1、精密制造与自动化2 0 1 7 年第3 期激光熔覆过程中光粉作用规律的研究进展木黄勇1 刘国梁1 王玲2 潘江如1(1 新疆工程学院乌鲁木齐8 3 0 0 9 1；2 新疆开源重工机械有限责任公司乌鲁木齐8 3 0 0 0 0)摘要光粉相互作用是送粉式激光熔覆过程中的一个重要环节，其结果对激光熔覆的质量产生重大影响。研究光粉作用规律对激光熔覆质量控制及工艺规划有重要意义。从粉末流特性、粉末与激光的能量作用、粉末与激光的匹配三个方面总结了光粉作用规律中的各种理论。对相关数学模型的建模原理、假设条件及应用范围进行了详细分析，对未来的研究有参考意义。关键词激光熔覆光粉作用粉末流激光能量模型激光熔覆技
2、术所形成的熔覆层成分均匀、组织细小致密、无裂纹和气孔。由于该技术能够用来直接制造或修复具有较高价值的零件，所以受到广泛重视。激光熔覆过程中激光与合金粉末在工件表面相互作用，为保证熔覆质量，粉末应该准确落入激光熔池，且粉末在落入熔池前应该被激光适度加热，所以对激光熔覆过程中光粉作用规律的研究有重要意义。目前，很多学者对激光熔覆过程中的光粉相互作用做了大量研究，本文对这些研究中所涉及的数学模型、假设条件、计算方法、应用范围、实验手段等进行了详细分析和总结，归纳出不同模型之间的相互关系和目前存在的共性问题，对未来的研究工作起到参考作用。1粉末流特性的研究送粉式激光熔覆的特点之一就是合金粉末通过载气送
3、入激光熔池，在这一过程中，粉末首先要经过激光束内部，如图1 所示，粉末在激光束内部飞行的过程中被激光辐射，同时粉末对激光产生散射作用并吸收激光的能量。激光的能量发生了损失，粉末温度也发生了变化。粉末粒子在空间的分布情况(浓度分布)与其在激光束中的运动时间是影响这一过程的重要因素，所以在研究激光与粉末之间的相互作用之前必须先研究粉末流的特性。由于粉末流的特性受到送粉量、送粉速度、送粉角度、载气流量、基材表面情况等多种因素影响，乌鲁木齐市科技产业化计划编号：c 1 5 1 0 1 0 0 0 41 4并且粉末粒子在整个运动过程中同时受到载气的拖曳力、自身重力、粉末粒子之间的碰撞等多种作用，所以粉末
4、粒子在空间上的浓度分布、速度分布是一个非常复杂的问题，国内外学者对此做了大量研究。图1 粉末与激光相互作用F UY U N C H A N G 等从载气的能量和动量方程入手，在忽略了粉末粒子的重力、激光的压力及相互碰撞等多种因素后，将载气的速度等同于粉末粒子的速度。通过求解载气的能量及动量方程，给出了极坐标形式下的粉末粒子速度关于空间坐标的表达式，该方法为后续求解粉末粒子的温度打下基础。H U A N GY A N L U 等在计算侧向送粉情况下激光经过粉末流的损耗时，以粉末流的分布域为计算区域，采用离散的方法逐层计算粉末在任意截面上的浓度分布，研究假设粉末在每一层截面上的浓度满足高斯分布咄。
5、4 1。A N D R E WJP I N K E R T O N 等以同轴送粉喷嘴产生的环形粉末流为研究对象，根据喷嘴流道结构推导了流道的结构尺寸与粉末运动分布区域的关系式。万方数据黄勇等激光熔覆过程中光粉作用规律的研究进展同时假设粉末速度与载气的出口速度相等，且在整个运动过程中恒定，粉末浓度满足高斯分布临1。以上研究中都假设粉末浓度满足高斯分布：(五y,Z)=赢面r h 而而。而拓e x p-肌r(x 荆,y,z)。Z、(1)式中：流为送粉率；P。为粉末密度；A y 为沿激光轴向的微小增量；r(x，Y，z)为某坐标点处距离粉末流中心的距离；R(x，Y，z)为某坐标点所属粉末流截面半径；妒为
6、侧向送粉情况下粉末流中心与水平方向夹角。随着计算流体力学多相流模型及其数值解法的发展，许多学者开始采用单向耦合的基于L a g r a n g i a n 粒子跟踪(L a g r a n g i a np a r t i c l et r a c k i n gm o d e l)的流固两相流模型分析粉末与载气的运动特性。目前该模型在粉末流与载气的数值模拟中应用广泛，比如，贾文鹏、靳晓曙、S H A O Y IW E N、I T A B E R N E R O 等在研究激光熔覆中各物理量的传递现象时，都应用N s 方程和k 一模型建立了载气的计算流体力学模型，并且应用拉格朗日法处理气体中的粒子运动，得到了粉末粒子在流场中的分布情况1“。J U A N S E T H II B A R R A M E D I N A 和O B K O V A L E V 在对粉末粒子的运动进行数值模拟时，为了更符合实际情况，将基材边界条件处理为静止刚体，通过这种方法模拟了基材对粉末粒子的影响“2 1 3。还有部分学者考虑了喷嘴流道对粉末流的影响，将模拟计算区域扩展到粉末喷嘴内部u 1 7。基于以上研究
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