同轴激光熔覆粉末的熔化行为表征与分析

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28581

材料工程与机械制造

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同轴激光熔覆粉末的熔化行为表征与分析

朱明¹^,²(), 张宗智¹, 杨骞¹, 石玗¹^,², 樊丁¹^,²

^1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州　730050
^2.兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州　730050

收稿日期:2023-02-28 修回日期:2023-03-13 接受日期:2023-05-18 出版日期:2023-06-29 发布日期:2023-06-27
通讯作者: 朱明 E-mail:zhumings@yeah.net
基金资助:
国家自然科学基金(52065041);中国-乌克兰政府间科技交流项目;甘肃省教育厅“双一流”科研重点项目(GSSYLXM-03);甘肃省兰州理工大学红柳优青项目

Characterization and analysis of melting behavior of powder in coaxial laser cladding

Ming ZHU¹^,²(), Zongzhi ZHANG¹, Qian YANG¹, Yu SHI¹^,², Ding FAN¹^,²

^1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 　730050，China
^2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing of State Education Ministry，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 　730050，China

Received:2023-02-28 Revised:2023-03-13 Accepted:2023-05-18 Online:2023-06-29 Published:2023-06-27
Contact: Ming ZHU E-mail:zhumings@yeah.net
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52065041);China-Ukraine Intergovernmental Science and Technology Exchange Project;Gansu Provincial Department of Education “Double First Class” Key Research Project(GSSYLXM-03);Gansu Province Lanzhou University of Technology Red Willow Excellent Youth Project

摘要/Abstract

摘要：

同轴送粉激光熔覆过程中激光热量在粉末与熔池中的作用与分配对成形质量有着重要影响。针对作用形式最为复杂且难以红外实时检测的粉末与激光的热交互作用展开研究，首先建立了高速摄像系统并对标记的单颗粉末同轴送入激光后的熔化过程进行了采集与分析，研究了粉末熔化过程中不同特征阶段的热物理行为并建立了数学模型；同时由于难以根据有效的温度数据对模型进行验证和优化，故采用高速摄像统计分析了不同特征阶段的持续时间，与模型的计算结果进行了对比分析；最后在模型优化的基础上仿真预测了粉末即将进入熔池的温度与状态，为进一步分析粉末与熔池的热交互作用提供理论依据。研究结果表明：单颗粉末进入熔池后存在“固态→固液两相态→液态”的转变，不同转变过程的持续时间及热物理行为的变化并不相同；据此建立的数学模型可以动态描述粉末同轴送入激光后不同熔化阶段的持续时间与温度特征，通过与高速摄像统计数据对比验证了模型的有效性与准确性；仿真预测了粉末即将进入熔池时的温度特征，并分析了不同激光功率对粉末即将进入熔池时状态的影响与作用。

关键词: 同轴送粉, 激光熔覆, 粉末熔化行为, 高速摄像, 熔池

Abstract:

The action and distribution of laser heat in the powder and melt pool during coaxial powder feeding laser cladding has an important influence on the forming quality. This paper conducted research on the complex and challenging thermal interaction between powder and laser， particularly difficult to detect in real-time infrared analysis. Firstly， a high-speed camera system is established and the melting process of a single powder coaxially fed into the laser was collected and analyzed， and the thermophysical behavior of different characteristic stages of the powder melting process is studied and a mathematical model is established. Moreover， due to the difficulty in validating and optimizing the model based on valid temperature data， the duration of the different characteristic phases was statistically analyzed using high-speed cameras， and was compared with the calculated results of the model. Finally， based on the optimization of the model， the simulation predicted the temperature and state of the powder about to enter the melt pool， which provides a theoretical basis for further analysis of the thermal interaction between the powder and the melt pool. The results show that： there is a transition of “solid → solid-liquid two-phase state → liquid” after a single powder enters the melt pool， and the duration and thermophysical behavior of different transition processes are not the same； the mathematical model established by this can dynamically describe the duration and temperature characteristics of different melting stages after the powder is fed into the laser. The validity and accuracy of the model were verified by comparing with high-speed camera statistics. The simulation predicted the temperature characteristics of the powder when it was about to enter the melt pool， and analyzed the influence and effect of different laser powers on the state of the powder when it is about to enter the molten pool.

Key words: coaxial powder feeding, laser cladding, powder melting behavior, high-speed camera, molten pool

中图分类号:

V252

朱明, 张宗智, 杨骞, 石玗, 樊丁. 同轴激光熔覆粉末的熔化行为表征与分析[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428581-428581.

Ming ZHU, Zongzhi ZHANG, Qian YANG, Yu SHI, Ding FAN. Characterization and analysis of melting behavior of powder in coaxial laser cladding[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(24): 428581-428581.

图/表 19

图 1

表1

图 2

图 3

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图 10

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图 13

图 14

表2

图 15

图 16

图 17

参考文献 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值	参数	数值
激光功率（P）	100~1 500 W	玻尔兹曼常数（σ）	5.67×10^-14 W/（mm²·℃⁴）
离焦量（D）	0~+15 mm	熔化潜热（Q_p-latent）	30.375 J/g
粉末粒径（r_p）	120 µm	固态粉末吸收率（α_solid）	0.75
粉末初速度（v₀）	0.6~1.2 mm/ms	液态粉末吸收率（α_liquid）	0.4
粉末入射角度（θ）	20°~45°	固态粉末对流热换系数（h_p-solid）	6×10^-6 W/（mm²·℃）
送粉高度（d）	10~25 mm	液态粉末对流热换系数（h_p-liquid）	1.2×10^-5 W/（mm²·℃）
发射系数（ε）	0.345 2	固态粉末比热（C_p-solid）	0.457 1 J/（g·℃）
环境温度（T₀）	25 ℃	液态粉末比热（C_p-liquid）	0.535 J/（g·℃）
粉末熔点（T_m）	1 060 ℃	固态粉末密度（ρ_p-solid）	8.32×10^-3 g/mm³
粉末沸点（T_b）	2 700 ℃	液态粉末密度（ρ_p-liquid）	8.212×10^-3 g/mm³

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