在航空航天、汽车、石油化工等领域，镀铬是最常用的电沉积镀层，具有硬度高、耐磨、摩擦系数低的特点。但是六价铬的电流效率很低，电镀时会产生大量酸雾。美国环境保护署（EPA）已将六价铬明确列入17种高风险有毒物质之一。我国电镀厂每年排放废水4×109 立方米，其中约50%不符合国家排放标准，严重污染了水土资源。

高速激光熔覆是一种可以替代硬铬电镀的工艺，采用高能激光束照射涂层和基材，使其熔化成冶金结合涂层。这种新型的耐磨、耐腐蚀表面处理技术是未来的重要发展方向。2016年，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所首次提出超高速激光应用可以提高熔覆率，最大限度减少热平衡造成的能量损失，从而减少熔池中粉末颗粒熔化所需的时间。绝大部分激光能量会被用来加热粉末颗粒，其余能量则被用于辐射基体表面以形成熔池，从而大大减少粉末在熔池的熔化时间，将激光扫描速度翻倍。

因此，在超高速激光熔覆过程中，激光扫描的线速度通常可达50-200米/分钟。较高的激光扫描速度还能减少单位时间熔池内的粉末输入量，熔覆层厚度仅为25-250微米，足以保护基材，同时还能提高粉末材料的利用效率。

熔池问题是激光熔覆的基本问题。由于熔池是一个具有重量守恒、动量守恒和能量守恒的动态平衡系统，粉末流的各种物理参数特性会影响熔池的动态平衡。因此，研究粉末流是一项不可忽视的重要工作。本文研究了超高速熔覆层的粉末动力学和粉末温度场。数值模拟是研究激光熔覆过程的一个主要方法。开发超高速激光熔覆粉末温度场的数值模型，不仅可以分析超高速激光熔覆技术的实现机制和流程规则，也可以为研发人员提供更多的技术信息和研发理念，减少流程实验的试错率。

实验条件

本实验系统主要由DILAS DL030R半导体激光器、以色列OPHIR Comet 10K-HD功率计、武钢-HG大型设备有限公司WGHG-1送粉器以及同轴四向送粉管激光熔覆头组成，结构如图1所示。其中半导体激光器的波长为980微米，最大输出激光功率为3千瓦，聚焦系统在聚焦平面上输出的光斑是尺寸为3平方毫米的矩形。实验用的金属粉末是武汉华工激光公司生产的HGLC30铁基金属粉末，成分为0.2C-16Cr-0.8Ni-bal. Fe。粉末颗粒的平均粒径是30微米。实验使用的气体是高纯氩气。

为了测量激光经过粉末后的功率衰减，采用如图1（b）所示的功率测量方法。但不同的是，在熔覆头下方加装了一块厚度为5毫米的金属保护板，打了一个直径约为10毫米的中心孔，保证激光束能完全穿过这个小孔。小孔下方设置了沿水平方向流动的高速保护气幕。当金属粉末穿过小孔时，高速气幕会对它施加横向的加速力，使所有穿过孔的粉末颗粒向右飞出（气幕的粉末流方向）。

同时，在保护板下方一定距离处放置激光功率计，检测输送的激光功率。通过改变熔覆头与防护板之间的距离，测量穿透距离变化导致的激光能量衰减。通过改变送粉速度，得到对激光能量衰减的数据。

超高速激光熔覆系统的仿真参考模型来自武钢-HG集团。该系统主要由4千瓦半导体激光器、超高速激光熔覆头、中央控制系统、四轴三联动激光加工机床、自动送粉机、电源、水冷系统等组成。整个过程如图2所示。由于此设备是台完整的机床，无法实时监控其工作状态。该超高速激光熔覆系统主要用于轴向工件表面的强化以及重复给气。

粉末流场模型

在激光熔覆过程中，粉末流是一个复杂的两相流问题。由于气体中粉末的容积率小于10%，在模型模拟中，将气相视为连续项，可以通过时间平均的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程求解出。在拉格朗日坐标系下，可以通过在计算域内追踪一定数量的粉末颗粒，获得粉末流的运动轨迹。

在激光熔覆过程中，载气与金属粉末组成的两相流的雷诺数大于2000。粉末流具有湍流特性，因此有必要利用湍流模型求解连续项的重量方程和动量方程。可以用标准的k-ε模型按时间平均方式求解。

当离散相（粉末颗粒）体积小于流体总体积的10%时，可采用离散相模型计算粉末颗粒在流场中的轨迹。在流体软件中，在拉格朗日坐标下对作用在颗粒上的力进行积分，得到颗粒的运动轨迹。由于气体流动是紊流，需要考虑金属颗粒是否够重，不受紊流速度微小波动的影响。在本文所讨论的模型范围内，斯托克斯数值远大于1，表明颗粒重量足够大，不会受湍流速度波动的影响。

为了降低模型的复杂性，提高计算效率，流场模型的建立基于以下假设条件：
（1）假设保护气体和掺有金属粉末的载气均以恒定的初速进入计算域，且粉末颗粒在进入计算域前与载气具有相同的初速；
（2）因为模拟过程是基于恒送粉、恒给气的工艺参数，模型主要分析稳态情况，采用压差分离求解器；
（3）在离散相模型中考虑颗粒的力平衡时只考虑拖曳力、惯性力和重力。 由于颗粒占气体总体积不到10%，且浓度较低，因此可忽略颗粒碰撞对轨迹的影响。由于颗粒的重量和浓度较低，因此可忽略颗粒对气流场的影响；
（4）考虑到本文的研究内容以及降低计算成本的需求，本模型假设粉末都是相同尺寸的球形颗粒。
粉末流的计算结果可以通过高速摄像机验证。图3是通过高速摄像得到的粉末流状态与通过仿真得到的粉末流状态的对比图。从图3（a）看到，在实际流动过程中，当粉束飞离送粉管时，粉末在熔覆头以下13毫米处汇聚，形成13-22毫米的高浓度汇聚区，然后粉末开始剧烈偏移。对比图3（b）模拟结果，可以看到模拟结果与实验结果较为吻合，证明模型流场的模拟结果可靠。

针对不同送粉方式的能量衰减分析

为了研究穿过粉末流的激光衰减规律，模拟了传统同轴四路的粉末流喷嘴的粉末汇聚，以及在不稳定颗粒追踪模式下的超高速粉流喷嘴的粉末汇聚，条件是粉末粒径30微米，送粉速度21克/分钟，如图4所示。

采用理想的方形半导体激光光斑作为传统的同轴四路粉末流喷嘴的光源模型，光斑尺寸3毫米。在超高速粉末流喷嘴上采用的是理想的环形激光光斑，光斑焦平面直径为1.8毫米，初始激光功率是920瓦。

图4显示，粉末流在激光熔覆头下方约10毫米处进入激光辐射区域。但在相同送粉速度下，超高速激光熔覆头轴向粉末浓度峰值大于500公斤/立方米，在熔覆喷嘴下方10.5-28.5毫米高度可保持较高的粉末浓度，而同轴四路的粉末流喷嘴的轴向粉末浓度峰值仅为7公斤/立方米左右，高粉末浓度区域位于熔覆头下方10.7-24毫米。因此，超高速激光熔覆头具有更好的粉末汇聚效应，高粉末汇聚区比同轴四路的粉末流喷嘴的更长。

结合激光功率的轴向变化曲线，可以看到同轴四路的粉末流喷嘴，激光经过高粉末浓度区时，在熔覆头下方24毫米处能量衰减19%以上。而超高速粉流喷嘴的能量衰减可以达到80%。在高粉末浓度区外，速度衰减趋于平缓，衰减小于5%。

研究发现：激光功率的衰减趋势与粉末汇聚浓度有一定的“同步”性。对于两种熔覆方式，激光能量衰减在粉末浓度高的区域较大，之后趋于平缓。更重要的是，激光功率进入高浓度区域后的衰减趋势具有高斯函数的特性，所以可以用高斯函数描述送粉后激光功率的衰减状态。

粉末粒径对激光能量衰减的影响

实验模拟了两种激光熔覆头对粒径分别为30、45、60、75、90微米时的粉末汇聚过程。 图5（a）显示了超高速粉末流喷嘴对粒径分别为30、60、90微米时的粉末流汇聚情况。可以发现，虽然粒径不同，但粉末流会在熔覆头以下8-10 毫米左右汇聚，这是由熔覆头的机械结构所决定，几乎不受粉末粒径等参数的影响。

图5（b）是激光穿透不同粒径粉末约15毫米后的能量衰减结果。激光功率的衰减随粒径的增大而减小。同时，环形熔覆喷嘴的粉末对激光功率有较强的衰减能力，衰减保持在50%以上。同轴四路的粉末流喷嘴的激光能量衰减，明显弱于超高速环形熔覆喷嘴的。当粒径为30微米时，激光能量衰减仅为18%。

随着粉末颗粒尺寸增大，单位时间内飞入激光辐射区域的粉末数量会显著减少。当粒径为90微米时，激光能量的衰减仅为5%。小粒径粉末云接收激光辐射的总颗粒面积明显大于大粒径粉末云，说明小粒径粉末云具有更强的激光衰减能力。

送粉速度对激光能量衰减的影响

送粉速度会直接影响激光辐射区域内的粉末浓度，进而影响粉末对激光能量的衰减。图6（a）是送粉速度分别为10克/分钟和42克/分钟时，超高速粉末流动喷嘴的粉末汇聚情况。

在图6（b）中，送粉速度依次为10、21、31、41克/分钟。粉末粒径为30微米，激光在粉末中的穿透距离为10毫米。从图6（b）的曲线可以看出，激光穿粉的能量衰减随着送粉速度的增加而增大。但激光衰减随送粉率的变化并不是呈线性变化，当送粉速度超过一定值时，衰减会明显减小。

以环形熔覆喷嘴为例，当送粉速度从10克/分钟增加到20克/分钟时，激光功率衰减迅速增大，说明此范围内激光功率被粉末大大衰减了。而当送粉量超过20克/分钟时，激光能量的衰减开始放缓，可以认为此时粉末汇聚区粉末浓度趋于“饱和”，对激光能量衰减的影响减小了。

激光能量衰减实验

在送粉速度为21克/分钟时，利用激光功率计测量不同高度发射激光的功率，与仿真结果对比后得到的曲线，如图7（a）所示。用激光功率计测量熔覆喷嘴与防护板距离为20毫米时不同送粉速度下的激光功率，与仿真结果对比得到后的曲线，如图7（b）所示。

实验结果与模拟结果在形状上比较吻合，但整体数值不一致。随着温度升高，粉末颗粒对激光能量的吸收速度也会增大，因此实验中得到的激光能量衰减会略高于模拟结果。粉末颗粒对激光的散射也会引起透射光的衰减。

此外，由于存在发散角，实际传输过程中激光束会变宽，会有更多粉末落在熔覆头与功率计之间的光束区域内，导致激光能量衰减。实验中的激光功率是920瓦，进气速度是4升/分钟。

由图7（a）可知，当熔覆喷嘴与保护板距离约为5毫米时，受金属粉末影响，激光功率开始衰减。当送粉高度在10-25毫米左右时，激光功率衰减速度最快。可以推断，粉末浓度在熔覆喷嘴下方10-25毫米范围内达到最高，因此可将该范围视作粉末浓度较高区。这个范围也接近模拟预测的高浓度范围（10.7-24毫米）。对比仿真和实验结果可以发现，实验曲线的激光功率衰减点在5毫米左右，而仿真曲线的激光功率衰减点在10毫米左右。两种曲线在熔覆头下方约25毫米处开始稳定，说明实验测量的激光衰减曲线也具有高斯函数特性。

从图7（b）的实验曲线可以看出，粉末对激光能量的衰减效应随送粉速度的增加而增大，但不呈线性函数特性。当送粉率从20克/分钟增加到30克/分钟时，激光衰减增加了约11%，但当送粉率从3040克/分钟增加到40克/分钟，激光衰减只增加了6%，表明粉末对激光能量衰减效应降低了。

所以，很可能存在一个最佳的送粉速度。当送粉速度小于该值时，随着送粉速度增加，粉末对激光的衰减效应呈线性增大。而当送粉量大于该值时，虽然粉末对激光能量的衰减效应仍在增加，但衰减效应总体是降低的。由图可知，同轴四路的粉流喷嘴的最佳送粉速度约为30克/分钟。

激光加热粉末温度场的影响因素

在超高速激光熔覆过程中，激光与粉末的相互作用主要包括两个因素：激光能量受粉末的衰减以及激光对粉末的加热过程。当粉末粒径增大时，粉末暴露在激光辐射下的面积增大，但粉末重量也会增大。

由于重力加速度和气体流量的影响，粉末在激光辐射区内的飞行速度增大，导致粉末在激光辐射区内停留时间缩短，对激光能量的吸收减少。载气的还原也是影响粉末加热过程的一个重要因素。由于粉末的流动速度受载气流量影响，低速气流会降低粉末的飞行速度，增加粉末在激光辐射区停留的时间。但是载气速度过慢不可避免地会影响粉末的汇聚性。