送粉量对垂直激光熔覆粉末流场的影响研究

作     者：范红丽 刘玉兵 王治文 张钊 韩日宏 郑明军 齐海波 

作者机构：石家庄铁道大学 石家庄职业技术学院 河北省交通工程与环境协同发展新材料重点实验室 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：河北省自然科学基金资助项目(E2023210011 E2022210043) 

主　　题：送粉量 粉末汇聚焦点 最大粉末浓度 粉斑直径 偏移量 模型 

摘      要：目的激光熔覆头与工作面和水平面均垂直是现有激光熔覆粉末输送的主要研究工况，垂直激光熔覆粉末流场研究，可弥补具有倾斜复杂表面特征、不可移动、不可转动的金属零部件修复的理论空缺，拓展增材制造金属零部件修复应用领域。方法首先构建垂直激光熔覆四路同轴送粉三维气粉耦合模型，基于粉末汇聚焦点和气体流场分布确定基板工作高度和载气流量，然后探究最大粉末浓度、粉斑直径和模拟偏移量随送粉量的变化规律，最后采用单道激光熔覆实验验证模型的准确性并实现熔覆形貌预测。结果垂直激光熔覆下，随着送粉量的增大，粉末汇聚焦点变化不明显，均在距离喷嘴16mm处；最大粉末浓度由9.8kg·m-3逐渐提升至19.2kg·m-3；模拟偏移量由0.23mm逐渐提高至0.62mm；粉斑直径在送粉电压为12 V到16 V时从2.8mm缓慢增加至3.2mm，16V到20V时从3.2急剧增大至4.3 mm；最大粉末浓度、粉斑直径、模拟偏移量与单道激光熔覆层高、层宽、偏移量线性正相关，数值模拟预测值与熔覆实验测量值之间的平均相对误差分别为2.15%、1.67%、3.05%。结论垂直激光熔覆时，送粉量对粉末流场的变化影响显著，最大粉末浓度、模拟偏移量和粉斑直径均随着送粉量的增大而增大；垂直激光熔覆粉末流场模型准确可靠，可对熔覆形貌进行准确预测。该研究成果可为垂直激光熔覆工艺参数选取及优化提供理论指导。