送粉式激光熔覆中瞬态温度场与几何形貌的三维数值模拟_刘昊

２ ２ ｒ ２ Ｐ （ ） Ｉ（ ｒ）＝ ２ｅ ｘ １ ｐ－ ２ ， ｒ ｒ ｂ π ｂ 式中 Ｐ 为激光功率 ， ｒ ｒ 为距激光束 ｂ 为激光束半径 ，
（ ）
样采用生死单元法 ， 计算分析了激光快速成形航空 发动机涡轮叶片过程的温度场与应力场 。 这些研究 工作在使用生死单 元 法 时 ， 一个共同点是熔覆层或 成形壁面 的 几 何 形 状 是 建 立 几 何 模 型 时 预 先 设 定 的， 然后在每个时间步中 ， 根据激光束的位置 “ 激活 ” 熔覆层单元来模拟熔覆材料的生长 。 利用这样的方 但 法可以研究激光熔 覆 过 程 中 材 料 的 热 历 程 规 律 ， 难以模拟熔覆层几何形貌的形成过程 。 采用生死单元法考虑激光熔覆中材料的动态添 加过程 ， 提出一种无 需 预 先 设 定 熔 覆 层 几 何 形 貌 的 三维数值模型 。 模 型 中 在 每 个 时 间 载 荷 步 内 ， 根据 瞬态温度场计算结 果 捕 捉 熔 池 界 面 ， 然后依据熔覆 “ 激 活” 与熔池气液界面相邻 材料的质量守恒关 系 ， 的单元 ， 参与下一载荷步的温度场计算 ， 使模型具备 同时计算温度场和熔覆层几何形貌的能力 。 进行了 不同送粉速率下的 送 粉 式 激 光 熔 覆 验 证 试 验 ， 计算 结果与试验结果基本吻合 。
１ 引 言
激光 熔 覆 是 一 种 柔 性 化 的 先 进 制 造 技 术 ， 适用 零件修复与再 于在金属表面制备 特 殊 性 能 的 涂 层 、
］ １－３ 。根据熔覆材料输 制造 、 快速 成 形 等 多 种 场 合 ［
３］ 。 其中 ， 粉法 ［ 送粉 式 激 光 熔 覆 具 有 与 基 体 结 合 强
第４ ０卷 第１ ２期 ２月 ２ ０ １ ３年１
中 国 激 光 ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｏ Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｓ ＯＵ ＲＮＡ Ｌ Ｊ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０，Ｎ ｏ ． １ ２ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ２ ０ １ ３
送粉式激光熔覆中瞬态温度场与几何形貌的 三维数值模拟
中 国 激 光
素 。 而激光熔覆过程是多参数相互影响的化学冶金 过程 ， 激光功率 、 扫 描 速 度、 送粉速率等工艺参数对
］ ４－５ 。 利用线性回 熔覆层的几何形貌都有直接影响 ［ ５］ ６］ 、 神经网络和粒子群算法 ［ 等数学方法 ， 可 归分析 ［
以拟合激 光 单 道 熔 覆 试 验 的 工 艺 参 数 与 熔 覆 层 高 度、 宽度 、 熔深等几何形貌之间的函数关系 。 但表达 式中的参数缺乏明 确 的 物 理 含 义 ， 并且在不同环境 条件下的试验 ， 对相 同 工 艺 参 数 通 常 拟 合 出 不 同 的
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（ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｉ ｎ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｍ ａ ｎ ｕ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ｙ ｙ ｆ ｆ ｇ， ｆ ， ， ） Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ９ ０ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｆ ｊ ｇ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ａ － － ｐ ，ｗ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｏ ｗ ｅ ｒ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｈ ｉ ｃ ｈ ｔ ａ ｋ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｔ ｈ ｅ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｙ ， ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｏ ｆ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｔ ｏ ａ ｃ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｙ ｐ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ．Ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｇ ｙ ｐ ｇ ｇ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｋ ｅ ｅ ｐ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ．Ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ａ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ｔ ａ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ， ， ， ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｈ ｅ ｉ ｈ ｔ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｔ ｈ ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｏ ｕ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ａ ｒ ｅ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ ， ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｏ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ． ｔ ｈ ｅ ｐ ｙ ｐ ； ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｕ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｙ ｑ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ＯＣ Ｉ Ｓ ｃ ｏ ｄ ｅ ｓ ４ ０． ３ ３ ９ ０； ２ ４ ０． ６ ７ ０ ０； ３ ５ ０． ３ ３ ９ ０ １
度高 、 稀释率低 、 组 织 均 匀 致 密、 工件热影响区与加
］ ２－３ 。 工变形小 、 易于实现自动化控制等优势 ［
激光熔覆层的几何形貌既是熔覆运动轨迹设计 的参考因素 ， 也是影 响 最 终 工 件 尺 寸 精 度 的 重 要 因
送方式的不同 ， 激光 熔 覆 可 以 分 为 预 置 粉 末 法 和 送
］ ［ ７－８ ９］ 杰等 ［ 与Ｗ ａ ｎ ｇ 等 采用了生 死 单 元 法 数 值 模 拟 计算得到的热历 单道多层成形热历 程 的 演 化 规 律 ， １ ０］ 同 程温度曲 线 与 试 验 结 果 吻 合 良 好 。 贾 文 鹏 等 ［
２． １ 基本假设 为了 简 化 计 算 ， 对激光熔覆过程采用以下基本 假设 ： ）假设激光束强度为高斯分布 ， 表示为 １
４］ ， 表达 式 ［ 影响了这种试验拟合的方法对工艺优化
图 １ 送粉式激光熔覆示意图 Ｆ ｉ ． １ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｇ ｇ ｊ ｐ
的指导意义 。 国内 外 学 者 在 近 些 年 来 通 过 建 立 数 值 模 型 ， 对 激光熔覆过程进行 模 拟 计 算 ， 探究工艺参数对熔覆 层质量的影响规律 。 激光熔覆数值模拟的其中一个 张永 关键点是对熔覆材 料 添 加 过 程 的 考 虑 和 描 述 ，
刘 昊 虞 钢 何秀丽 李少霞 郑彩云 宁伟健 葛志福
（ ） 中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室 ，北京 １ ０ ０ １ ９ ０ 摘要 针对送粉式激光熔覆的特点 ， 基于生死单元法建立了一种可以同时计算瞬态 温 度 场 及 熔 覆 层 几 何 形 貌 的 三 模型中考虑了送粉过程中激光能量的衰减和粉末颗粒的温升 。 基于 该 模 型 对 送 粉 式 激 光 熔 覆 过 程 中 维数值模型 ， 在 熔 覆 开 始 较 短 时 间 后， 工件的瞬态温度分布与熔覆层几 的温度场分布和几何形貌特点进行了分析 。 结果表明 ， 何形貌基本保持稳定 。 进行了不同送粉速率下的送粉式激光熔覆试验 ， 对比了熔 覆 层 横 截 面 几 何 形 貌 的 试 验 结 果 熔覆层表面轮廓线与试验结果基本保 持 一 致 ， 熔 覆 层 的 宽 度、 高度和熔深与试验结果基本吻合， 说明 和计算结果 ， 了所建立的激光熔覆层几何形貌计算模型的有效性和可靠性 。 关键词 激光技术 ； 激光熔覆 ； 数值模拟 ； 几何形貌 ； 瞬态温度场 ： ／ 中图分类号 Ｔ Ｇ １ ７ ４． ４； ＴＮ ２ ４ ９ 文献标识码 Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ Ｃ Ｌ ２ ０ １ ３ ４ ０． １ ２ ０ ３ ０ ０ ７ Ｊ
；收到修改稿日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ６ １ ８ ２ ０ １ ３ ０ ７ １ ７ 收稿日期 ： － － － －
） 基金项目 ：国家自然科学基金面上项目 （ １ １ ２ ７ ２ ３ １ ６， １ １ ２ ７ ２ ３ １ ７ ， 作者简介 ：刘 昊 （ 男， 博士研究生 ， 主要从事激光熔覆热防护涂层工艺方面的研究 。 １ ９ ８ ５—） ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ Ｌ ｅ ｏ ｎ ａ ｒ ｄ ｏ ２ ０ ０ ８ ＬＨ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ， 导师简介 ：虞 钢 （ 男， 研究员 ， 博士生导师 ， 主要从事激光与材料相互作用和激光制造工艺力学等方面的研究 。 １ ９ ５ ８—） ： （ 通信联系人 ） ｕ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ｍ ｅ ｃ ｈ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＠ ｇ ｙ １ ２ ０ ３ ０ ０ ７ １ －