朱明，張宗智，楊騫，石玗，2，樊丁，2

1.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050

2.蘭州理工大學 有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，蘭州 730050

激光熔覆技術具有熱影響區(qū)小、能量密度集中、稀釋率低以及綠色環(huán)保等優(yōu)點［1-3］，可以實現(xiàn)對受損金屬零部件的強化、修復與再制造，降低了產品的生產制造成本［4-7］。同軸送粉模式因其光粉耦合作用好、成形精度高、空間自由度高以及各向同性較強，成為激光增材制造技術的重要選擇之一［8-10］。成形精度與質量控制是激光增材制造的關鍵問題，但由于對激光熱源特性控制、金屬與激光的熱物理交互作用、熔覆層成形控制與微觀組織演化行為等理論的研究尚不完整，目前在生產實踐中基本只能依靠大量工藝試驗結合人工經驗進行調控，尚難以從成形機制機理的角度預測并實現(xiàn)精確控制［11-12］。為此，針對金屬粉末的吸收作用與熔化行為，激光熱量在粉末、熔池的分配形式等對成形機制有著重要作用的理論問題展開研究，通過實驗與建模相結合的方法，分析同軸送粉與激光的熱交互作用并建立實時控制所需的動態(tài)解析模型；明確激光熱源特性對粉末即將進入熔池熱物性狀態(tài)的作用機理，為進一步建立“粉末-熔池”統(tǒng)一的熱物理模型提供理論基礎。

目前，關于同軸送粉激光熔覆的熱物理行為研究主要集中在粉末對激光的吸收與散射、光粉作用形式、熔池的熱物理狀態(tài)等方面，其中光粉的作用形式最為復雜且對其他物理過程有著重要影響。為此，國內外眾多學者對其展開了一系列研究，例如德國Fraunhofer 研究所提出的超高速同軸激光再制造技術就是通過控制粉末與熔池對激光熱量的吸收比例，使更多熱量用于粉末的熔化并得到理想的粉材末階段熔化狀態(tài)，最終結合熔池調控實現(xiàn)成形精度的控制［13］。文獻［14］采用數(shù)值模擬對粉末束流溫度變化情況進行了分析并使用紅外熱成像進行了檢測，驗證了模型的正確性。文獻［15］利用對空中粉末側吹的方法研究了激光功率和粉末粒徑下的激光能量的衰減模式。文獻［16］使用高速攝像采集了粉末顆粒在激光輻照下的熔化過程以及運動軌跡，得出過多的激光輻射不僅會使粉末運動軌跡發(fā)生改變，而且產生羽化現(xiàn)象。文獻［17］使用高速攝像借助背影增效瞬態(tài)影像捕捉技術提取了光粉作用時粉末粒子亮區(qū)面積，分析了光粉作用過程以及對熔化基體剩余激光能量的影響。文獻［18］結合數(shù)值分析得出了利用圖像灰度值來表征粉末溫度演變的方法并證明了該方法的可行性，揭示了工藝參數(shù)對應粉末溫度的演變過程。文獻［19-20］針對預置粉末與激光的作用行為進行了建模與仿真分析。綜上所述，相關研究主要集中在粉末對激光的衰減過程以及光粉作用空間溫度場的分布等方面，而對光粉作用動態(tài)過程、光粉作用時粉末溫度的演變以及粉末顆粒進入熔池的狀態(tài)等方面研究較少。

由于同軸送粉激光熔覆過程中，熔池表面金屬蒸汽、等離子體的存在，紅外等常規(guī)熱成像手段很難準確反映粉末即將進入熔池的溫度與狀態(tài)，難以定量分析激光熱源對粉材熔化末階段的作用機制。為了準確研究工藝參數(shù)對粉材末階段溫度與狀態(tài)的影響，設計了同軸送粉激光熔覆實驗平臺、紅外熱成像采集系統(tǒng)及高速攝像采集系統(tǒng)，根據(jù)粉末不同熔化階段建立可以描述粉末熔化行為的動態(tài)熱物理解析模型，仿真計算不同激光功率下的粉末熔化特征階段持續(xù)時間并根據(jù)高速攝像對模型進行修正與優(yōu)化。最終定量獲得了不同激光功率下粉末到達熔池時的溫度與狀態(tài)，從而為進一步研究粉末對熔池的傳熱行為、熔池的熱動力學狀態(tài)等提供理論基礎，為實現(xiàn)粉末熔化行為的控制提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及設備

實驗選用45#碳素結構鋼作為基材，其尺寸為120 mm×80 mm×6 mm，選用高硬度的Ni60A 合金粉末作為粉材，其粉末粒徑在80～160 μm 之間，圖1 為粉末形貌和粒徑分布圖，其化學成分如表1 所示。實驗前，將粉末放入電阻爐中以120 ℃烘干1 h 以去除粉末中的水分，同時將45#鋼用砂紙打磨以去除表面鐵銹與氧化膜，再用丙酮酒精擦拭以去除表面油污。

表1 Ni60A 粉末化學成分（wt%）Table 1 Chemical composition of Ni60A powder（wt%）

圖1 粉末形貌和粒徑分布Fig.1 Powder morphology and particle size distribution

實驗采用的激光熱源為FL-Dlight-1500 直接輸出型矩形光斑半導體激光器，其最小光斑尺寸為1 mm×3 mm，工作波長為976±10 nm，最大輸出功率為1 500 W。送粉設備為ECPF 2-2 LC 等離子送粉器，同時配備了高精度同軸環(huán)形送粉噴嘴。采用德國艾帝斯生產制造的DIAS 短波高溫紅外熱成像儀對光粉作用熱過程進行檢測，其測量溫度范圍為900～2 500 ℃，誤差為1%，測量頻率為60 Hz。激光增材與再制造過程采集系統(tǒng)使用VEO 410L 型高速攝像機，拍攝幀率選用10 000 fps，曝光時間為1 μs，配備的鏡頭為尼康AF60 mm f/2.8D 定焦微距鏡頭。輔助光源使用HSX-F300 型氙燈。整體設計的實驗與采集系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 同軸送粉激光熔覆實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of coaxial powder feeding laser cladding

2 粉末熔化行為的檢測、建模與仿真

2.1 不同激光功率下光粉作用紅外熱成像采集

為了探究粉末在光粉作用空間中的溫度分布及進入熔池的熱物性狀態(tài)，在激光離焦量0 mm，掃描速度4 mm/s，送粉量0.25 r/min，載粉氣流量7 L/min，送粉高度20 mm 的實驗條件下，使用紅外熱成像儀對不同激光功率下激光與粉末熱交互作用進行了采集，如圖3 所示。

圖3 不同激光功率對光粉作用空間溫度分布的影響Fig.3 Effect of different laser powers on spatial temperature distribution of light powder action

由圖3 可知，隨著激光功率的增大，光粉作用空間中的溫度總體升高，粉末溫度高溫區(qū)逐漸增大且其豎直距離愈發(fā)靠近送粉噴嘴，粉末的溫度不均勻性沿光粉作用區(qū)域縱向減小。分析原因是隨著激光功率的增大，光粉作用空間中的激光能量密度均增大，粉末顆粒在光粉作用區(qū)域以相同軌跡運動相同時間所受激光輻照的能量增加，粉末溫度上升速度增大，故在相同位置粉末顆粒溫度越高，粉末顆粒高溫區(qū)也就越靠近送粉噴嘴，粉末到達熔池時熔化的粉末顆粒數(shù)量也就越多。在激光功率越高時，由于粉末溫度的迅速上升，在靠近熔池的區(qū)域形成的金屬蒸汽逐漸增多且籠罩在熔池及上部分區(qū)域，受金屬蒸汽產生的熱輻射對紅外熱成像測量粉末溫度的影響，此時獲得的測量數(shù)據(jù)并不能完全有效反映粉末顆粒溫度的問題。

2.2 同軸送粉與激光的熱交互行為采集與分析

半導體激光同軸送粉再制造過程中，粉末進入激光后會發(fā)生“固態(tài)→固液兩相態(tài)→液態(tài)→體積膨脹→氣化→等離子體”的轉變。文獻［14］中表明激光與粉末相互作用過程中輻照程度的不同會使空間中的粉末顆粒處于不同的物化狀態(tài)，而亮度信息的差異就是光粉作用過程中程度差異的直接證據(jù)。在“背影增效”的作用下，未熔的黑色粉末顆粒同軸送入激光時受到激光能量的輻照使其迅速升溫，當達到粉末顆粒的熔點后繼續(xù)吸熱并向外釋放熔化潛熱，發(fā)生固態(tài)向液態(tài)的相轉變，在高速攝像采集中觀察到粉末顆粒由黑色逐漸向亮白色轉變，當粉末顆粒全部轉化為亮白色時，粉末顆粒相變完成；若熔化的粉末顆粒繼續(xù)吸熱升溫則會體積膨脹變大，當其達到粉末氣化溫度時，則會在熔化粉末顆粒周圍產生金屬蒸汽甚至等離子體態(tài)［21］。由于熔覆時粉末數(shù)量龐大，無法逐一分析其熔化行為和對激光的影響，而典型單個粉末顆粒的熔化行為與整體粉末束流的熔化行為有著很大的相似之處。

根據(jù)上述分析，采用如圖1 所示的實驗系統(tǒng)，對半導體激光熔覆過程中典型單個粉末顆粒的熔化行為進行了采集與分析。在合理的工藝范圍內，由于粉末全部轉化為氣態(tài)或等離子體的概率較小且對整個熱過程的影響不大，因此對粉末熔化過程進行了簡化。如圖4 所示，將高速攝像采集到的粉末熔化過程經MATLAB 處理，以獲得的圖像信號中粉末顆粒熔化時的亮度與像素面積為特征信號，發(fā)現(xiàn)粉末受激光輻照后普遍存在3 個典型的特征階段：特征階段1：粉末顆粒從0 ms 運動到9.8 ms，固態(tài)粉末顆粒進入激光輻照區(qū)域開始熔化，由黑色固態(tài)開始向白亮的液態(tài)轉變。典型特征為出現(xiàn)灰度值0～160，像素值0～2 px 的粉末顆粒；特征階段2：粉末顆粒從9.9 ms運動到12 ms，固態(tài)粉末顆粒繼續(xù)吸收熱量，受激光輻照由上而下發(fā)生熔化，最終變?yōu)槿吡翍B(tài)的液態(tài)顆粒。典型特征為出現(xiàn)灰度值160～255，像素值2～5 px 的粉末顆粒；特征階段3：粉末顆粒從12.1 ms 運動到18 ms，完全熔化的粉末顆粒繼續(xù)受激光輻照，體積持續(xù)增大，甚至產生羽化現(xiàn)象，最后以高溫液態(tài)進入熔池。典型特征為出現(xiàn)灰度值為255，像素值大于5 px 的粉末顆粒。上述實驗分析及對應的圖像信號與粉末受激光輻照發(fā)生“固態(tài)→固液兩相態(tài)→液態(tài)”的理論分析一致。

圖4 粉末熔化的典型特征階段Fig.4 Typical characteristic stages of powder melting

在送粉量為0.25 r/min，送粉高度為20 mm的實驗條件下，研究了不同激光功率、離焦量、載粉氣流量及粉末入射角度對不同特征階段的影響與作用，結果如圖5～圖12 所示。其中高速攝像數(shù)據(jù)選擇了2 組工藝參數(shù)差別較大的結果進行展示；統(tǒng)計結果為更多工藝參數(shù)下的規(guī)律分析，且每個實驗參數(shù)為5 組實驗的平均值。

圖5 典型激光功率下的粉末不同熔化行為對比Fig.5 Comparison of different melting behaviors of powders at typical laser powers

圖6 不同激光功率下的粉末熔化各特征階段持續(xù)時間Fig.6 Duration of each characteristic phase of powder melting at different laser powers

圖7 典型離焦量下的粉末不同熔化行為對比Fig.7 Comparison of different melting behaviors of powders at typical defocusing volumes

圖8 不同離焦量下的粉末熔化各特征階段持續(xù)時間Fig.8 Duration of each characteristic phase of powder melting at different decoking amounts

圖9 典型載粉氣流量下的粉末不同熔化行為對比Fig.9 Comparison of different melting behaviors of powders at typical carrier gas flow rates

圖10 不同載粉氣流量下的粉末熔化各特征階段持續(xù)時間Fig.10 Duration of each characteristic phase of powder melting at different powder carrier gas flow rates

圖11 典型粉末入射角度下的粉末不同熔化行為對比Fig.11 Comparison of different melting behaviors of powders at typical powder incidence angles

圖12 不同入射角度下的粉末熔化各特征階段持續(xù)時間Fig.12 Duration of each characteristic phase of powder melting at different powder incidence angles

由圖5～圖12 可知，不同工藝條件下對粉末熔化各特征階段時間有不同的影響。隨著激光功率、載粉氣流量及粉末入射角度的增大，特征階段1 和特征階段2 的持續(xù)時間減小，隨著離焦量的增大，特征階段1 和特征階段2 的持續(xù)時間增大。分析原因是粉末顆粒在到達熔點前時對激光的吸收率高，隨著激光功率的提高相同光粉作用空間位置處的激光能量密度變大，粉末升溫速率變快，同時載粉氣流量的增大會提高粉末顆粒的運動速度，特征階段1 的持續(xù)時間也就減小的越快；當粉末顆粒到達熔點后開始釋放熔化潛熱并且其過程所需時間很短，即粉末顆粒由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的相變過程很快，即使激光功率很小，只要粉末顆粒到達熔點也會以較短時間完成相變，因此相比其他特征階段，且粉末入射角度增大使得粉末顆粒運動到熔池時的橫向距離也越遠，即粉末顆粒在激光中的運動軌跡更長，所需的時間也就更多。粉末顆粒的入射角度越大，粉末進入激光的初始階段經歷激光束梯形“邊長”處所需的時間越短，其會在更早時間到達“平臺”處，粉末受更高的激光能量密度輻照而升溫更加迅速，特征階段二的持續(xù)時間縮短。激光離焦量的增大使得激光能量密度最大的平面從基材處往上升高，光粉作用空間中的激光能量密度整體下降，單位時間作用在粉末顆粒上的激光能量減少，即粉末顆粒溫度達到熔點完全轉變成液態(tài)則需更多的時間來受激光輻照，因此隨著激光正離焦量的增大，粉末顆粒熔化時的特征階段1 和特征階段2所需時間變長。特征階段3 的持續(xù)時間隨激光功率和粉末入射角度的增大而增大，隨離焦量和載粉氣流量的增大而減小。另外，激光功率為100 W 時僅存在特征階段1，這是因為激光功率太小導致粉末顆粒從進入激光到落入熔池的過程中僅僅升高了溫度但未達到熔點，因此粉末顆粒在100 W 下僅存在特征階段1。

不同工藝條件下各特征階段的持續(xù)時間不同，導致粉末顆粒進入熔池時的溫度和熱物性狀態(tài)也不同，將對成形與質量產生重要影響。但是現(xiàn)有測試手段，例如紅外攝像等難以準確檢測液/固態(tài)粉末進入熔池的溫度，因此有必要研究粉末進入激光后熱物性狀態(tài)的演變規(guī)律并建立相關物理模型，通過數(shù)學計算與實驗結合的方法分析不同熱源特性或工藝參數(shù)下粉末進入熔池時的狀態(tài)與溫度分布，從而為提高成形精度與質量提供理論依據(jù)。

2.3 粉末送入激光時熔化行為熱物理過程解析

現(xiàn)有的熱物理模型大多使用單一的、靜態(tài)的熱量吸收方程來描述粉末進入激光后的熔化行為，從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)粉末在激光中的熔化形式并非單一、不變的熱量吸收過程，不同階段對熱量的吸收作用也是不同的。因此需要根據(jù)不同階段的特征行為建立動態(tài)的數(shù)學模型來描述粉末在激光中的熔化行為，在此基礎上進一步計算分析粉末進入熔池時的狀態(tài)與溫度。

2.3.1 激光熱源模型

為了分析熱源特性對粉末熔化行為的影響，首先建立激光熱源模型。激光與粉末交互作用涉及到復雜的能量傳輸形式和載體，同時為了更加清楚地解析同軸送粉時光粉熱交互作用，對光粉作用過程進行以下假設：

1）不考慮等離子體的影響，激光能量衰減依靠粉末吸收和散射的能量。

2）粉末所受激光的能量密度是按照梯形分布形式進行解析的。

3）粉末顆粒最終能落入熔池中。

4）由于金屬蒸汽對粉末的熱作用形式為熱傳導且影響較小，故忽略金屬蒸汽對粉末溫度的影響。

矩形半導體激光熱源有獨特的分布形式，其能量在X軸方向呈高斯分布，在Y軸方向呈梯形分布，如圖13 所示。

圖13 半導體激光熱源能量分布形式Fig.13 Semiconductor laser heat source energy distribution

由于半導體激光熱源在長度方向以梯形分布最能反映其能量分布的均勻性，并且在激光熔覆時的熔覆方向是垂直于激光光斑長度方向的，因此為了簡化激光熱源模型，假設粉末顆粒是沿垂直于激光寬度方向能量最大平面運動到熔池的，粉末受激光輻照后的熱物理行為按照激光能量密度為梯形分布解析。簡化后的激光能量分布公式為

同軸送粉激光熔覆時的粉末由于受到載粉氣流的作用，相比預置粉末和重力送粉方式有著更為復雜的粉末運動方式。環(huán)形送粉時光粉作用空間中的粉末顆粒受到來自周圍氣流阻力和自身重力的作用其受力方式更為復雜，很難解析粉末在三維空間中的受力和運動形式。但是環(huán)形送粉熔覆頭和粉末束流具有高度的對稱性，在相同送粉參數(shù)下任意截面的粉末均有相同的受力方式和運動形式。因此，針對沿激光光斑寬度中心方向的二維截面對粉末在激光中的運動模型進行解析，粉末在激光中的受力方式如圖14所示。

圖14 粉末在激光中受力二維示意圖Fig.14 Two-dimensional diagram of powder force in laser

結合運動學公式可計算出單個粉末顆粒從送粉噴嘴送出到落入熔池時水平和豎直運動的時間t1和t2，則粉末顆粒在激光中運動的最大時間為t=min [t1，t2]，其中：

式中：az粉末顆粒豎直方向的加速度；ay為粉末顆粒水平方向的加速度；v0為粉末運動的初速度；θ為粉末入射角度。

因此，將粉末運動模型式（2）和激光能量分布式（1）相互耦合，得到粉末顆粒在激光束中運動任意時間t時作用在其上的能量密度為

式中：P為激光輸出功率；W為光斑寬度；L為光斑長度；t為粉末在激光中運動到任意位置的時間。

2.3.2 特征階段1 的熱物理過程解析

針對特征階段1，粉末進入激光束初期，受激光輻照初期的粉末未發(fā)生熔化，其從低溫固態(tài)開始吸收激光能量后迅速向高溫固態(tài)轉變，其能量傳輸平衡方程為

式中：Qp-solid為固態(tài)粉末顆粒增加的內能；Qp-solidabs為固態(tài)粉末顆粒在該階段持續(xù)t1時間吸收的激光能量；Qp-solidcon為固態(tài)粉末顆粒通過熱對流散失的能量；Qp-solidrad為固態(tài)粉末顆粒熱輻射散失的能量；T0為環(huán)境溫度；αsolid為固態(tài)粉末顆粒對激光能量的吸收率；hp-solid為固態(tài)粉末對流換熱系數(shù)；Tp-solid(t)為該階段粉末顆粒受激光輻照的實時溫度；ρp-solid為固態(tài)粉末顆粒的密度；Cp-solid為固態(tài)粉末顆粒的比熱。

根據(jù)式（5）可知，特征階段一的持續(xù)時間t1隨著qlaser(t)的增大而減小，即當激光功率P和粉末入射角度θ增大、激光離焦量D和粉末入射初速度v0減小，特征階段一的持續(xù)時間t1減小，粉末實時溫度Tp-solid(t)的增長率變快。

2.3.3 特征階段2 的熱物理過程解析

針對特征階段2，粉末顆粒開始發(fā)生相變，粉末顆粒吸收激光能量升溫的同時由于相變釋放熔化潛熱，該階段激光能量載體熱物性狀態(tài)發(fā)生改變，其能量傳輸平衡方程為

式中：Qp-latent為粉末顆粒發(fā)生相變時釋放的能量；ΔHf為熔化潛熱；Tm為粉末顆粒的熔點。由于粉末顆粒由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時溫度上升空間不大并且約等于熔點Tm，式（7）進行簡化可得：

根據(jù)式（8）可知，特征階段2 持續(xù)時間t2-t1隨著激光功率P和粉末入射角度θ的增大而縮短，隨著激光離焦量D、粉末顆粒平均粒徑rp和粉末初速度v0的增大持續(xù)時間變長。

2.3.4 特征階段3 的熱物理過程解析

針對特征階段3，粉末顆粒已經完全轉變?yōu)橐簯B(tài)，其受激光輻照持續(xù)升溫直至落入熔池中，固態(tài)粉末與液態(tài)粉末的熱物性參數(shù)有較大差異，本階段的熱物理過程皆按照液態(tài)傳輸熱物性參數(shù)整定，其能量傳輸平衡方程為

式中：Qp-liquid為液態(tài)粉末顆粒內能的增加；Qp-liquidabs為液態(tài)粉末顆粒吸收的激光能量；Qp-liquidcon為液態(tài)粉末顆粒熱對流散失的能量；Qp-liquidrad為液態(tài)粉末顆粒熱輻射散失的能量；αliquid為液態(tài)粉末顆粒對激光的吸收率；hp-liquid為液態(tài)粉末顆粒對流換熱系數(shù)；Tp-liquid(t)為液態(tài)粉末顆粒受激光輻照的實時溫度；ρp-liquid為液態(tài)粉末顆粒的密度；Cp-liquid為液態(tài)粉末顆粒的比熱。

根據(jù)式（10）可知，特征階段2 持續(xù)時間t3-t2和液態(tài)粉末顆粒受激光輻照的實時溫度Tp-liquid(t)也與激光功率P、激光正離焦量D、粉末運動初速度v0和粉末入射角度θ有關，激光功率P和粉末入射角度θ增大、激光正離焦量D和粉末運動初速度v0減小，相同時間下的粉末實時溫度也會更高，特征階段3 的持續(xù)時間也就越長。

2.4 模型的驗證優(yōu)化及粉末熔化末階段溫度仿真分析

2.4.1 模型的準確性驗證與優(yōu)化

通過上述模型可以計算得出粉末進入熔池的溫度與狀態(tài)，但由于在熔池表面存在大量的高溫金屬蒸汽，難以利用紅外熱成像測得粉末進入熔池的具體溫度。利用模型計算不同激光功率下特征階段的持續(xù)時間，使用高速攝像統(tǒng)計相同實驗條件下各階段的實際持續(xù)時間，通過對比二者可以驗證模型的準確性。后續(xù)在獲得模型的基礎上，再分析粉末進入熔池時的溫度與狀態(tài)，也具有良好的可信性。

在激光離焦量為0 mm，送粉量為0.25 r/min，載粉氣流量為7 L/min，送粉高度為20 mm，粉末入射角度45°，粉末粒徑尺寸選擇圖1 中統(tǒng)計的平均尺寸為120 μm 的仿真條件下，利用MATLAB工具對式（3）、式（5）、式（8）和式（10）中t1、t2、t3對應粉末實時溫度T(t)進行仿真計算，提取不同激光功率qlaser對各特征階段持續(xù)時間t1、t2-t1和t3-t2的影響，仿真參數(shù)如表2 所示，仿真結果如圖15 所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖15 不同激光功率下各特征階段持續(xù)時間的仿真結果Fig.15 Simulation results of duration for each characteristic phase at different laser powers

由圖15 可知，隨著激光功率的增大，仿真結果與實驗結果對于各特征階段的持續(xù)時間有著相同的變化趨勢。激光功率的增大使得特征階段1 和特征階段2 的持續(xù)時間減小，特征階段3的持續(xù)時間增大。特征階段2 隨激光功率的增大變化趨勢最小，特征階段1 的變化趨勢最大，并且特征階段2 的持續(xù)時間最小。各特征階段持續(xù)時間的仿真結果與實驗結果對比如圖16所示。

圖16 激光功率對特征階段持續(xù)時間影響的實驗與仿真結果對比Fig.16 Comparison of experimental and simulation results on the effect of laser power on the duration of characteristic phase

由圖16 可知，不同激光功率下的各特征階段仿真值與實驗值存在一定偏差，特征階段1 的仿真值始終大于實驗值，特征階段3 的實驗值始終大于仿真值，并且在低功率時特征階段1 的持續(xù)時間和高功率時特征階段3 的持續(xù)時間仿真值與實驗值結果差距較大。分析原因是低功率下特征階段1 和高功率下特征階段3 的持續(xù)時間相對較長，其過程受到干擾因素如熔池反射的熱量及金屬蒸汽的熱量較多，而在仿真計算中將此類熱量的傳遞方式忽略，因此特征階段1 的仿真值相較于實驗值持續(xù)時間略有變長，而特征階段3 的仿真值相對變短。

2.4.2 粉末進入熔池時的溫度預測

粉末進入熔池時的溫度反映了粉末最終進入熔池時的熔化狀態(tài)，影響到粉末進入熔池后熱量的分布及變化趨勢，進一步影響熔覆層的精確成形。在得到準確度較高的熱物理解析模型后，通過該模型計算粉末受激光輻照后進入熔池時的瞬時溫度，即預測粉末熔化末階段時的溫度，也將具有良好的可信性。

基于修正后的粉末熔化行為的熱物理解析模型，在激光離焦量為0 mm，粉末粒徑120 μm，粉末初速度為0.8 mm/ms，載粉氣流量為7 L/min，送粉高度為20 mm，粉末入射角度45°的仿真條件下，使用MATLAB 對所建立熱物理解析模型下的不同激光功率對應粉末溫度進行仿真計算，得到不同激光功率下粉末溫度隨時間的實時變化趨勢，其結果如圖17 所示。

圖17 不同激光功率下粉末溫度隨時間的仿真結果Fig.17 Simulation results of powder temperature with time at different laser powers

由圖17 可知，粉末在激光輻照初期溫度的增量要明顯大于粉末在光粉作用中階段和末階段，這也就證明了固態(tài)粉末顆粒相比液態(tài)粉末會吸收更多激光能量，散失更少能量的現(xiàn)象。其次，在除100 W 的其他參數(shù)下，溫度曲線在1 060 ℃和1 260 ℃時出現(xiàn)了明顯的拐點，并且在1 060 ℃以下的溫度曲線增長率最快，1 060～1 260 ℃時的溫度增長率次之，在1 260 ℃以上的增長率最慢。這是因為在1 060 ℃時粉末開始熔化，在1 260 ℃時粉末完成相變，固態(tài)粉末和液態(tài)粉末對激光的吸收率和散射率不同造成粉末溫度增長率不同。此外，從溫度變化曲線還可看出粉末進入激光初期其溫度增長率逐漸增大，粉末熔化末期溫度增長率逐漸減小。分析原因是激光熱源為梯形熱源所致，在進入激光初期和熔化末期粉末分別運動在梯形熱源“邊長”處，激光能量密度的變化導致粉末溫度增長率相應改變。

激光功率較小時，未熔化的粉末顆粒進入熔池，靠熔池的熱量熔化自身，若熔池冷卻后粉末顆粒仍未熔化，會在熔覆層中形成夾渣及未熔合等缺陷；激光功率過大時，由于Ni60A 粉末的沸點約為2 700 ℃，若粉末顆粒到達熔池時溫度大于其沸點，粉末顆粒會因激光過度輻照而產生金屬蒸汽。因此，為了提高成形質量與精度，需要優(yōu)化工藝參數(shù)使得粉末到達熔池前的溫度處于合理的范圍內，文中對于熔化過程的分析及建立的熱物理模型也是為控制粉末熔化后進入熔池的溫度提供理論依據(jù)。

3 結論

1）同軸送粉激光熔覆過程中粉末的熔化過程存在“固態(tài)→固液兩相態(tài)→液態(tài)”3 個典型特征階段，根據(jù)不同階段的熱物理特征行為建立了可以動態(tài)描述熔化過程的數(shù)學模型。

2）通過仿真計算分析了不同特征階段的持續(xù)時間，并與高速攝像的實驗結果進行了對比分析，驗證了模型的有效性與準確性。

3）基于優(yōu)化后的模型分析了不同激光功率下粉末的熔化行為，得到了粉末顆粒到達熔池時的溫度與狀態(tài)，為進一步分析粉末與熔池的熱物理交互作用提供了理論依據(jù)。