條形光束雷射熔覆的熔池特徵及塗層力學性能研究

《條形光束雷射熔覆的熔池特徵及塗層力學性能研究》是依託中國科學院力學研究所，由李少霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：條形光束雷射熔覆的熔池特徵及塗層力學性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李少霞
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

熔池的形成和凝固過程是雷射熔覆的核心科學問題，熔池特徵決定著塗層最終的力學性能。針對現代工業套用對雷射熔覆金屬零件表面塗層高質量、高性能的嚴苛要求,本項目採用整形後的條形光束作為雷射熱源，突破工業雷射器原始輸出的多模高斯圓形光束在空間強度分布上的局限性，開展條形光束雷射熔覆的熔池特徵及塗層力學性能研究。主要包括以下內容：研究條形雷射束作用下熔池形成、演化及熔池自由界面形貌;開展熔池瞬態溫度場和流體速度場的數值模擬及力學分析；研究條形雷射束熔池凝固過程中固液界面區的微結構、微缺陷及殘餘應力的產生和演化；研究條形雷射熔覆塗層的力學性能，結合數值模擬結果與先進的檢測技術，探索工藝參數對塗層性能的影響規律。通過本項目的研究深入理解條形雷射熔覆過程中熔池演化的機理，為工藝參量與熔覆層性能的量化控制提供科學依據。

結題摘要

雷射熔覆技術可顯著改善金屬表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等服役性能，作為送粉式雷射增材製造過程，雷射束能量的輸入和粉末流質量添加是影響其熔池特徵和塗層性能的決定性因素。本項目以條形雷射束為熱源，突破雷射器直接輸出的圓形高斯光束在空間強度分布上的局限性，結合雷射束能量分布、粉末流特性以及基體材料特性，研究了在雷射、粉末、基體共同作用下，熔池的形成、演化和凝固，探索了雷射束能量密度分布和工藝參數對熔池形貌、沉積形貌和凝固組織的影響。研究了同軸粉末流場的特徵，分析了載粉氣流量、保護氣流量和送粉率等對粉末流濃度分布的影響，結合粉末流的離散相模型和條形光束尺寸，設計了新型的寬頻送粉噴嘴結構，採用可分流的內部結構，多通道的出口形式，獲得濃度分布較均勻的寬頻粉末流場。建立了雷射熔覆過程的三維瞬態模型，考慮了粉末添加、熔化潛熱、對流換熱和氣液界面的追蹤。提取了與熔池驅動力、傳熱、流動、傳質等相關的無量綱參數，研究了在不同熱、質輸入條件下的熔池特徵。研究了條形光束作用下的熔池傳熱和流動，對比了條形光束與高斯光束作用下，熔池在傳熱、流動和形貌等方面的差異。條形光束作用下的熔池長寬比大，熔深淺，熔池表面積大，溫度梯度高，溫度場和流場各向異性明顯。探討了不同熱輸入條件對塗層形貌和凝固組織的影響，採用條形光束製備了超薄的寬頻熔覆塗層，塗層寬約5mm，塗層厚度均勻，約為50μm，在橫截面內均為等軸晶組織。等軸晶的產生是晶體成核率和生長率的競爭導致的結果，條形光束作用下，熔池的過冷度大，成核率高，抑制晶粒的長大，形成了等軸晶組織。本項目的研究結果為雷射熔覆過程中熱質輸入與熔覆層性能的量化控制提供科學依據，對於深入理解雷射熔覆過程的物理機制、控制塗層質量具有重要的科學意義和工程價值。