激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值分析

【摘要】： 激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它是在被熔覆的基体上以不同的方式放置选择的涂层材料，通过激光辐照使之和基体表面熔化，经过快速凝固形成低稀释度的与基体呈冶金结合的表面涂层，从而改善材料的表面性能。这是一项发展非常迅猛且具有广泛应用前景的材料加工新技术。本文的研究对象是同步送粉激光熔覆。同步送粉激光熔覆实际上是激光、熔覆材料和基体三者之间相互作用的过程，其中激光与基体，激光与熔覆材料粉末颗粒的相互作用是激光熔覆的两大关键。本文针对激光熔覆这两大过程进行了理论模型和数值分析研究，并进行了相应的实验研究。 本文的主要工作如下： 1、建立了对流—扩散，固—液相变统一的瞬态三维移动光源的激光熔凝数学模型。 2、建立和发展了针对该数学模型通用形式控制方程组的固定网格数值解法。 3、建立了激光熔凝和激光熔覆阈值条件计算方法和熔覆材料粉末流对激光束遮光率的模型。 4、建立了熔覆材料粉末颗粒穿越激光束温升的数学模型并进行了计算分析。 5、对激光熔凝和激光熔覆过程中所涉及的相关问题及影响因素进行深入系统的理论分析，数值分析和实验研究。对各种工艺参数对激光熔覆的影响规律进行了总结。 6、进行了激光熔凝实验和激光熔覆过程微距连续拍摄实验。 本文通过数值分析和实验研究得到以下主要结论： 一、激光与基体的相互作用： 包括激光熔凝和激光熔凝的阈值条件 1、浮力驱动熔池中液态金属的自然对流，从横切面看在熔池中形成以激光光斑中心轴为对称的两个方向相反的涡流，带动自由表面的液态金属从熔池中心流向熔池边缘，其形态类似于表面张力温度系数为负值时的情况。浮力驱动的自然对流其作用效果非常弱，对熔池形状，基体(包括熔池内外)温度场影响很小。考虑熔池中的自然对流与在基体中只考虑导热两种情况下的熔池形状及温度场分布几乎没有什么差别。浮力驱动的自然对流其速度在每秒微米的量级上。因此，从驱动力角度上看计算模型可以略去浮力，以减少计算量。 2、表面张力形成的热毛细流动(Marongoni 流)对熔池的形状、流场及温度场有很大的影响，热表面张力是熔池中液态金属流动的主要驱动力。其作用与 激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值模拟刘振侠 2、激光熔覆的闭值条件，可以通过激光熔凝的阂值条件和遮光率相祸合得 到。 3、熔覆材料粉末颗粒穿过激光束时，因吸收部分激光能量而温度升高。粉 末温升随着它与激光束作用时间增大而增大;相同的作用时间下，激光功率高则 温升高，光斑直径大则温升小。 4、就本文计算所涉及的范围内，粉末颗粒到达熔池前其温度没有达到其熔 点。