图1 同轴粉末系统和预放置粉末系统的示意图 。
2.2. 过程模拟分析
LC是激光、熔覆材料和基板之间相互作用的过程 ， 因此通过建立LC过程模拟 ， 可以更好地分析不同工艺条件下熔池的温度、应力和流场 。 在实践中 ， LC过程的模拟分析在改善熔覆层的宏观形貌、微观结构和性能方面发挥着重要作用 。 许多学者基于流体力学和物理相场过程模拟了粉末沉积过程、温度场、应力场和熔覆层的微观结构 。
在液晶中 ， 粉末与激光、基板和喷嘴的相互作用会影响粉末的分布 。 粉末的流动特性影响其利用效率和熔覆层的宏观形貌 。 粉末的流体动力学特性不仅与其粒径、形状和外部空气压力有关 ， 还与粉末喷嘴的类型有关 ， 如图2所示 。 在粉末和激光的相互作用中 ， 激光的能量被粉末吸收、反射和散射 ， 从而增加了流动粉末的温度分布 。 粉末的温度分布与激光功率和喷嘴与激光焦点之间的距离有很大关系 。 因此 ， 应选择合适的激光功率和喷嘴与激光焦点之间的距离 。 因此 ， 粉末分布的能量全部包含在激光辐射区域 ， 并获得均匀的温度分布 。 熔池附近的粉末分布与基体有很大关系 。 在保护气体的作用下 ， 粉末冲击基材并反弹或分散 ， 从而影响上部粉末流的分布 。 因此 ， 在对粉末沉积过程进行模拟分析时 ， 应充分考虑基体的作用 。
图2 喷嘴和粉末射流参数的计算 。
温度场和流场的分布直接影响熔覆层的宏观形貌、微观结构和其他物理化学性能 。 温度场和流场的数值模拟对于LC过程中工艺参数的设计至关重要 。 Khamidullin等人建立了二维LC模型 ， 并模拟了熔覆层的宏观形貌、结晶过程、温度场和速度场 。 图3（c）是二维熔覆层宏观形貌、速度和温度场的模拟结果 。 可以发现 ， 模拟更好地反映了熔覆层的实际宏观和微观形貌（图3（a）） 。 三种流动类型（图3（b））可以清楚地反映出来 。 然而 ， 通过比较仅在低速送粉情况下二维和三维熔覆层的宏观形貌、温度场和应力场 ， 该模型具有良好的可预测性 。 因此 ， 应进一步优化该模型 。 LC过程的有限元模型综合考虑了流体流动、传热、表面张力和自由表面运动 ， 对热输入具有良好的预测能力 。
图3 激光开启0.8秒后 ， 在0.5 kW高斯激光束的影响下 ， 模拟的微珠形状以及微珠内部的金属流动结构 。
在LC过程中 ， 会产生热应力和残余应力 。 因此 ， 应力场的模拟分析为有效减少熔覆层中的裂纹等缺陷提供了理论基础 。 Ghorashi等人考虑了多轨迹中的非线性运动硬化特性 ， 并将循环塑性理论引入到LC Inconel 718模拟模型中 ， 这不仅将残余应力预测误差降低了约50% ， 还分析了熔覆过程中的表面松弛 。 Zhang等人通过建立单轨和多轨钴基涂层的温度场和应力场 ， 分析了感应热应力对熔覆层残余应力的影响 。 然而 ， 感应预热对单轨的影响仅进行了分析 ， 因此应进一步分析多轨 。 实际上 ， 液晶是一个多场相互作用的过程 。 因此 ， 应建立一个全面的模拟模型 ， 以获得未来在完全耦合的热-冶金-机械有限元模型下的微观结构和残余应力分布 。
2.3. 过程监控
LC作为一种有效的表面强化和修复技术 ， 得到了越来越广泛的应用 ， 有时会出现熔覆层质量差和重复性差的问题 。 然而 ， 计算机和传感技术的发展可以帮助我们更好地监测温度场、熔池的形态以及粉末和激光之间的相互作用过程 ， 所有这些都与熔覆层的内部微观结构、缺陷和几何精度密切相关 。 LC是一个复杂的物理-化学冶金过程 ， 可以通过温度信号、图像信号和光谱信号更好地理解 。
图像信号或光谱信号可用于监测粉末的流动和分布 ， 然后通过优化喷嘴参数来提高粉末利用效率 。 Gulyaev等人使用光学诊断系统Yuna（主要由CMOS数码相机和光谱仪组成）研究了不同气体流速下激光对粉末流动外观、速度和温度的影响 。 监测结果如图4所示 。 可以看出 ， 在激光的作用下 ， 粉末流从原来的气流输送方向扩展到35°-40°的扇形 。 当气体流速Gtr从5 slpm增加到15 slpm时 ， 粉末流的平均温度和激光束方向的平均速度都会增加 。 当气体流量Gtr继续增加到20 slpm时 ， 激光束方向上粉末流动的平均速度和平均温度降低 ， 因此存在一个合适的气体流量 ， 以最大限度地发挥激光对粉末的影响 。 同时 ， 分析了不同工艺参数下熔池的流速 。 然而 ， 在某些过程参数下 ， 由于感兴趣区域的亮度差异很大 ， 很难获得足够质量的视频 。 因此 ， 未来可能会考虑使用带通滤波器的照明激光器 。
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