楊義成，徐富家，黃瑞生，蔣寶，武鵬博，杜兵

(1.中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京,100044；2.北京科技大學(xué),北京,100083；3.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

隨著柔性、一體化成形制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以激光同軸送粉加工為基礎(chǔ)形成的熔覆和增材制造工藝，已成為當(dāng)前工程應(yīng)用和理論研究共同關(guān)注的技術(shù)方向，在航空航天、軍工等大型復(fù)雜高質(zhì)量構(gòu)件的一次成形[1-2]、高端裝備再制造[3]、修復(fù)[4]等方面應(yīng)用較為廣泛.

激光同軸送粉加工是利用激光熔化基體和粉末形成液態(tài)，凝固后完成填材過程.該技術(shù)相關(guān)研究多集中在工藝優(yōu)化[5]，激光與粉末宏觀尺度下的交互作用和激光-粉末-熔池的交互作用[6-7]，以及組織性能調(diào)控[8-9]等.作者團(tuán)隊(duì)在以往的研究中，借助圖像處理技術(shù)對激光和粉末顆粒的作用進(jìn)行了宏觀分析[10]，并對激光經(jīng)過粉末后的能量損失進(jìn)行了系統(tǒng)研究[11].Liu 等人[12]建立分析模型對激光經(jīng)過粉末顆粒后能量損失進(jìn)行理論研究.Qi 等人[13]建立了激光同軸送粉三維瞬態(tài)物理模型，分析了光束不同位置處粉末顆粒的溫度分布特征，指出激光束中一部分粉末顆?？梢赃_(dá)到熔點(diǎn)，激光束中心區(qū)域的粒子在激光輻照下可直接達(dá)到氣化狀態(tài).Wen 等人[14]同樣建立了理論分析模型系統(tǒng)研究了粉末顆粒在激光束中不同位置處的溫度分布特征.相關(guān)的研究中以粉末顆粒為研究對象，深入探討高能量密度激光輻照下粉末粒子物態(tài)特性演化規(guī)律的研究極少.然而，近年來伴隨近凈成形制造理念在工程領(lǐng)域的穩(wěn)步推進(jìn)[15-16]，對激光同軸送粉加工成形精度的要求越來越高；同時(shí)，表面改性技術(shù)在逐步向綠色、高效的方向發(fā)展中，激光同軸送粉加工技術(shù)的能力也在持續(xù)提升，開發(fā)出了超高速激光熔覆制造技術(shù)[17-18]，這些技術(shù)的提升均對激光輻照下粉末顆粒的物態(tài)提出了新要求.

綜上所述，隨著激光同軸送粉加工技術(shù)的不斷升級、革新，對高能量密度激光輻照下粉末顆粒物態(tài)的控制提出了新的挑戰(zhàn).為此，探明激光輻照下粉末顆粒進(jìn)入熔池前物態(tài)演化規(guī)律，研究其形成機(jī)制，具有重要的理論價(jià)值和工程指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用316L 不銹鋼粉末粒徑分布在45～ 105 μm之間，粉末采用氣霧化法的制備.試驗(yàn)用激光器為德國IPG 公司生產(chǎn)，型號為YLS-6000 光纖激光器，最高輸出功率可達(dá)6 kW.送粉裝置由德國GTV 公司生產(chǎn)，型號為MF-PF2/2，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)送粉盤以各自的送粉速率同時(shí)輸出粉末束流.送粉加工頭由德國Fraunhofer 公司生產(chǎn)，該送粉頭可將粉末顆粒以同軸環(huán)形的方式匯聚到一個(gè)區(qū)域，激光輸出功率為1.5 kW.

為深入研究激光輻照下的粉末顆粒物態(tài)特征轉(zhuǎn)變行為，采用高速攝影實(shí)時(shí)觀察激光和粉末顆粒的交互作用過程，為了提高激光輻照下粉末顆粒與原始粉末顆粒的成像對比度，將高亮度的背景光置于粉末束流后方，攝像機(jī)位于前方進(jìn)行拍攝，激光與粉末顆粒交互作用過程實(shí)時(shí)獲取過程如圖1 所示.高速攝像機(jī)的拍攝幀數(shù)f為1×104幀/s，曝光時(shí)間為100 ns.

圖1 激光束與粉末顆粒交互作用過程實(shí)時(shí)獲取示意圖Fig.1 Real time acquisition diagram of interaction between laser beam and powder particles

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉末粒子對激光傳輸過程的影響

激光束經(jīng)送粉噴嘴末端的粉末束流后到達(dá)工件表面，空間離散分布的粉末顆粒首先會在激光的輻照下吸收一部分激光束的能量，其次會對入射的激光產(chǎn)生一定的散射效果，剩余的能量才是有效熔化基體的能量，激光傳輸過程中，激光和粉末作用過程中能量消耗類型如圖2 所示，分為激光入射能量I0、散射光能量I1、粉末吸收光能量I2與剩余激光的能量I3，四者之間的關(guān)系為I0=I1+I2+I3.

圖2 光粉作用過程能量消耗類型Fig.2 Types of energy consumption in the process of powder action

理論上，當(dāng)入射激光能量I0不變，單位時(shí)間內(nèi)送出粉末的數(shù)量越多，即送粉速率越大，空間粉末顆粒對激光能量的吸收和散射的作用就越大，有效熔化基體的能量會隨之降低.利用風(fēng)刀實(shí)驗(yàn)法[11]，將粉末束流沿著某個(gè)位置“切斷”，研究激光和粉末束流交互作用后不同能量的去向，送粉速率對實(shí)測激光功率的具體影響如圖3 所示，可以看出隨著送粉率增加，剩余激光的能量隨之下降，粉末吸收和散射的光能量則隨之提升.

圖3 送粉速率對實(shí)測激光功率的影響Fig.3 Effect of powder feeding rates on measured laser power

對圖3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，可以得到實(shí)測功率P1與送粉速率Q1之間的量化關(guān)系，擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.98，說明剩余激光能量與送粉速率之間基本呈線性關(guān)系.

2.2 激光輻照下粉末顆粒物態(tài)

利用高分辨率攝像機(jī)，結(jié)合背影增效的拍攝技巧獲得了激光輻照下粉末顆粒的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)變特征，其結(jié)果如圖4 所示.

根據(jù)粉末顆粒亮度不同將光粉作用區(qū)的粉末顆粒劃分為：無激光輻照下的原始狀態(tài)，如圖4b中的六邊形所示；弱激光輻照下的微亮狀態(tài)，如圖4b 中的正方形所示；強(qiáng)激光輻照下的高亮狀態(tài)，如圖4b 中的橢圓形所示.從環(huán)形噴嘴送出的粉末以中空環(huán)形的特征在粉末束流焦點(diǎn)附近區(qū)域匯聚，激光從其中心區(qū)域傳輸，在焦點(diǎn)附近區(qū)域與激光交匯，該區(qū)域也是光粉交互作用的核心區(qū).

圖4 激光輻照下粉末顆粒不同的狀態(tài)Fig.4 Different states of powder particles under laser irradiation

以往研究表明，亮度信息與光粉交互作用程度之間存在映射關(guān)系，即粉末束流的亮度越高，空間粉末顆粒受激光輻照的程度就越大，粉末顆粒表層熔化的程度越高.不同亮度的粉末顆粒經(jīng)圖像灰度處理后的灰度值信息差異較大，因此利用MATLAB軟件通過灰度處理的方法，設(shè)置不同的灰度閾值(0-255)即可實(shí)現(xiàn)對光粉作用區(qū)不同亮度粉末顆粒自動計(jì)數(shù)分析.通過反復(fù)測確定原始狀態(tài)粉末顆粒、微亮狀態(tài)粉末顆粒和高亮狀態(tài)粉末顆粒的灰度值選定范圍后，從30 000 幀按時(shí)序照片中，間隔5 幀選取一張，共選取了5 000 幀照片進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖5 所示.可以看出，原始狀態(tài)的粉末顆粒占比約為31%，微亮的粉末顆粒的占比約為21%，高亮狀態(tài)粉末顆粒的占比約為48%，這說明在粉末顆粒進(jìn)入熔池前，一多半的粉末顆粒均要受到激光的直接輻照，一半的粉末可以要受到強(qiáng)烈的激光輻照，這與激光的能量分布特征和焦點(diǎn)附近區(qū)域粉末顆粒的空間分布均呈高斯分布特征有直接聯(lián)系.

圖5 激光輻照下粉末顆粒狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析Fig.5 Statistical analysis of powder particle states under laser irradiation

利用高速攝影實(shí)時(shí)追蹤高亮狀態(tài)粉末顆粒進(jìn)入視場后的物態(tài)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)所有呈高亮狀態(tài)的粉末顆粒到達(dá)激光輻照區(qū)域后均會變成發(fā)亮狀態(tài)，且部分高亮狀態(tài)粉末顆粒飛行軌跡正前方會存在一個(gè)高亮尾巴，將這個(gè)高亮的尾巴稱之為“慧尾”.選取一個(gè)具有典型特征高亮狀態(tài)的粉末粒子進(jìn)行追蹤分析，發(fā)現(xiàn)其“慧尾”演化規(guī)律和飛行過程中的軌跡的變化特征分別如圖6a 和圖6b 所示.在激光輻照下的粉末粒子，其飛行軌跡正前方“慧尾”的長度逐漸變長，進(jìn)入激光作用區(qū)后粉末粒子運(yùn)動軌跡也由最初沿著噴嘴以一定的角度飛行(圖6a 中位置1-2)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳逻\(yùn)動(圖6a 中位置3-14).此外，當(dāng)粉末顆粒離開光粉作用區(qū)后，“彗尾”逐漸消失(圖6a 中位置15-16)，粉末顆粒也由不規(guī)則形狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o棱角的高亮球形，這說明粉末顆粒的物態(tài)在激光輻照下已經(jīng)發(fā)在轉(zhuǎn)變，粒子表層熔化形成了液膜.

為了對粉末粒子飛行過程中速度變化有一個(gè)定量的認(rèn)識，如圖7 所示，在圖6b 確定了追蹤粉末粒子二維坐標(biāo)的前提下，用直線li-1代替實(shí)際弧形運(yùn)動軌跡Li-1，即可近似的確定出相鄰時(shí)間粉末顆粒的飛行距離，該微小區(qū)域的平均飛行速度v與相鄰兩段之間的飛行加速度a，可表示為

圖6 高亮狀態(tài)粉末顆粒的軌跡及其“慧尾”演化規(guī)律Fig.6 Trajectory of bright powder particles and its "comet tail" evolution law.(a) evolution of comet tail of powder particle;(b) space flight path of powder particles

圖7 粉末顆粒飛行速度計(jì)算方法Fig.7 Calculation method of flying velocity of powder particles

式中：f為高速攝像的拍攝速率，其每秒的拍攝數(shù)量設(shè)定為10 000 幀.

高亮狀態(tài)粉末粒子“慧尾”的長度與粉末粒子飛行過程中加速度的變化規(guī)律如圖8 所示，可以看出兩者之間的變化規(guī)律幾乎相同，當(dāng)“慧尾”的長度B由位置1 處的0.18 mm 增加到位置11 處的最大值0.93 mm 時(shí)，粉末粒子飛行的加速度a也由0.2 m/s2增加到3.9 m/s2，隨后“慧尾”長度和粉末粒子飛行加速度同步下降，這說明粉末粒子的飛行加速度與“慧尾”之間存在必然的聯(lián)系.

圖8 粉末飛行加速度與“慧尾”長度的變化規(guī)律Fig.8 Variation flight acceleration of powder and the length of "smart tail"

2.3 粉末顆粒物態(tài)形成機(jī)制

綜合上述分析可以看出，從噴嘴送出的粉末顆粒在進(jìn)入到激光輻照區(qū)前以近球形固態(tài)的形式飛行，進(jìn)入到激光輻照區(qū)后，粉末粒子呈現(xiàn)出高亮狀態(tài)，飛行軌跡正前方伴隨典型的“慧尾”特征，此時(shí)其在外力作用下飛行速度持續(xù)增加，飛行軌跡發(fā)生變化，這充分說明粉末粒子“慧尾”特征與粒子物態(tài)特性之間存在必然聯(lián)系.據(jù)此可以推斷，“慧尾”的產(chǎn)生是在高能量密度激光輻照下產(chǎn)生的高溫等離子體，而推動粒子飛行速度快速增加的外力就是該等離子形成時(shí)帶來的反沖作用力.

分析依據(jù)如圖9 所示，當(dāng)粉末顆粒不進(jìn)入激光輻照區(qū)域前，只受重力G、載氣吹力FZ和同軸保護(hù)氣施加的作用力FT，其運(yùn)動過程以近似勻速的方式平穩(wěn)飛行，當(dāng)其進(jìn)入光粉作用區(qū)后，強(qiáng)烈激光輻照下快速形成的等離子會產(chǎn)生較大的反沖作用力FF，由于激光輻照在粉末粒子的正上方，因此該作用力和重力G一樣均垂直向下.該作用力的存在會迅速打破原有的受力平衡狀態(tài)，改變了粉末粒子的飛行軌跡，同時(shí)粉末顆粒的飛行速度會快速增加.

圖9 激光輻照下粉末顆粒受力特征分析Fig.9 Analysis of stress characteristics of powder particles under laser irradiation

粉末粒子從距激光束焦點(diǎn)較遠(yuǎn)位置處，從呈高斯分布的激光束邊緣位置逐漸進(jìn)入到激光束中心位置，同時(shí)距離激光束的焦點(diǎn)越來越近，粉末粒子受到激光束輻照的能量密度持續(xù)增加，產(chǎn)生等離子體帶來的反沖作用力也在持續(xù)加大，因此粉末粒子飛行加速度隨之持續(xù)增加，運(yùn)動軌跡也如圖6 所示發(fā)生偏轉(zhuǎn).而較高能量密度激光輻照下粉末顆粒同樣會產(chǎn)生較多的等離子體，等離子被載氣吹到了飛行軌跡正前方就形成了所謂的“慧尾”，等離子體的量越多“慧尾”長度就越大，這就是圖8 中“慧尾”長度和粉末粒子飛行加速度變化規(guī)律一致的原因.

隨粉末粒子從激光束焦點(diǎn)區(qū)域離開，激光作用位置處的能量密度逐漸降低，同時(shí)粉末粒子遠(yuǎn)離高斯分布的核心區(qū)，使的粉末顆粒接受激光輻照的強(qiáng)度逐漸達(dá)不到氣化所需的能量密度，甚至直接飛離了激光輻照區(qū)，等離子體形成時(shí)產(chǎn)生的反沖作用力逐漸減弱，此時(shí)粉末粒子的物態(tài)如圖6a 中位置15 和16 所示，其對應(yīng)的飛行速度降低，加速度此時(shí)變?yōu)樨?fù)值.

3 結(jié)論

(1)光粉交互作用區(qū)中約70%的粉末顆粒受激光的輻照，且受激光輻照下粒子的亮度信息在統(tǒng)計(jì)學(xué)上可以定性表征粉末粒子物態(tài)特征，強(qiáng)激光輻照下粉末粒子表層呈液化狀態(tài).

(2)高能量密度激光輻照下粒子表層瞬間氣化產(chǎn)生的高溫等離子體形成的反沖作用力會打破粉末粒子的受力平衡，改變粒子的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度.

(3)強(qiáng)激光輻照下粉末粒子飛行軌跡正前方的“慧尾”長度與該粒子的飛行加速度之間密切相關(guān)，“慧尾”長度越長，粒子飛行加速度越大.