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激光熔覆熔池温度的测量摘要 七禽面 了i 鄙j 乏 激光熔覆是利用高能量激光柬熔化涂层材料和一薄层基体，形成一个无气孔、 无裂纹并能和基体形成良好冶金结合的表面涂层，它已成为现代表面技术体系中 的极具发展前途和颇具特色的新技术之一。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的 质量有很大的影响。其参数主要有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度等， 它们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大的 影响，这些影响都可以从熔池的温度变化中体现出来。 本文从激光熔覆的熔池入手，用红外测温仪测量不同参数下熔池温度的变化， 寻找出其中的规律，研究了激光单道熔覆和单道多层熔覆温度两种情况，得到如 下结果： 1 、利用红外测温仪建立了激光熔覆的温度测量系统，可以对熔池温度实施定 点测量和实时跟踪测量。 2 、在单道熔覆中通过跟踪测量研究了激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑 直径和基体预热温度对熔池温度的影响规律。 3 、在单道多层熔覆中测量了熔覆不同层时熔池温度的变化，分析了结合面的 金相和熔覆层的组织结构。 4 、测量了多层熔覆中的基体温度，分析了基体温度随扫描层数增加的变化规 律。 5 、对熔覆过程进行了能量分析，研究了扫描参数对熔覆层厚度和宽度及熔覆 层夹角的影响，提出了熔池温度闭环控制的原理。 关键词：激光熔覆熔池温度测量 作者：陈钟 指导教师：苏桂生 激光熔覆熔池温度的测量 a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gi su s e dt of o r mak i n do fs u r f a c ec o a t i n g ，b yu s i n ga h i g h e n e m yl a s e rb e a mt om e l tc o a t i n gm a t e r i a la n da t h i nl a y e rb a s em e t a l ，w h i c h h a sa g o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t ht h es u b s t r a t e ，w i t h o u tg a sh o l e sa n dc r a c k i th a sb e e nb e c o m i n go n eo fn e wt e c h n i q u e st h a th a v ei n f i n i t ed e v e l o p m e n t f u t u r e l a s e rc l a d d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s sa c c o m p a n i e dw i t hp h y s i c a la n d c h e m i c a lr e a c t i o n ，s op a r a m e t e r sa r ei m p o r t a n tt ot h eq u a l i t y t h em a i n p a r a m e t e r si n c l u d el a s e rp o w e r , s p o td i a m e t e r , r a t eo ff e e d i n gp o w d e ra n d s c a n n i n gs p e e d tw h i c hh a v em u c he f f e c to n d i j t i o n r a t e ，c r a c k ，s u r f a c e r o u g h n e s s ，c o m p a c t n e s so ft h ew o 水p b a n da l lt h ee f f e c tc a nb es h o w e d t h r o u g ht h ec h a n g eo fm o l t e np o o lt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , m o l t e np o o lt e m p e r a t u r ei nl a s e rc l a d d i n g p r o c e s sw a s m e a s u r e db yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，a n dt h e i n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gc o n d i t i o no nt h et e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y w er e s e a r c h e ds i n g l e - p a s sa n dm u l t i - l a y e rc l a d d i n ga n dg o t s o m er e s u i t sa sb e l o w ： 1 t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mw a sb u i l tu pb yu s i n gat w o - c o l o r i n f r a r e dt h e r m o m e t e r , a n df i x e d - p o i n tm e a s u r e m e n ta n dr e a m et r a c k i n g m e a s u r e m e n tw e r ea c h i e v e d 2 t h ei n f l u e n c eo fl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e d ，p o w d e rf e e dr a t e ，s p o t d i a m e t e ra n dp r e h e a t i n go nt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e np o o lw e r er e v e a l e di nt h e p r o c e s so fs i n g l e - p a s sc l a d d i n g 3 t h ec h a n g eo fm o l t e np o o lt e m p e r a t u r eo fd 晰e r e n tl a y e r sw a sm e a s u r e d ， a n dt h e m e t a l l o g r a p h i ca n dm i c r o s t r u c t u r e si nc o m b i n e di n t e r f a c ew e r e a n a l y z e d 4 t h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ew a sm e a s u r e d ，w h i c hv a r i e dw i t ht h e 激光熔覆熔池温度的测量 a b s t r a c t s c a n n i n gl a y e r , a n dt h er u l e sw e r ei n v e s t i g a t e d 5 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dn e r g ya n a l y s i s ，t h et h i c k n e s s ，w i d t ha n d i n c l i n a t i o no fl a s e rc l a d d i n gl a y e rw e r er e s e a r c h e d a n dt h et h e o r yo fc l o s e dl o o p c o n t r o lw a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，m o l t e np o o l ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 1 i w r i t t e nb yc h e nz h o n g s u p e r v i s e db ys ug u i s h e n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学 位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：2 1 i ：! ：2 日期：出生：! 激光熔覆熔池温度的测量第一章绪论 笛一音焙袷n 1 1 激光熔覆技术 众所周知，磨损和腐蚀是机械构件的主要破坏形式，所导致的经济损失十分 惊人，采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法。 近3 0 年来，有许多新的科学技术渗透到表面强化领域，使金属的表面强化得到迅 猛的发展，由此开发出来的表面强化技术构成了目前材料表面技术的主流。7 0 年 代大功率激光器出现以后，便有人将之应用于金属表面处理上面。 激光表面处理技术是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面 的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、构件的耐磨、耐蚀、耐疲劳 等一系列性能，以满足各种不同的使用要求，实践表明，激光表面处理因其本身 固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面处理方法。 激光表面改性技术主要包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面合金化、激 光冲击硬化、激光化学气相沉淀、激光熔覆等多种工艺。激光熔覆技术是激光表 面改性技术中发展最为迅速，最具有广泛应用前景的技术。利用该技术可以在低 成本基体上面覆盖上耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐 射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层“，在信息、能源、航空航天、汽 车、新材料制各和生物医学领域展示了广阔的应用前景。1 9 7 6 年美国a v c 0 公司取 得第一个论述高能激光熔覆的专利，1 9 7 9 年日本也公布了激光熔覆在汽轮叶片机 上的应用专利啪。进入8 0 年代以后，激光熔覆技术得到了快速发展，成为材料表 面工程领域的前沿课题，它主要有以下优点叫嘲：界面为冶金结合，组织极细，覆 层成分、稀释率及覆层尺寸可控，热变形小，易实现选区熔覆，工艺过程易实现 自动化。 激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层 材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极 低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、 耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。 第一章绪论激光熔覆熔池温度的测量 激光熔覆技术的主要特点为： ( 1 ) 可通过混合不同合金粉末进行成分设计，可以在低熔点金属表面熔覆高 熔点合金，得到完全致密的冶金结合涂层； ( 2 ) 由于快速加热和冷却( 可以达到1 0 6 口c s ) 过程，激光熔覆层组织均匀 致密，微观缺陷少，性能优于其它工艺； ( 3 ) 激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆， 且对基体的热影响甚微； ( 4 ) 熔覆层的稀释度小，且可精确控制； ( 5 ) 属于无接触型处理，便于自动化，实现柔性加工。 研究表明，决定激光熔覆质量的主要因素是激光参数、材料性能、加工工艺、 激光束和基体及粉末的作用等。良好的熔覆层应该具有无开裂、无气孔、无夹渣， 使用不脱落等特点，熔覆层与基体冶金结合，性能均匀、外观平整，能满足耐磨、 耐蚀、高硬度、高强度等预定要求。国内外学者围绕着影响熔覆层质量的因素做 了大量工作，取得了一些进展，主要有m ”：( 1 ) 熔覆设备的研制与开发，包括激 光器，送粉装置，监控系统等。( 2 ) 激光参数、工艺参数对熔覆层的影响。( 3 ) 熔池动力学、熔池温度场和流场数学模型的建立与模拟。( 4 ) 表面张力梯度和流 体之间、液汽界面表面张力梯度和温度、成分之间函数关系及模型的建立。( 5 ) 熔覆层相结构、相成分的鉴定。( 6 ) 熔覆层与基体之间的结合力、耐磨耐蚀机制、 裂纹形成与控制方法的研究。这些研究和探索，为工业化的应用奠定了坚实的理 论基础。 1 2 激光熔覆的应用 激光熔覆技术自诞生到现在，总体上说，仍然处于实验研究阶段，由于一些 关键技术未能解决，所以并未在工业上得到广泛的推广和应用。但由于激光熔覆 具有广阔的发展前景，经济效益可观，所以国内外纷纷投入人力、物力、财力进 行研究，近年来，激光熔覆技术己取得了小少进展，在航空航天、汽车、石油化 工等工业领域中已有某些使用实例，主要有： 激光熔覆熔池温度的测量第一章绪论 ( 1 ) 在航空航天工业中的应用 航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的接触磨损是发动机使用和维修中的一 大难题，通过激光熔覆技术则可获得优质的涂层，为燃气涡轮发动机零件的修复 开创了一个新局面。如针对航空发动机涡轮转子部件，航空发动机涡轮叶片叶尖 锁口部位的实际使用情况，研究了激光表面熔覆高温耐磨涂层的激光喷涂技术， 在d z 4 合金基体上，喷涂了c o c r w 合金粉末和w c 粉末的机械混合物，厚度为0 3 r a m , 提高了高温耐磨及抗腐蚀性能，再者对镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片，利 用激光熔覆技术熔覆钻基合金，提高了耐热和耐磨性能，与过去的方法( 如热喷镀) 相比，缩短了涂层制备的时间，质量稳定，且消除了由热影响所致可能出现的裂 纹等等。 ( 2 ) 在汽车工业中的应用 在汽车发动机气门、气门座密封锥面、气门阀杆小端面以及排气阀，阀门座 表面等要求耐高温、耐磨损及耐腐蚀性的工作面上，用激光熔覆形成具有优良的 耐磨、耐热性合金涂层。例如在汽车发动机铝合金缸盖门座上激光熔覆直接成型 铜合金阀门座圈，取代传统的粉末冶金压配座圈，可以显著改善发电机的性能， 降低生产成本，延长发电机阀门座圈工作寿命。 ( 3 ) 改善金属材料的耐蚀性 科学技术的高度发展对于在腐蚀介质中和在腐蚀环境下工作零件的耐蚀性， 提出了越来越高的要求。结果表明，激光熔覆是提高金属材料腐蚀性能的有效途 径之一，如表层激光熔覆f e c r s i b 合金层后性能达到1 8 - 8 不锈钢水平，熔覆 n i c r s i b 使电化学性能提高以及熔覆陶瓷材料提高耐蚀、耐磨等性能；化工设备使 用的管道需要有高的耐蚀性能，用c o , 激光进行辐照，在管子外部形成5 0 c r - 5 0 n i 成分的涂层，耐蚀性能明显提高；大型排尘风叶片3 0 c r m n s i 的n i 基合金与w c 合 金粉末的熔覆，使其抗磨粒磨损和耐蚀性能大大提高。 ( 4 ) 在模具上的应用 工模具的使用寿命决定了许多设备的生产率和产品成本，研究表明，激光熔 第一章绪论激光熔覆熔池温度的测量 覆处理可以改善工模具钢的表面硬度、耐磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等 性能，从而不同程度上提高了工模具的使用寿命。如激光熔覆高温耐磨涂层在轧 钢机导向板上，其寿命与普通碳钢导向板相比提高4 倍以上，与整体4 c r 5 m o v i s i 导向板相比轧钢能力提高一倍以上，减小了停机时间，提高了产品的产量和质量， 降低了生产成本。 ( 5 ) 在轧辊行业中的应用 轧辊是轧钢工业中经常耗用的工具，它作为轧钢机的直接工作部件，其质量 的好坏直接关系到轧板、带材的质量和产量。利用激光熔覆技术对轧辊表而进行 改性和修复己成为国内外普遍关注的实际问题。 1 3 目前激光熔覆技术存在的主要问题 ( 1 ) 激光熔覆层的裂纹问题。熔覆层的裂纹是激光熔覆技术研究中最棘手的 问题，解决此问题的途径有两条。第一，从合金成分的设计及辅助工艺条件的改 善出发，避免裂纹的产生；第二，分清楚工件的使用工况，考虑是否允许带裂纹 运行而不影响工件的使用寿命。 ( 2 ) 激光熔覆层的材料体系问题。涂层材料与基体材料的结合质量除与激光 加工工艺及熔覆厚度有关外，主要取决于熔金与基体材料的性质。如熔覆合金与 基体材料的熔点差异过大，形成不了良好的冶金结合；若熔覆层合金熔点过高， 覆层熔化小，表面粗糙度高，且基体表层过烧，严重影响覆层；反之，覆层过烧， 覆层与基体间产生孔洞和夹杂，因而，采用相对基体材料具有良好润湿性及适当 熔点( 一般略低于基体材料) 的表面合金，可以获得理想的冶金结合。 ( 3 ) 激光熔覆过程的检测与实时自动控制。激光熔覆是一个多变量相互作用 的过程，熔覆过程控制中，多个参量常常是在一定范围内波动而相互影响，没有 绝对的定量界限，处于模糊的状态。采用c c d 摄像系统观察熔池大小；采用模糊 控制的方法，调节激光熔覆规范如激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率等 以求达到控制熔池深度的目的，进而控制熔覆过程的稀释率；采用神经网络技术， 可对激光熔覆过程中熔池形状、热分布、熔覆层外观尺寸及缺陷等进行光学检测 4 激光熔覆熔池温度的测量第一章绪论 和自动跟踩。 1 4 激光熔覆技术的发展方向 激光熔覆技术在过去二十多年间虽发展很快，但仍存在提高基材与覆层间的 结合力问题，其今后的发展方向大致有以下几个方面： ( 1 ) 合理设计涂层材料，优化工艺，开发新型的激光熔覆技术，如梯度熔覆， 涂层与基体间涂覆结合层，涂层前后进行合适的热处理等以解决工艺应用中常见 的涂层裂纹现象将是把激光熔覆技术推向真正的工业应用至关重要的一步! ( 2 ) 研究激光熔覆对熔覆基体的材料力学行为的影响。激光熔覆过程中，在 激光作用层内存在着大的热应力和开裂倾向，常导致表面改性层的剥落，能否对 激光熔覆过程中的应力产生过程有一个正确的认识和理解，决定了今后消除激光 熔覆层裂纹、开裂等危害的程度以及激光熔覆技术的拓宽程度。 ( 3 ) 解决与大功率激光器配套的系列装置及添加元素的熔覆方式和工艺稳定 性问题。传统的激光熔覆多道搭接工艺繁琐、成本较高、成型性较差，尤其在大 面积激光熔覆时问题更为突出。而宽带熔覆技术可以解决上述问题，此技术的发 展，需要解决与之配套的系列装置( 如反射镜、透镜、及其它辅助设施等) 及添 加元素的熔覆方式( 如预覆、送粉器等) 和工艺稳定性问题，才能拓宽激光熔覆 技术的应用领域，以达到工业应用的目的。 1 5 本课题的研究内容及意义 激光熔覆的可控参数有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度和扫描速度 等，各参数之间相互影响，是一个非常复杂的过程，必须采用合适的方法将各种 因素控制在允许的工艺范围之内。 本课题在现有理论的基础上利用红外测温仪测量熔池温度，在改变激光熔覆 可控参数的条件下研究其对熔池温度产生的影响，并研究了扫描参数对单道多层 熔覆高度和壁厚的影响。我院激光实验室在激光熔覆和快速成型技术以及控制方 面已经取得了卓有成效的进展，老师们经验丰富，为本课题的开展奠定了坚实的 基础。 第一章绪论 激光熔覆熔池温度的测量 随着控制技术和计算机技术的发展，激光熔覆自动控制技术成为研究的热点。 由于激光熔覆过程中需要控制的参数较多，之间又相互影响，从而既需要设备可 靠稳定，又需要对整个加工过程进行闭环检测控制。通过对熔覆过程中影响质量 的各个因素进行实时检测，将检测信息反馈到闭环控制系统，对激光输出功率扫 描速度，送粉量进行调节，使熔覆在规定的范围内进行。 激光熔覆熔池内存在着传热、传质、对流和扩散等现象，温度决定了熔池中 的物理化学反应，直接影响到熔池的形状以及熔覆层的组织性能，在激光熔覆过 程中，随着熔覆的进行，熔覆层数增加，当工件吸收的热量超过热损失时，温度 就会升高，如果超过熔覆工艺的要求，不仅会影响零件的精度和表面质量，还会 引起熔覆层微裂纹，严重时导致整个工件熔化，所以熔池温度是熔覆质量好坏的 决定性因素，因此有必要对熔池温度进行实时监测，这也是最能实时反映熔覆质 量的简单直观的方法。 1 6 国内外的研究现状 随着控制技术以及计算机技术的发展，激光熔覆技术越来越向智能化、自动 化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆，经过x 和y 两个方向同时运动的二维熔覆，到上世纪9 0 年代初开始向三维同时运动熔覆 构造金属零件发展。如今，已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系 统、自动化可调合金粉末输送系统( 也可送丝) 、专用c d c 删软件和全过程参数 检测系统，集成构筑了闭环控制系统，直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技 术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的 形式进行保护，如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西 北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激 光熔覆过程控制方面做了许多研究工作，国内还有许多单位正在积极开展这方面 的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零 件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器，已申请相关发明专利两项。中科院 已经开发出集成化激光智能加工系统，但相对国外的研究和开发水平，国内在控 6 激光熔覆熔池温度的溉量 第一章绪论 割方面的研究还处在起步阶段，控制措施和手段还不完善，列熔覆质量的闭环控 制系统研究的并不充分。 7 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光熔覆熔池温度的测量 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 2 1 熔池行为的理论分析 2 i 1 熔池的对流机制和模型 各种试验研究已经证明了激光辐照的熔池内存在着对流现象，对于对流的机 制有不同的观点，目前大家普遍接受的是表面张力驱动说“”。这种学说认为：在 激光的辐照下，由于熔池内温度分布的不均匀性造成表面张力大小不等，温度越 低的地方表面张力越大，这种表面张力的差驱使液体从低的张力区流向高的张力 区，流动的结果使液体表面产生了高度差，在重力的作用下又驱使液体重新回流， 这样就形成了对流。金属溶液的表面张力随温度的变化关系可以用表面张力差系 数而a z 来表示，通常西a r 为负数，也就是说金属溶液的表面张力随温度的 增加而降低，所以熔池内的表面张力分布从熔池中心到熔池边缘逐渐增加。 由于表面张力的作用，熔池上层的溶液被拉向熔池的边缘，从而使熔池产生 凹面，并形成高度差，由此形成了重力梯度驱动力，这样就形成了回流。在表面 张力和重力作用的相同处互相抵消，称为零点，零点的位置和叠加力的大小强烈 影响着对流强度和对流方式，叠加力越大，对流就越强烈。零点位置一般位于熔 池的中部，这时对流最为均匀，当它偏上时，会出现上部对流强烈而下面流动性 差，反之亦然。此外，熔池横截面内的对流驱动力是变化的，驱动力由溶液表面 到零点逐渐变小，直至为零。在零点至熔池底部，驱动力又由小变大，再从大变 小，到固一液界面处驱动力又重新回归零。所以熔池内横截面各点的对流强度并不 一致，甚至还存在某些驱动力为零的“死点”。 熔池的对流现象对熔覆合金的成分和组织的均匀化有促进作用，但在激光熔 覆过程中过度的稀释且混合不充分的条件下，易引起成份和组织偏析，降低熔覆 层固有的性能。激光熔池内对流的形式与激光光束能量分布密切相关，对称的匀 强光束形成对称的两个流环，非对称分布光束形成两个不对称流环甚至一个流环。 送粉激光熔覆的对流控制着合金元素的分布和熔覆层的几何形状。送粉激光熔覆 条件下的对流模型见下图2 - 1 所示。 激光熔覆熔池温度的测量第二章熔池行为和温度场的理论与分析 列于送粉激光熔覆，熔覆材料是连续遗进入熔池，因此必然不断地对熔池产 生冲击作用。由于激光作用能量密度的分布不均匀，激光熔池内表面中心处温度 最高而边缘温度最低，沿熔池深度方向温度是逐渐降低的，导致熔池在横向和沿 熔池深度方向产生温度梯度和成份梯度。熔液的表面张力随温度的升高而降低， 从而引起表面张力的不均匀。表面张力 的分布与温度分布相反，由熔池中心向 边缘逐渐增大，进而形成熔池液体对流 的基本驱动力。对于铁基合金，其熔池 的形状是从中心向外凸起的半圆弧形。 为解释这种现象，也可以从熔池中存 i j 醣光束 图2 - 1 熔池的对流模型“” 在的对流机制去探讨。目前普遍接受的观点是熔池存在着两种对流机制，从熔池 底部向顶部循环的中心双环对流e 、熔池双侧边缘的对流f 。对流e 的存在使合金 元素的分布尽可能的均匀，但它却是促进熔池沿基体表面铺展的驱动力；对流f 在边缘的存在保证了熔池的形状，但它却带来了基体的不断熔入熔池，造成合金 元素的稀释。通过对熔覆层进行面扫描和线扫描分析，除s i 、f e 偏聚外，不包括 未溶碳化物，其他合金元素的总体分布还是比较均匀的。s i 、f e 是亲和力强的元 素，易于在熔液中形成富集区。富集区一旦形成，就会使熔质元素的分布形态发 生变化，使熔池局部区域的熔液黏度、密度及表面张力发生相应的改变，从而影 响熔池的对流特征。通过对典型的几种元素进行面扫描分析，可以看出基体中的 m n 进入熔覆层，尽管其含量比较少( 大约为0 2 ) ，铁的含量增加1 2 。另外， 从元素的分布看，从熔覆层底部向上逐渐减少，而c r 、n i 正好相反，表明中 心处对流确实是由下向上流。激光熔池内存在的对流对熔覆组织、合金成份的均 匀化有促进作用。但在激光熔覆中过度地稀释且混合不充分的条件下，易引起组 织和成份的偏析，降低熔覆层的性能。因此，在实际工艺中必须统筹设计，选择 合适的熔覆材料和基体材料体系、送粉方式、工艺参数之间的相互匹配，才能达 到稀释率的控制，进而达到成份、组织和性能的设计要求。 9 第二章熔池行为和温度场的理论与分析激光熔覆熔池温度的测量 2 1 2 影响熔池对流的因素 上述的激光熔池的对流模型是以光束能量呈高斯分布或者呈均匀分布为前 提，并没有考虑其他一些影响因素。实际作用过程中，熔池的对流特征( 包括对 流形态和对流强度) 是由熔液表面张力系数、黏度、密度和熔液温度分布等许多 参数综合作用而决定的。 ( 1 ) 熔质元素对熔池的对流特征的影响。一般来说，当所添加的熔质元素 增多从而熔液的黏度增大时，熔液对流阻力增加，流动性交差，这样就容易形成 对流不均匀；如果添加的元素直接影响熔液表面的张力，也会直接影响熔池的对 流特征；对于一些添加元素如s ，会使表面张力温度系数从负变为正，从而就使 熔液流动完全反向，从熔池边缘流向熔池中心，加上对流的传热的作用，这使熔 池相对交窄变深。 ( 2 ) 激光光束能量分布对熔池的对流特征的影响，对于a ，卯0 时的情 况，按照表面张力驱动说，熔池的对流方式实质上是围绕高温区域进行的，熔液 从高温区域流向低温区域，再由低温区域经熔池底部向上回流至高温区。因此如 果能量呈均匀分布或者高斯分布，就会使熔池的横截面的温度分布沿其中心对称， 而对于能量非均匀分布的光束，熔池的对流方式也遵循上述规律，只不过由于温 度分布的不对称，使得对流的图案会发生变化。 ( 3 ) 激光工艺参数对熔池对流特征的影响 熔池中横截面表面张力梯度与熔池温度之间存在如下关系： 考= 卜丢譬 协。 式中，c ，为比热容，瓦是计算表面焓的参考温度，r 为熔池温度，是表面 张力，) ，表示熔池横截面的坐标。 上式表明，熔池的对流特征主要由光束功率密度以及交互作用时间所决定。 熔池的对流循环次数主要取决于交互作用时间，而对流强度主要取决于幅射光束 l o 激光熔覆熔池温度的测量 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 的功率密度。光束功率密度越高，a 7 0 r 的值越大，液面的高度差也就越大，从 而熔池的流速也越快；而交互作用时间越长，熔池的对流搅拌时间也越长。 因此，当激光束的功率密度越低时，功率密度和交互时间都对熔池的对流特 征产生影响，但功率密度是主要的影响因素；而当功率密度足够大时，熔池的对 流特征几乎完全被功率密度所影响。 2 2 熔池温度场的理论分析 激光熔覆是一个动态熔化过程，熔池尺寸小，不仅存在着对流、质量传递现 象，而且也存在着传热等。它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成份的 均匀性及其它物理冶金性能。因而，研究激光熔覆加热理论，搞清激光熔覆过程 中的热传导、对流及质量传递等问题。对于理论的研究和实际的工业应用都具有 重要的理论价值。到目前为止，很多研究者已经做了大量的工作，进行了激光熔 覆物理数学模型的研究及激光材料交互作用的理论和试验研究，从不同的方面 建立了激光熔覆的热计算模型。这些工作主要分为两个方向：一是对激光熔覆所 需的功率参数进行计算预测；二是激光加热温度场的计算模拟，通过激光加热温 度场来分析激光熔覆中的温度场、流场及传质等情况。 2 2 1 预置粉末功率的计算模型 李力钧与j m a z u m d e r 对于预置涂层的激光熔覆工艺提出了相应的功率热计 算模型o ”，该功率计算模型预置涂层的导热系数很低，激光经过它传入基体的热 量可以忽略。粉末层熔化后，激光通过熔化后的涂层来加热基体，在此基础上， 将激光熔覆过程分为预置涂层熔化和基体加热两个过程，得出了熔覆单位面积所 需能量e 的计算公式： 点十历( 2 - 2 ) 式中：历一一熔化预置涂层所需能量： 历一加热基体到达表面熔化所需能量。 将粉末层从室温加热到熔化时单位实体合金所需能量为肛激光通过熔化的 涂层加热基体及到其熔化需要的能量为b 可以计算出激光熔覆所需单位面积的 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光熔覆熔池温度的测量 总能量最 瞄十易：丝+ 墨 ( 2 3 ) 办办 李力钧与j m a z u m d e r 计算模型的局限性： ( 1 ) 该模型以预置涂层为绝缘层，不参与导热为假设的计算前提，对于致密、 导热明显的热喷涂层、等离子涂层不适合。 ( 2 ) 人为地将激光光束分为各自对预置涂层和基体加热的两部分，与激光熔 覆中加热的实际情况不相符。 ( 3 ) 在进行基体加热的能量计算时，以基体表面的最高温度达到材料的熔点 为基准，只考虑温升的能量需要，而未考虑基体材料熔化的能量需要。 2 2 2 同步送粉功率的计算模型 a k a r 提出了送粉激光熔覆计算模型啕。根据熔覆道截面呈半月形覆于基体 上这一情况，将单道熔覆层假定为半圆柱形，得出激光熔覆中，功率与熔覆道半 径之间的关系式为： p ：堕二三! 苤兰蔓! ：( 2 - 4 ) 2 _ ， 式中： 7 卜粉末的原始温度。 乃粉末的熔点； 严一激光功率； 广一熔覆道截面半径5 俨一一粉末材料的比热。 l - - 一粉末材料的熔化潜热： p 粉末的当量实体密度； f - - 一粉末材料对激光的吸收系数； r 一激光的扫描速度。 a k a r 送粉激光熔覆功率计算模型的局限性： 激光熔覆熔池温度的测量第二章熔池行为和温度场的理论与分析 ( 1 ) 只计算熔覆层温升与熔化需要的能量，而忽略了基体加热时的能量。 ( 2 ) 熔覆道截面形状的假设同实际的情况相差较大。 2 2 3 温度场的模拟 目前，对激光作用下材料温度场主要采用模拟计算的方法，包括两种方法： 解析法和数值计算法。数值计算又包括有限差分法和有限单元法，特点是物理意 义明确，易于考虑边界条件，被广泛采用和研究。以往的模型都存在对实际过程 的简化，如忽略边界条件和相变潜热，不考虑材料热物性参数随温度变化和不能 将固体导热与液体对流换热同时考虑等缺点，与实际温度场有一些偏差。 杨洗陈建立了激光加热熔池的物理模型“”，对激光熔池内外的温度场与流场 进行了计算模拟，利用其温度场和流场的情况，对激光熔覆过程中传热和传质情 况进行了一定程度的分析。为此，利用连续性方程、动量方程和能量方程，构成 控制方程组描述激光加热液态熔池内外的传热过程。 连续性方程：竺- i - p a 舀：0 ( 2 5 ) 动量方程：d 要+ 岁 = ，廊一p = 瓦 ( 2 6 ) 能量方程：等+ 9 f = 脚印 ( 2 7 ) 式中，r 为温度；p 为压力；n 为材料热扩散率；p 为密度；口为粘度；f 为时间；冗为体积力。 通过解有限差分方程，得到激光加热熔池内外温度场及流场分布，借之分析 了激光熔覆中液态熔池内的流场及传质情况。但该模型是针对激光加热单一材质 进行模拟的，与激光熔覆工艺的加热情况差距较大。 其它典型的三维模型还有由s k o u 等建立的运动高斯热源三维准稳态激光熔 化熔池流体流动及传热模型“”，熔池流体的流动方式为层流，浮力和表面张力及 张力梯度被视为流体流动的驱动力，而且熔池形状是通过计算得到的，当表面张 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光熔覆熔池温度的测量 力温度系数兰 0 时，金属溶液从熔池中心高温区流向熔池边缘低温区，熔池变 a 】4 宽变浅，宽深比较大；当罟 0 时，金属溶液从熔池中心流向熔池底部低温区， d 宽深比较小。m a z u m d e r 等还考虑了来自惰性气体的对流散热问题和小孔效应，采 用了有限差分数值技术。在三维准稳态算法上，曾大文等o ”在非交错网络下，采 用修正的动量插值技术和s i m p l e 算法求解动量方程时的结果进一步表明，表面张 力温度系数等对熔池内金属流动方式有重要影响：当熹为一3 5 1 0 “时，熔池 ) 中只存在沿顺时针方向流动的主对流环；当告为一3 5 x i 0 - 4 时，主对流环诱导产 d 1 生了二次对流环；当导为+ 3 5 1 0 _ 4 时，与负的表面温度张力系数情形相反，熔 d 池中只存在沿逆时针方向流动的主对流环。 随着计算机技术和红外测温技术的发展，人们开始尝试利用红外热成像技术 实际测量激光熔覆温度场，减少了测量值与真实值之间的偏差，利用专门软件可 以对红外热图像进行分析，得到最高温度、单点温度、多点温度、等温分布、冷 却速率等结果，为激光熔覆温度场的获得开辟了一条新的思路。 2 2 4 影响激光熔覆模型建立的主要因素 ( 1 ) 热源的影响 激光熔覆是利用激光的能量产生热效应，使得物体的温度升高，并产生相变 熔化，来达到加工的目的，因而激光功率密度是一个很重要的加工工艺参数。在 以往的热源模型中，很少考虑功率密度分布的影响，通常理想的把它视为均匀分 布或呈高斯分布，但在实际加工中，由于谐振腔和导光系统等因素的影响，高功 率激光束截面上的强度呈现比较复杂的分布状态。激光光束热源热量相同但功率 密度分布不同，扫描时便会产生不同的表面温升，这与大多数模型中的假设有所 不同。石娟等“”采用表面温升计算模型分别对均匀分布、对称非均匀分布、非对 称分布的激光功率密度分布进行了讨论，得到了这样的结论：在激光功率、扫描 速度及光斑尺寸不变的条件下功率密度分布不同，将得到不同的表面最大温升和 不同的达到最大温升所需的时间，从而影响到实际生产中的加工质量。 1 4 激光熔覆熔池温度的测量 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光束不仅存在着空间分布的不均匀，还存在着时间分布的小均匀，即有涨 落。魏学勤研究了激光器的功率涨落，著从均匀激光束加热半无限大物体和高 斯光斑加热半无限大物体的热源模型出发，在热传导方程中引人噪声项，推导出 了噪声影响下材料中温度场的分布，并通过与相应的稳态热源所得到的温度场进 行比较，得出了材料= j n - r 过程中存在着由激光功率涨落而引起的温度涨落现象。 总而言之，在激光加工过程中，由于激光束存在着时间和空间上的不均匀性， 使得实际能量并不像人们假想的那样规则、稳定，存在着与理论模型相比的缺陷， 造成了计算结果与实测数据间的差异。 ( 2 ) 表面吸收系数的影响 在激光熔覆过程中，吸收系数是一个十分重要的物理量，它直接决定材料对 激光能量吸收多少。吸收系数受到多种因素的影响，如：吸收系数随着温度的升高、 波长的变短、表面粗糙度的增加、预置涂层的存在而增大，在整个加工过程中， 它是一个在不停变化的量，在所有的这些影响因素中，温度的影响最大。赵光兴 等乜1 1 在原子能级分布和受激吸收理论的基础上，对金属材料的吸收系数与温度之 间的关系进行了研究，提出了一个表示吸收系数n 与温度丁之间关系的式子： 其中： 档 档) 1 ，一一撤光频率 日：受激吸收系数 全部原子总数密度 g l 能级简并度 矗一一普朗克常数g 6 2 6 1 0 4 j s ) c 真空中的光速 一电子质量 波尔兹曼常数o 3 8 x 1 0 4 j x ) ( 2 - 8 ) 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光熔覆熔池温度的测量 代入各个量可得到n ( v ，r ) 随温度r 的变化情况，如下表： 寰1 材辩i 曼收蕞戥t n d 瞳墨度r 柏室化( t 置蔓熔点， 越皮c吸收纛数墨度，k啜收系散墨度，k嚷收系致 2 9 ，0 0 1 0 7 9 3 0 1 柏1 拂o 2 2 7 3 9 3o 0 3 l8 9 30 1 7 i1 3 9 30 2 3 5 4 9 30 蚴9 9 30 i 如i 卯30 “i 5 ”0 0 9 l 1 0 9 3 0 2 0 5i ，9 30 2 4 5 6 9 j0 0 2 1i1 9 30 2 1 81 6 9 30 2 4 7 从表中可以看出，在室温至熔点间，吸收系数从0 0 1 0 变至0 2 4 7 ，变化量 大于一个数量级，这说明在进行有关的研究时不宜将其作为常数处理，应针对不 同的温度取相应的值，这样才能更接近实际情况。 ( 3 ) 熔池中金属流动的影响 激光熔覆过程中都伴有金属材料的熔化。研究表明，熔池中金属的流动对于 传热过程来说有很大的影响，导致等温线相对于纯热传导有很大的差异。为了准 确的计算激光熔池的传热过程，必须考虑熔池内流体流动的影响，并认为熔池内 是以对流为主的传热过程而熔池外是以导热为主的传热过程。基于这一点，国内 外许多学者采用数值模拟技术，对激光熔池动力学过程进行了大量的研究，建立 了众多的有价值的数学物理模型。然而，早期的模型是建立在一种比较理想的基 础之上的，做了许多假设：工件尺寸无限大，静止热源，温度场和流场呈对称分 布，熔池形貌作为数值分析的前提条件预先确定下来。应用早期的数学物理模型 进行数值分析，结果表明，流体流动在确定熔池中的传热过程和温度分布时起着 重要的作用，且对熔池形状和随后的结晶过程有着明显的影响。早期的模型与实 际熔池中的流体流动情况存在较大的差距，只能做一些定性分析。随着研究的深 人，人们逐渐建立了一些与实际熔池流体流动和传热过程较为符合的模型，如北 京工业大学的曾大文脚的二维准稳态流场，s k o u 嘲的三维传热模型等。 总之，激光熔覆过程中，在浮力和m a r a n g o n i 力的共同作用下。熔质将发生 复杂的流动，加速熔池内部的热交换，它对传热过程有很大的影响。 ( 4 ) 相变潜熟 1 6 激光熔覆熔池温度的测量 第二章熔池行为和温度场的理论与分析 激光熔覆过程中都伴随有熔化和凝固过程，熔池内存在一个位置和彤状小断 交化的相界面，形成随时问变化的两个活动部分，且在相界面上伴有相变焓的吸 收和释放，使得界面两侧热流不连续。以往为了简化计算，忽略了固一液边界的相 变潜热，然而人们发现通过计算得到的熔池深度要比实际测量得到的深一些。从 而说明了，相变潜热是影响模型准确性的一个不容忽视的因素，它直接影响着熔 池的最终穿透深度，因而在建立模型时，只有将相变潜热的影响考虑进去才能得 到较为准确的熔池形状。 在激光熔覆过程中，由于激光功率密度大，激光与材料的相互作用强烈，物 理过程十分复杂，建立合适的物理模型来反映加工过程中温度的变化规律显得尤 为重要，但在以往的许多模型中都未能充分考虑到影响温度分布的因素。随着时 间的推移和研究的深人，人们渐渐认识了熔池中金属的流动特性、加热源的变化 规律，并将物体的热传导系数、比热熔、密度、物体对激光的吸收系数考虑成温 度的函数。可以肯定，在不久的将来，激光熔覆温度场的理论研究会更加完善。 1 7 第三章激光熔覆的工艺与材料体系激光熔覆熔池温度的测量 第三章激光熔覆的工艺与材料体系 3 1 基材熔覆表面预处理 表面处理是为了除掉基材熔覆部位的污垢和锈蚀，使得其表面状态满足后续 的熔覆要求，主要包括熔覆表面的表面预处理和非熔覆表面的预处理。 ( 1 ) 熔覆表面的预处理 基材表面常用火焰喷涂或者等离子喷涂，因此需要进行去油处理和喷砂处理。 去油一般用加热法，即基材表面加热到3 0 0 4 5 0 0 c 左右去油，也可用清洗剂擦拭， 常用的清洗剂有碱液、三氯乙烯、二氯乙烯等。喷砂是为了除掉基材表面的锈蚀， 并使其毛化，从而有利于喷涂粉末的附着。 ( 2 ) 非加工表面的预处理 激光熔覆前也需要对熔覆区周围的非熔覆表面进行去油和除锈处理，防止其 污染熔覆区，但是毛化的要求不需要那么严格即可。 3 2 预热和后热处理 ( 1 ) 预热 预热指将基材整体或者表面加热到一定的温度，然后再进行熔覆，其作用是 防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层产生裂纹。适当减少基材与 熔覆层之间的温差可减低熔覆层冷缩产生的应力，增加熔覆层液相滞留时间有利 于熔层内的气泡和造渣物质的捧除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减 少熔覆层的裂纹，特别是对于易开裂的基材必须预热，在熔覆层裂纹倾向较小的 情况下，有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。 预热的方法主要有火焰枪加热、感应加热和火炉内加热等，其中前两种用于 基材表层一定范围内的预热，并可实现预热和熔覆同步进行。由于预热降低了表 面的冷却速度，因此可能引起激光熔覆层合金的硬度有所降低，但是可以通过后 续热处理恢复硬度。 ( 2 ) 后热处理 激光熔覆的后热处理是一种保温方式，可以用于消除和减少熔覆层的残余应