激光熔覆同轴送粉的气粉流数值模拟与实验研究.pdfVIP

摘要

激光熔覆是一种在金属基材表面制备高性能冶金涂层的先进制造技术，在工业制

造中经常使用该技术。激光熔覆过程中存在多种因素影响熔覆质量与粉末利用率，因

此，深入研究激光熔覆喷嘴气粉流是实现熔覆层形貌与性能调控的关键。为提高熔覆

层质量和粉末利用率，本文建立激光熔覆气粉两相流仿真模型，对同轴送粉喷嘴粉末

流的发散情况进行研究，探究多种因素对熔覆质量与粉末汇聚性的影响规律，提出最

佳工艺方案。使用铁基粉末进行激光熔覆实验，分析不同工艺参数的熔覆层质量与性

能，对熔覆层的金相组织进行分析研究。为了探究不同工艺条件下的粉末利用率，通

过实验测量粉末利用效率，并对比实验与仿真结果，验证喷嘴粉末流场模型的准确性，

对粉末汇聚性研究具有一定的指导作用。主要研究内容如下：

(1)建立气粉流数值模型，使用Fluent软件对粉末性质和送粉工艺参数等不同工艺

条件的粉末流场进行仿真模拟，以分析粉末焦距、粉斑直径、粉末浓度以及粉末颗粒

分布的变化规律，并使用相机拍摄喷嘴粉末流的汇聚情况。结果表明：随着粉末粒径

和形状系数的增加，粉末焦点浓度增加，焦距减小；增大送粉速率和载气流量，粉末

焦点浓度先增大后减小；离焦量的变化对粉末汇聚性有明显的影响，在离焦量为0mm

的平面上，粉末聚集度最佳，并且正离焦相较于负离焦有更好的粉末汇聚效果；保护

气流量对粉末浓度的影响较小，当保护气流量为0.5m/s时，随着载气流量增大，保护

气流线逐渐发散。

(2)基于仿真获得的工艺参数进行实验，探究影响熔覆层质量的因素，分析熔覆层

形貌的变化规律。根据摩擦磨损、硬度以及电化学腐蚀等测试来对比分析不同工艺参

数的熔覆层与基材的性能，并通过金相组织的变化来表征熔覆层质量。结果表明：在

送粉速率为15g/min、载气流量为4L/min、离焦量为0mm时，粉末利用率达到74%，

而且熔覆层光滑平整，形貌最好；熔覆层性能较基材有很大的提升，对熔覆层截面显

微组织分析发现，不同区域有不同的晶粒结构。

(3)使用一种粉末利用率测量方法，通过调整喷嘴位置来改变粉末汇聚点与工作平

面的距离，进而改变粉末离焦量，并对不同离焦量条件的粉末利用情况进行测量分析。

实验结果与仿真结果表现出良好的一致性，误差小于14%，验证气粉流模型的可靠性，

对于提高粉末利用率的研究具有重要作用。

关键词：激光熔覆；气固两相流；工艺参数；粉末汇聚；数值模拟

Keywords:Lasercladding;Gas-solidtwo-phaseflow;Processparameters;Powder

convergence;Numericalsimulation

目录

1.绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2激光熔覆技术概述2

1.2.1激光熔覆概述2

1.2.2送粉技术概述2

1.2.3激光熔覆技术的应用4

1.3国内外研究现状4

1.3.1喷嘴气粉流数值模拟的研究现状4

1.3.2工艺参数对激光熔覆实验影响的研究现状8

1.4主要研究内容与技术路线9

2.激光熔覆实验系统与性能表征分析方法11

2.1激光熔覆实验系统11

2.2基材与熔覆粉末材料12

2.2.1基体材料12

2.2.2熔覆粉末材料12

2.3熔覆性能表征分析方法13

2.3.1熔覆层宏观形貌评价13

2.3.2金相试样制备14

2.3.3截面显微组织分析方法15

2.3.4显微硬度分析方法16

2.3.5耐磨性能分析方法16

2.3.6耐腐蚀性能分析17

2.3.7XRD物相与能谱分析方法17

2.4本章小结18

3.同轴送粉气固两相流数值模型建立