激光熔覆数值模拟技术发展现状及应用

2021-09-14赵海涛付洪宇

沈阳理工大学学报 2021年3期

赵海涛，付洪宇

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳110159)

激光熔覆技术在实际应用中又被称为金属激光增材制造技术，在现代化材料制造产业中属于一种全新的技术，该技术主要是指在材料的表层覆盖一层或多层材料，以高密度集成处理的方式，使材料在表层形成一层保护层或在基体材料之上进行增材制造[1-5]。此项技术的核心为：采用激光同轴输送粉末材料的方式，将粉末材料在喷涂过程中进行熔化处理，并通过激光照射将粉末材料结合在基体材料上。激光熔覆技术在应用中具有融合度高[6]、材料覆盖能力强[7]、改善材料表层物理性能的显著优势等[8]；同时在材料与基体融合过程中，基体的耐热性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能等均得到了显著性提升，达到对基体修复处理的目的[9-12]。此外，激光熔覆技术制备出的材料还具备密度高、集成性优良等特点，在金属材料制造业中得到了广泛的应用。

激光熔覆制造技术存在着制造成本高、材料消耗大、激光参数不确定等不足，反复进行的大量实验一定程度上限制了工业生产的质量和效率，所以一种基于电子计算机的有限元模拟技术近几年被应用于研究激光熔覆技术的制造参数和反应机理。

结合激光熔覆的发展现状发现，其模拟技术受到行业内的广泛关注，该数值模拟的主要内容包括激光熔覆温度场[13]、应力场[14]及流场[15]的数值模拟；通过数值模拟技术得到精度更好的激光熔覆各项参数[16-18]。本文综述了激光熔覆数值模拟技术发展现状，并在此基础上分析激光熔覆数值模拟技术的实际应用。

1 激光熔覆数值模拟研究现状

1.1 温度场数值模拟研究现状

针对激光熔覆数值模拟技术，在温度场数值模拟方面的发展现状中，通过考虑激光熔覆的动态变化过程，以热传导的方式模拟激光熔覆由固体到液体的扩散变化过程，进而模拟温度场在激光熔覆技术下的变化情况[19-20]。

苏德发等[21]通过ANSYS软件对激光熔覆FeCr涂层建立有限元模型，分别以500W、700W、900W、1100W不同的激光功率，以4mm/s的扫描速度进行熔覆试验，得到FeCr涂层激光熔覆过程中温度场分布；分析结果表明，熔覆过程熔池的温度梯度很大，另外光斑附近温度最高，且随着激光功率的增加，各时段中心点的峰值在不断增加。通过观察熔覆层微观组织形貌，验证了数值模拟的正确性。

任仲贺等[22]利用ANSYS生死单元技术建立单道次激光熔覆模型，通过对熔覆层表面相隔50mm各节点的温度模拟及测量，结果表明，随着时间的增加，各节点温度曲线的峰值在不断增加，且峰值升温过程近似于正比增加；因为熔池传递导致热量累积，使下一时刻的熔池温度更高，而各节点的降温过程近似为双曲线，说明各个节点温度随时间的降低以先快后慢的方式下降。

Yong Y W等[23]选择ANSYS有限元软件，利用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)技术建立了具有移动热源的三维数值模型，并建立了ANSI1045镍基合金熔覆层瞬态热分析的数值模型，得到温度分布；以材料熔点为阈值，从温度分布中提取熔池形状和尺寸，并在实验结束后，对熔覆轨迹高度、热影响区高度及稀释度进行了熔池质量分析，实际熔池及模拟熔池温度场对比图如图1所示。

图1 实际熔池及模拟熔池温度场对比图

模拟结果表明，光束中心的温度随扫描方向和扫描速度的增加而变化。不同节点熔池模拟温度场如图2所示。

从图2中两个不同节点的熔池峰值温度可以看出，随着时间的增加，不同节点的熔池峰值温度也在增加；这是因为激光熔覆过程中扫描速度很快，前一点熔池还没有完全冷却，下一点就已经加热，导致熔池中的热量在累积，因此熔池中各个节点的峰值温度随着时间而升高。

图2 不同节点熔池模拟温度场

Liu C M等[24]提出了一种改进的三维有限元模型，为模拟激光熔覆过程与粉末颗粒及颗粒间空隙相关的复杂热行为，采用简化的指数衰减模型对热源进行修正；考虑到重熔区两侧激光吸收率和材料性质的不同，采用复杂的不对称热源进行多道熔覆，用于研究AlSi10Mg合金激光熔覆过程中的热行为和组织演变。通过实验和理论计算，区分AlSi10Mg粉末和AlSi10Mg合金不同的材料性能，为模拟提供更可靠的材料参数；同时建立了一种温度选择判断机制来模拟激光熔覆过程，并利用5kW光纤激光器进行了激光熔覆实验，为仿真提供了基础数据，并对仿真实验进行了验证。研究表明，非对称热源模型能较好地模拟多径包覆过程中的复杂热行为，输入热量更易向未熔化粉末的方向扩散，热积累增加了熔覆层的宽度。

沿熔池边界标记监测点，建立G/R曲线(温度梯度G、凝固生长速率R)，可以预测熔池边界的凝固行为；最大温度梯度G位于熔池底部，最小温度梯度G位于熔池顶部表面。

1.2 应力场数值模拟研究现状

激光熔覆过程中残余应力是激光熔覆成型的重要影响因素之一。由于整个激光熔覆过程是瞬时升温融化并降温凝固的过程，熔覆材料内部会因热应力和流场的残余应力影响产生很多缺陷而影响熔覆质量，采用有限元数值模拟技术可以有效精确地通过改变参数控制熔覆层中的残余应力，提高激光熔覆质量[25]。

R Jendrzejewski等[26]对激光熔覆过程中钨铬钴合金SF6的应变应力场进行了数值计算；实验采用SF6在X10Cr13铬合金上进行熔覆，激光熔覆加工原理图如图3所示。

图3 激光熔覆加工原理图

实验表明，基材的初始加热温度为20℃时，最大计算应力达到1800MPa，超过了钨铬钴合金SF6的抗拉强度极限900MPa，表明可能发生了微裂纹；初始基温为500℃时，计算的应力值低于上述限值900MPa，据此，研究者可以预测熔覆层有无裂纹。为在基板预热的情况下获得理想的熔覆涂层工艺效果，应将激光束强度降低到无预热基板的60%。

Liu H M等[27]研究了宽光束激光沉积单道熔覆层应力场的演化，讨论了熔覆层在不同方向、不同路径上的热应力分布情况；研究结果表明：熔覆层边缘与基板顶面结合区的应力最大；熔覆层顶面的应力水平高于其它路径；在熔覆深度方向，应力分量SZ最大，且所有应力均先增大后减小；熔覆层表现为拉应力，而基体表现为压应力。

Zhao S G等[28]采用激光熔覆技术在TC11钛合金表面包覆立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，CBN)，通过有限元方法对熔池运动进行模拟；实验在法向力和切向力作用下，通过改变涂层厚度、涂层裂纹长度和裂纹宽度，研究了界面应力对涂层受力的影响；模拟结果表明：0.2mm涂层的界面应力值达到1.485GPa；0.5mm裂纹长度的界面应力值达到0.3707GPa；0.06mm裂纹宽度的界面应力值达到0.2234GPa。说明在不限制涂层厚度的情况下，涂层越厚，熔覆质量越好。

1.3 流场数值模拟研究现状

激光熔覆过程中的流场和应力场模拟大多基于平面，而实际上熔覆可能发生在任意曲面上。

Lian G F等[29]基于响应面法中心复合设计，建立了曲面多径激光熔覆工艺参数(激光功率、扫描速度、气体流量、复叠比)与熔覆性能(平面度比、孔面积)间的数学模型。实验表明：扫描速度、气体流量和重叠比对孔隙面积有影响；随着激光功率和重叠比的增加，孔面积呈现先减小后增大的趋势；随着气体流量和重叠比的增大，孔面积先增大后减小。在优化后的工艺参数设置下，利用所建立的数学模型计算了平面度比和孔面积。将平面度比和孔面积的模拟计算结果同实验结果进行比较，验证了模型预测的充分性，表明了弯曲表面激光熔覆层成形控制的应用潜力。

Gong X Y等[30]根据物理中的质量守恒定律和运动方程，建立了柱状分布流场中的粉末输运模型，并给出了粉末输运比的数学表达式。针对不同的工艺参数，利用该模型计算了熔覆层的截面积，对理论和实验结果进行了比较；理论截面积的变化趋势与实验结果吻合较好。结果表明：输粉率随送粉量或激光扫描速度的增加而减小，随激光功率的增大而增大；圆柱分布流场的输粉比更接近纯几何方法计算的长度比。模拟理论计算结果高于实验值，两者随工艺参数的变化具有相同的变化规律，因此，该模型可用于实际熔覆过程粉末流场的基础理论研究。激光熔覆过程熔池流动和物质传输模型如图4所示。

图4 激光熔覆过程熔池流动和物质传输模型

2 激光熔覆数值模拟技术应用

2.1 建立激光熔覆温度场瞬态模型

针对有限元模拟技术在激光熔覆的应用，可以通过温度场数值模拟的方式，建立激光熔覆温度场瞬态模型，为温度场热源控制过程提供精准的瞬时状态参考[31-33]。

因为激光熔覆过程为金属粉末通过激光加热短时间内快速熔化、冷却的过程，所以瞬时的温度及状态通过传统方法很难监控和记录，且由于室温、气压等因素导致测出的温度不准，此时需要有限元模拟计算作为辅助，建立激光熔覆温度场瞬时模型进行分析。张亚普等[34]通过ANSYS仿真软件对27SiMn钢基体激光增材304L不锈钢过程进行温度场模拟，将所得温度场云图与实际熔覆监控实验进行比对，获得较为准确的激光熔覆过程熔池温度变化曲线。

在实际应用该技术的过程中，必须考虑到激光熔覆过程中周围环境因素造成的对流换热。因此在建立模型时，必须精准采集激光熔覆功率[35]、扫描速度[36]、光斑尺寸及搭接率等激光熔覆参数[37]；将上述参数导入，根据实际基体及熔覆层尺寸得到三维有限元模型；再通过模型假设的方式，设定激光熔覆温度场瞬态模型热源上限，并在上限范围内校正热源，以此建立激光熔覆温度场瞬态模型。在该技术下建立的激光熔覆温度场瞬态模型能够实时模拟出温度场的变化状态，由此可判断激光熔覆热源的移动情况[38]。

2.2 预测激光熔覆缺陷

激光熔覆技术应用过程中，可通过应力场数值模拟的方式预测激光熔覆缺陷[39]。考虑到应力场数值模拟结果能够直观地表现出熔覆层的力学性能，由此得出熔覆层的质量；因此通过该技术模拟激光熔覆应力场，能够预测激光熔覆过程中存在的气孔、杂质及裂痕等缺陷，在此基础上，可以通过控制扫描速率等方式，防止上述缺陷的进一步恶化，为解决缺陷提供充足的准备时间。

Song J L等[40]采用有限元方法对三维瞬态温度场进行了研究，结果表明：低碳纤维具有极高的温度梯度和冷却速率，分别达到105～106℃/m和103～104℃/s；激光功率和扫描速度对先进材料熔覆层的熔池尺寸、固液界面冷却速度和温度梯度有显著影响；利用数值模拟结果对沉积组织进行了表征，分析了成形机理，通过数值模拟优化了工艺参数，得到了无缺陷的显微组织。

Hao N H等[41]利用ANSYS有限元软件对熔覆过程进行了模拟，并且进行了热应力分析。研究表明：熔覆层凝固后处于拉应力状态，但各方向应力不均匀，沿熔覆层方向的拉应力最大，导致熔覆层开裂。因此提高基体预热温度是避免裂纹产生的有效途径。

2.3 定性分析激光熔覆内部变化

激光熔覆技术在应用过程中，可以通过流场数值模拟的方式定性分析激光熔覆内部变化[42-43]。通过模拟激光熔覆过程中熔池流体的流动方向及流动速率，掌握激光熔覆内部粉末流的汇聚规律，进而为激光熔覆的成型提供数据支持。通过定性分析激光熔覆内部变化，得到激光熔覆的内部“焦点”，进一步保证激光熔覆的成型精度及效率。

3 激光熔覆模拟技术发展现状及存在问题

激光熔覆技术作为一种先进材料制造技术和表面改性技术，在金属材料领域被广泛应用。为提高制造工艺的准确性，提升材料成型制造的质量和性能，缩短实验研究的周期，提升实验效率，近年来激光熔覆数值模拟技术被用来分析激光熔覆的工艺参数及反应机理。其中有限元模拟技术大多用来分析激光熔覆过程的温度场、应力场及熔池流场内部情况。通过对激光熔覆温度场的分析可知激光参数的设置对熔池内热量的影响，分析数据可以更好地控制加工参数。通过对激光熔覆应力场的分析，表明熔池、基体温度及激光路径、熔覆层尺寸等工艺参数对加工热应力的影响；对应力场的分析可以有效控制熔覆成型发生的缺陷，保证熔覆层质量。通过对激光熔池流场的分析可知熔池的流动对激光熔覆层的影响，从而得到更好的工艺参数。

目前激光熔覆模拟技术主要用于建立激光熔覆温度场瞬态模型、预测激光熔覆缺陷及定性分析激光熔覆内部变化，对于监控激光熔覆加工过程和分析激光熔覆反应机理有着重要的作用。但目前激光熔覆模拟技术还存在着一些不足，如对于复合材料的激光熔覆增材制造、熔覆金属掺杂其它粉末模拟时，还无法考虑颗粒的均匀程度；另外，熔覆过程中工作环境对激光熔覆制造的影响还需进行进一步的研究。