趙海濤，付洪宇

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽110159)

激光熔覆技術(shù)在實際應用中又被稱為金屬激光增材制造技術(shù)，在現(xiàn)代化材料制造產(chǎn)業(yè)中屬于一種全新的技術(shù)，該技術(shù)主要是指在材料的表層覆蓋一層或多層材料，以高密度集成處理的方式，使材料在表層形成一層保護層或在基體材料之上進行增材制造[1-5]。此項技術(shù)的核心為：采用激光同軸輸送粉末材料的方式，將粉末材料在噴涂過程中進行熔化處理，并通過激光照射將粉末材料結(jié)合在基體材料上。激光熔覆技術(shù)在應用中具有融合度高[6]、材料覆蓋能力強[7]、改善材料表層物理性能的顯著優(yōu)勢等[8]；同時在材料與基體融合過程中，基體的耐熱性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能等均得到了顯著性提升，達到對基體修復處理的目的[9-12]。此外，激光熔覆技術(shù)制備出的材料還具備密度高、集成性優(yōu)良等特點，在金屬材料制造業(yè)中得到了廣泛的應用。

激光熔覆制造技術(shù)存在著制造成本高、材料消耗大、激光參數(shù)不確定等不足，反復進行的大量實驗一定程度上限制了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，所以一種基于電子計算機的有限元模擬技術(shù)近幾年被應用于研究激光熔覆技術(shù)的制造參數(shù)和反應機理。

結(jié)合激光熔覆的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，其模擬技術(shù)受到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，該數(shù)值模擬的主要內(nèi)容包括激光熔覆溫度場[13]、應力場[14]及流場[15]的數(shù)值模擬；通過數(shù)值模擬技術(shù)得到精度更好的激光熔覆各項參數(shù)[16-18]。本文綜述了激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上分析激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)的實際應用。

1 激光熔覆數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

1.1 溫度場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

針對激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)，在溫度場數(shù)值模擬方面的發(fā)展現(xiàn)狀中，通過考慮激光熔覆的動態(tài)變化過程，以熱傳導的方式模擬激光熔覆由固體到液體的擴散變化過程，進而模擬溫度場在激光熔覆技術(shù)下的變化情況[19-20]。

蘇德發(fā)等[21]通過ANSYS軟件對激光熔覆FeCr涂層建立有限元模型，分別以500W、700W、900W、1100W不同的激光功率，以4mm/s的掃描速度進行熔覆試驗，得到FeCr涂層激光熔覆過程中溫度場分布；分析結(jié)果表明，熔覆過程熔池的溫度梯度很大，另外光斑附近溫度最高，且隨著激光功率的增加，各時段中心點的峰值在不斷增加。通過觀察熔覆層微觀組織形貌，驗證了數(shù)值模擬的正確性。

任仲賀等[22]利用ANSYS生死單元技術(shù)建立單道次激光熔覆模型，通過對熔覆層表面相隔50mm各節(jié)點的溫度模擬及測量，結(jié)果表明，隨著時間的增加，各節(jié)點溫度曲線的峰值在不斷增加，且峰值升溫過程近似于正比增加；因為熔池傳遞導致熱量累積，使下一時刻的熔池溫度更高，而各節(jié)點的降溫過程近似為雙曲線，說明各個節(jié)點溫度隨時間的降低以先快后慢的方式下降。

Yong Y W等[23]選擇ANSYS有限元軟件，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)技術(shù)建立了具有移動熱源的三維數(shù)值模型，并建立了ANSI1045鎳基合金熔覆層瞬態(tài)熱分析的數(shù)值模型，得到溫度分布；以材料熔點為閾值，從溫度分布中提取熔池形狀和尺寸，并在實驗結(jié)束后，對熔覆軌跡高度、熱影響區(qū)高度及稀釋度進行了熔池質(zhì)量分析，實際熔池及模擬熔池溫度場對比圖如圖1所示。

圖1 實際熔池及模擬熔池溫度場對比圖

模擬結(jié)果表明，光束中心的溫度隨掃描方向和掃描速度的增加而變化。不同節(jié)點熔池模擬溫度場如圖2所示。

從圖2中兩個不同節(jié)點的熔池峰值溫度可以看出，隨著時間的增加，不同節(jié)點的熔池峰值溫度也在增加；這是因為激光熔覆過程中掃描速度很快，前一點熔池還沒有完全冷卻，下一點就已經(jīng)加熱，導致熔池中的熱量在累積，因此熔池中各個節(jié)點的峰值溫度隨著時間而升高。

圖2 不同節(jié)點熔池模擬溫度場

Liu C M等[24]提出了一種改進的三維有限元模型，為模擬激光熔覆過程與粉末顆粒及顆粒間空隙相關(guān)的復雜熱行為，采用簡化的指數(shù)衰減模型對熱源進行修正；考慮到重熔區(qū)兩側(cè)激光吸收率和材料性質(zhì)的不同，采用復雜的不對稱熱源進行多道熔覆，用于研究AlSi10Mg合金激光熔覆過程中的熱行為和組織演變。通過實驗和理論計算，區(qū)分AlSi10Mg粉末和AlSi10Mg合金不同的材料性能，為模擬提供更可靠的材料參數(shù)；同時建立了一種溫度選擇判斷機制來模擬激光熔覆過程，并利用5kW光纖激光器進行了激光熔覆實驗，為仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對仿真實驗進行了驗證。研究表明，非對稱熱源模型能較好地模擬多徑包覆過程中的復雜熱行為，輸入熱量更易向未熔化粉末的方向擴散，熱積累增加了熔覆層的寬度。

沿熔池邊界標記監(jiān)測點，建立G/R曲線(溫度梯度G、凝固生長速率R)，可以預測熔池邊界的凝固行為；最大溫度梯度G位于熔池底部，最小溫度梯度G位于熔池頂部表面。

1.2 應力場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

激光熔覆過程中殘余應力是激光熔覆成型的重要影響因素之一。由于整個激光熔覆過程是瞬時升溫融化并降溫凝固的過程，熔覆材料內(nèi)部會因熱應力和流場的殘余應力影響產(chǎn)生很多缺陷而影響熔覆質(zhì)量，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以有效精確地通過改變參數(shù)控制熔覆層中的殘余應力，提高激光熔覆質(zhì)量[25]。

R Jendrzejewski等[26]對激光熔覆過程中鎢鉻鈷合金SF6的應變應力場進行了數(shù)值計算；實驗采用SF6在X10Cr13鉻合金上進行熔覆，激光熔覆加工原理圖如圖3所示。

圖3 激光熔覆加工原理圖

實驗表明，基材的初始加熱溫度為20℃時，最大計算應力達到1800MPa，超過了鎢鉻鈷合金SF6的抗拉強度極限900MPa，表明可能發(fā)生了微裂紋；初始基溫為500℃時，計算的應力值低于上述限值900MPa，據(jù)此，研究者可以預測熔覆層有無裂紋。為在基板預熱的情況下獲得理想的熔覆涂層工藝效果，應將激光束強度降低到無預熱基板的60%。

Liu H M等[27]研究了寬光束激光沉積單道熔覆層應力場的演化，討論了熔覆層在不同方向、不同路徑上的熱應力分布情況；研究結(jié)果表明：熔覆層邊緣與基板頂面結(jié)合區(qū)的應力最大；熔覆層頂面的應力水平高于其它路徑；在熔覆深度方向，應力分量SZ最大，且所有應力均先增大后減?。蝗鄹矊颖憩F(xiàn)為拉應力，而基體表現(xiàn)為壓應力。

Zhao S G等[28]采用激光熔覆技術(shù)在TC11鈦合金表面包覆立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，CBN)，通過有限元方法對熔池運動進行模擬；實驗在法向力和切向力作用下，通過改變涂層厚度、涂層裂紋長度和裂紋寬度，研究了界面應力對涂層受力的影響；模擬結(jié)果表明：0.2mm涂層的界面應力值達到1.485GPa；0.5mm裂紋長度的界面應力值達到0.3707GPa；0.06mm裂紋寬度的界面應力值達到0.2234GPa。說明在不限制涂層厚度的情況下，涂層越厚，熔覆質(zhì)量越好。

1.3 流場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

激光熔覆過程中的流場和應力場模擬大多基于平面，而實際上熔覆可能發(fā)生在任意曲面上。

Lian G F等[29]基于響應面法中心復合設(shè)計，建立了曲面多徑激光熔覆工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、氣體流量、復疊比)與熔覆性能(平面度比、孔面積)間的數(shù)學模型。實驗表明：掃描速度、氣體流量和重疊比對孔隙面積有影響；隨著激光功率和重疊比的增加，孔面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；隨著氣體流量和重疊比的增大，孔面積先增大后減小。在優(yōu)化后的工藝參數(shù)設(shè)置下，利用所建立的數(shù)學模型計算了平面度比和孔面積。將平面度比和孔面積的模擬計算結(jié)果同實驗結(jié)果進行比較，驗證了模型預測的充分性，表明了彎曲表面激光熔覆層成形控制的應用潛力。

Gong X Y等[30]根據(jù)物理中的質(zhì)量守恒定律和運動方程，建立了柱狀分布流場中的粉末輸運模型，并給出了粉末輸運比的數(shù)學表達式。針對不同的工藝參數(shù)，利用該模型計算了熔覆層的截面積，對理論和實驗結(jié)果進行了比較；理論截面積的變化趨勢與實驗結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明：輸粉率隨送粉量或激光掃描速度的增加而減小，隨激光功率的增大而增大；圓柱分布流場的輸粉比更接近純幾何方法計算的長度比。模擬理論計算結(jié)果高于實驗值，兩者隨工藝參數(shù)的變化具有相同的變化規(guī)律，因此，該模型可用于實際熔覆過程粉末流場的基礎(chǔ)理論研究。激光熔覆過程熔池流動和物質(zhì)傳輸模型如圖4所示。

圖4 激光熔覆過程熔池流動和物質(zhì)傳輸模型

2 激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)應用

2.1 建立激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型

針對有限元模擬技術(shù)在激光熔覆的應用，可以通過溫度場數(shù)值模擬的方式，建立激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型，為溫度場熱源控制過程提供精準的瞬時狀態(tài)參考[31-33]。

因為激光熔覆過程為金屬粉末通過激光加熱短時間內(nèi)快速熔化、冷卻的過程，所以瞬時的溫度及狀態(tài)通過傳統(tǒng)方法很難監(jiān)控和記錄，且由于室溫、氣壓等因素導致測出的溫度不準，此時需要有限元模擬計算作為輔助，建立激光熔覆溫度場瞬時模型進行分析。張亞普等[34]通過ANSYS仿真軟件對27SiMn鋼基體激光增材304L不銹鋼過程進行溫度場模擬，將所得溫度場云圖與實際熔覆監(jiān)控實驗進行比對，獲得較為準確的激光熔覆過程熔池溫度變化曲線。

在實際應用該技術(shù)的過程中，必須考慮到激光熔覆過程中周圍環(huán)境因素造成的對流換熱。因此在建立模型時，必須精準采集激光熔覆功率[35]、掃描速度[36]、光斑尺寸及搭接率等激光熔覆參數(shù)[37]；將上述參數(shù)導入，根據(jù)實際基體及熔覆層尺寸得到三維有限元模型；再通過模型假設(shè)的方式，設(shè)定激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型熱源上限，并在上限范圍內(nèi)校正熱源，以此建立激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型。在該技術(shù)下建立的激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型能夠?qū)崟r模擬出溫度場的變化狀態(tài)，由此可判斷激光熔覆熱源的移動情況[38]。

2.2 預測激光熔覆缺陷

激光熔覆技術(shù)應用過程中，可通過應力場數(shù)值模擬的方式預測激光熔覆缺陷[39]?？紤]到應力場數(shù)值模擬結(jié)果能夠直觀地表現(xiàn)出熔覆層的力學性能，由此得出熔覆層的質(zhì)量；因此通過該技術(shù)模擬激光熔覆應力場，能夠預測激光熔覆過程中存在的氣孔、雜質(zhì)及裂痕等缺陷，在此基礎(chǔ)上，可以通過控制掃描速率等方式，防止上述缺陷的進一步惡化，為解決缺陷提供充足的準備時間。

Song J L等[40]采用有限元方法對三維瞬態(tài)溫度場進行了研究，結(jié)果表明：低碳纖維具有極高的溫度梯度和冷卻速率，分別達到105～106℃/m和103～104℃/s；激光功率和掃描速度對先進材料熔覆層的熔池尺寸、固液界面冷卻速度和溫度梯度有顯著影響；利用數(shù)值模擬結(jié)果對沉積組織進行了表征，分析了成形機理，通過數(shù)值模擬優(yōu)化了工藝參數(shù)，得到了無缺陷的顯微組織。

Hao N H等[41]利用ANSYS有限元軟件對熔覆過程進行了模擬，并且進行了熱應力分析。研究表明：熔覆層凝固后處于拉應力狀態(tài)，但各方向應力不均勻，沿熔覆層方向的拉應力最大，導致熔覆層開裂。因此提高基體預熱溫度是避免裂紋產(chǎn)生的有效途徑。

2.3 定性分析激光熔覆內(nèi)部變化

激光熔覆技術(shù)在應用過程中，可以通過流場數(shù)值模擬的方式定性分析激光熔覆內(nèi)部變化[42-43]。通過模擬激光熔覆過程中熔池流體的流動方向及流動速率，掌握激光熔覆內(nèi)部粉末流的匯聚規(guī)律，進而為激光熔覆的成型提供數(shù)據(jù)支持。通過定性分析激光熔覆內(nèi)部變化，得到激光熔覆的內(nèi)部“焦點”，進一步保證激光熔覆的成型精度及效率。

3 激光熔覆模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

激光熔覆技術(shù)作為一種先進材料制造技術(shù)和表面改性技術(shù)，在金屬材料領(lǐng)域被廣泛應用。為提高制造工藝的準確性，提升材料成型制造的質(zhì)量和性能，縮短實驗研究的周期，提升實驗效率，近年來激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)被用來分析激光熔覆的工藝參數(shù)及反應機理。其中有限元模擬技術(shù)大多用來分析激光熔覆過程的溫度場、應力場及熔池流場內(nèi)部情況。通過對激光熔覆溫度場的分析可知激光參數(shù)的設(shè)置對熔池內(nèi)熱量的影響，分析數(shù)據(jù)可以更好地控制加工參數(shù)。通過對激光熔覆應力場的分析，表明熔池、基體溫度及激光路徑、熔覆層尺寸等工藝參數(shù)對加工熱應力的影響；對應力場的分析可以有效控制熔覆成型發(fā)生的缺陷，保證熔覆層質(zhì)量。通過對激光熔池流場的分析可知熔池的流動對激光熔覆層的影響，從而得到更好的工藝參數(shù)。

目前激光熔覆模擬技術(shù)主要用于建立激光熔覆溫度場瞬態(tài)模型、預測激光熔覆缺陷及定性分析激光熔覆內(nèi)部變化，對于監(jiān)控激光熔覆加工過程和分析激光熔覆反應機理有著重要的作用。但目前激光熔覆模擬技術(shù)還存在著一些不足，如對于復合材料的激光熔覆增材制造、熔覆金屬摻雜其它粉末模擬時，還無法考慮顆粒的均勻程度；另外，熔覆過程中工作環(huán)境對激光熔覆制造的影響還需進行進一步的研究。

4 結(jié)束語

隨著激光熔覆技術(shù)在金屬材料制造領(lǐng)域的廣泛應用，激光熔覆模擬技術(shù)也逐漸被重視并研究；通過激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應用研究，證明了此研究在實際應用中的適用性。同時，還需要對激光熔覆方法的優(yōu)化設(shè)計進行深入研究，以此為激光熔覆質(zhì)量提供保證。