覆熔池傳熱情況的重要手段之一，并且數(shù)值模擬法具有一定的通用性，為以后關(guān)于激光熔覆熱力分析的研究方法提供了全面的參考。新疆大學(xué)的黃海博等[2]研究了自由曲面激光熔覆的路徑算法，并以45鋼基材做實驗，在表面熔覆一層鐵基粉末，驗證了算法的準確性，為復(fù)曲面的激光熔覆仿真的路徑提供了理論依據(jù)。陜西理工大學(xué)的舒林森等[3]對銑刀盤吸光熔覆的修復(fù)過程進行仿真，分析了熔覆過程的三維溫度場和引力場，根據(jù)損傷銑刀盤的受損情況建立了銑刀盤的三維修復(fù)模型進行模擬，得到了銑刀盤激光熔覆修復(fù)過程中的修復(fù)部位最高殘余應(yīng)力，并以此預(yù)先判定了銑刀盤在修復(fù)過程中不會產(chǎn)生開裂缺陷，提高了激光熔覆熱力分析的實際應(yīng)用價值。

1 熔覆模型

1.1 物理模型

高精度激光熔覆示意圖如圖1所示。通過三維控制系統(tǒng)的控制，激光束和送粉裝置能夠在工作艙內(nèi)沿著任意三維路徑移動[4-5]。高精度激光熔覆過程復(fù)雜，為了簡化模型便于計算，現(xiàn)提出如下假設(shè)條件：①同軸送粉送出的合金粉末預(yù)置在基材上，粉層厚度根據(jù)送粉量通過等價折算法計算[6]；②材料各向同性，密度不隨溫度變化；③忽略熔池內(nèi)流體流動的影響[7]。在計算預(yù)制粉末的等價厚度時，根據(jù)設(shè)備設(shè)定的送粉速率推出熔覆路徑上與激光光斑直徑相同寬度的一定厚度的粉層。在仿真過程中，將粉末的厚度折算成預(yù)置TC4合金板材的等價厚度，預(yù)置TC4合金板材的厚度計算公式如下：

圖1 高精度激光熔覆示意圖

H預(yù)置=H粉末×(1-ρ).

(1)

其中：H預(yù)置為預(yù)置TC4合金板材的等價厚度；H粉末為計算出的預(yù)置粉末的等價厚度；ρ為TC4粉末的孔隙率。

1.2 熱源模型

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)材料各向同性時，在同一時間內(nèi)，每個單元上獲得的熱量等于從該單元流出的熱量與該單元內(nèi)的熱量增量之和。激光熱傳導(dǎo)的能量方程如下：

(2)

其中：H(T)為隨溫度變化的焓值；t為熱傳導(dǎo)時間；K(T)為根據(jù)溫度變化的導(dǎo)熱率；T為溫度；x、y、z為每個單元所在三維坐標(biāo)的3個方向[8]。

熔覆過程是一個非線性的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程，同軸激光熱源在基材的上方做三維移動，熔覆區(qū)域處于位置和溫度同時不斷變化的過程，所以仿真模擬過程中加載的熱源需要兼顧空間和時間的分布[9-10]。常見熱源模型有高斯熱源模型、雙橢球熱源模型、半橢球熱源模型、三維椎體熱源模型等。為了能更準確地模擬高精度激光熔覆過程中的溫度場，實驗中選用高斯熱源模型，在等直徑的圓范圍里溫度的高低按照高斯曲線分布[11-12]，計算公式如下：

(3)

其中：q(x,y)為激光熱源密度；λ為激光能量吸收率；P為激光功率；r0為激光光斑直徑；r為光斑內(nèi)計算點到熱源中心的距離。

2 激光單道熔覆實驗

采用InssTek公司的MPC1800X高精度激光熔覆設(shè)備進行實驗，設(shè)備采用YLR-300光纖激光器。采用上海中恒4XC顯微鏡對熔覆路徑進行觀察。熔覆粉末和基材均為TC4鈦合金材料，其中TC4粉末的粒度為150目。激光熔覆相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 高精度激光熔覆相關(guān)參數(shù)

實驗結(jié)果如圖2(a)所示，熔覆層的寬度為0.6 mm，高度為0.7 mm，熔覆層截面為半橢圓形。熔覆層的高度大于熔覆層寬度是因為TC4合金粉末從高處噴向熔池，導(dǎo)致部分粉末在到達基材前被加熱融化。熔覆路徑不連續(xù)，并且出現(xiàn)斷層也是同軸送粉導(dǎo)致粉末不能均勻地鋪在基材上。選取一處帶有90°拐角路徑的熔覆層將熔覆層剝落，并用顯微鏡放大50倍觀察熔覆路徑，觀察結(jié)果如圖2(b)所示。圖2(b)中白色偏亮部分為熔覆路徑，路徑中的黑色部分為未去除的且與基材冶金結(jié)合的熔覆層。綜上實驗結(jié)果觀察得到：在一定激光參數(shù)下，高精度激光熔覆的熔池直徑大于激光的光斑直徑，并且熔池厚度超過了熔池直徑。

圖2 單道高精度激光熔覆實驗結(jié)果

3 熔覆過程仿真

運用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言進行單道激光熔覆過程的仿真，以探究高精度激光熔覆在一定參數(shù)下的溫度場。采用Solid70三維8節(jié)點熱分析單元進行映射網(wǎng)格劃分，每個節(jié)點具有溫度自由度和位移自由度。采用生死單元技術(shù)模擬熔池移動的過程，已經(jīng)被殺死的單元隨著熔池的移動被激活，并被仿真計算。

利用上述模型，在軟件上進行激光單道熔覆仿真，得到不同時刻的熔池溫度場分布及不同方向的溫度梯度分布結(jié)果。

圖3為激光束移動不同時刻的溫度場分布云圖。由圖3可知，不同顏色顯示的溫度梯度組成的圖案呈現(xiàn)彗星狀，且彗星移動方向和激光移動方向一致；在激光照射中心的左側(cè)等溫線分布稀疏，在激光照射中心的右側(cè)未加熱處等溫線分布密集，呈現(xiàn)熱積累現(xiàn)象。由圖3(a)看出，在激光照射0.03 s后，光斑中心的溫度達到了1 830 ℃，超過了熔覆材料TC4的熔點(1 668 ℃)，中心溫度達到熔點的區(qū)域呈圓形，直徑為0.2 mm。由圖3(b)看出，在激光照射0.045 s時，光斑中心溫度達到2 125 ℃，且溫度達到熔點的圓形區(qū)域直徑為0.42 mm。由圖3(c)和圖3(d)可以看出，在激光照射0.06 s后中心溫度已經(jīng)達到2 358 ℃，在激光照射0.135 s后中心溫度達到2 581 ℃，且溫度達到熔點的圓形區(qū)域直徑為0.55 mm。

圖3 激光束移動不同時刻的溫度場分布云圖

圖4為不同時刻的激光照射區(qū)域中心溫度折線圖。由圖4可以看出，在激光照射僅0.015 s時，照射區(qū)域最高溫度便超過了1 500 ℃，接近材料熔點；在激光照射0.075 s后中心溫度接近2 500 ℃，隨后中心溫度趨于穩(wěn)定。

圖4 不同時刻的激光照射區(qū)域中心溫度

4 仿真結(jié)果驗證

圖5為實際熔池與仿真熔池的尺寸對比。經(jīng)過測量，實際熔池的直徑為0.589 mm，仿真熔池的直徑為0.6 mm。通過對比可以看出，仿真的熔池尺寸與實際熔池尺寸大小基本吻合，出現(xiàn)誤差的具體原因有：仿真軟件定義與溫度相關(guān)的焓參數(shù)時，由給定的部分焓值利用差值法推出材料的溫度焓值曲線，與實際焓參數(shù)有一定差別；TC4粉末從熔池上方經(jīng)過激光被噴射到熔池內(nèi)，實際被激光加熱的時間與仿真時設(shè)置的理論加熱時間不同；模型劃分的網(wǎng)格尺寸和高斯熱源的時間步長對仿真結(jié)果有一定的影響。

圖5 實際熔池與仿真熔池的尺寸對比

5 結(jié)論

使用ANSYS仿真軟件建立了高精度激光熔覆過程的數(shù)值模型，并對熔覆過程進行仿真，實驗結(jié)果證明了仿真結(jié)果的準確性，表明利用等價折算預(yù)置粉材厚度的方法是可靠的，利用該模型能夠較好地模擬出高精度激光熔覆的熔池傳熱情況。

當(dāng)采用功率為80 W且光斑直徑為0.4 mm的激光以40 mm/s的速度熔覆時，只需要0.015 s便能將材料加熱到熔點溫度。通過仿真結(jié)果等溫線的分布可以看出熔覆過程存在熱積累作用，熔池移動過的區(qū)域等溫線分布比熔池未經(jīng)過的區(qū)域稀疏。