激光熔覆過程組織轉變及性能預測研究綜述

摘要：激光熔覆技術具有稀釋率低、熔覆組織致密、涂層與基體結合性好、適合熔覆的材料多等特點。然而，激光熔覆技術的工藝參數決定著熔覆層的力學性能及組織結構，但很多工藝參數之間相互影響、相互制約，很難精確控制。激光熔覆實驗研究周期長、考慮因素單一，只能從最終結果考慮熱源參數對熔覆層的影響而無法對熔覆過程中材料的相變過程進行定量化表征。采用數值模擬軟件可以對熔覆過程進行仿真分析，探討熔覆過程的組織轉變規律。近幾年，采用機器學習、人工神經網絡等智能化手段與工藝優化相結合來對熔覆結果進行預測逐漸興起。歸納了目前國內外針對激光熔覆過程中的溫度場、應力場等方面的數值模擬研究及所采用的有限元軟件，概括目前對于激光熔覆性能預測的研究形狀，并提出了目前存在的問題和有待解決的問題。（本文工作得到湖北省教育廳科學技術研究計劃重點項目（批準號：D20221801）與汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室（湖北汽車工業學院）項目（批準號：ZDK12023B06支持）

關鍵詞：激光熔覆；數值模擬；性能預測；參數優化

激光熔覆技術是一種先進的金屬材料表面改性技術，通過使用高能量密度的激光束作為熱源，結合惰性氣體保護，并按照預設的掃描路徑，將激光束照射到同步送出或已經預先涂覆在基體表面的材料上面（主要是粉末材料），實現熔覆材料和基體表層的快速熔化和迅速凝固，最終形成具有冶金結合特性的功能性涂層[1]。20世紀80年代以來，激光熔覆技術得到了國內外的廣泛重視，并在眾多工業領域中獲得應用，其中，許多國家已將激光熔覆技術應用在汽車工業領域當中并取得重要成果，以提高汽車零件的工作性能，減少材料的使用成本。

但在實際應用中，仍存在許多實際問題無法解決。激光熔覆技術的工藝參數決定著熔覆層的力學性能及組織結構，工藝參數之間相互影響、相互制約，很難精確控制[2]。在激光熔覆實驗過程中難以實時地對熔池形狀、熔池及熔覆層溫度分布、冷卻率等進行測量，因而常規的實驗方法難以對激光熔覆過程中的組織轉變過程、熔覆層性能等進行定量化表征，因此激光熔覆技術目前仍存在工藝參數選擇困難、熔覆后材料組織及性能難以預測的問題。

目前隨著有限元軟件的快速發展，利用數值仿真技術可以準確的監測熔覆過程中的溫度場、應力場和流場分布，并且有效地預測熔覆層的裂紋、氣孔、夾雜以及層間的粘結力[3]。通過實驗驗證進一步研究激光熔覆技術的最佳方案，優化工藝參數，提高激光熔覆的組織與性能。此外，眾多科研人員采用數值分析及神經網絡的方法，實現了對激光熔覆結果的性能預測，對探明激光熔覆過程中激光熱源各項參數對熔覆過程轉變及熔覆層性能的影響規律，對激光熱源參數的合理選擇，有效節省前期試驗及參數選擇的成本，對促進激光熔覆技術的進步具有重要意義。

激光熔覆過程組織轉變數值模擬研究現狀

目前隨著各大有限元軟件的發展，眾多研究者采用數值模擬的方法對激光熔覆過程展開研究，激光熔覆過程是快速熔化和快速凝固的過程，在熔化和凝固時主要有溫度場、應力場、流場等物理場。其中溫度場和應力場是眾多研究者最重視的地方，通過對溫度場和應力場結果的分析，能夠較為準確模擬實驗結果，對實驗過程具有重要的指導意義。通過數值模擬技術得到精度更好的激光熔覆各項參數。下面將通過不同的有限元軟件在激光熔覆上的實際應用，分析激光熔覆數值模擬技術的發展現狀。

1.ANSYS應用現狀

ANSYS是目前應用廣泛的有限元軟件之一。Parisa Farahmand等[4]利用ANSYS建立了一種非線性瞬態熱模型，通過改變預熱溫度預測對熔覆過程溫度場和組織轉變的影響。不同預熱溫度下熔池的實際熔池與模擬熔池溫度場的對比如圖1[5]所示，從溫度分布中提取熔池形狀和尺寸，并在實驗結束后，對熔覆軌跡高度、熱影響區高度及稀釋度進行了熔池質量分析。

ANSYS提供豐富的材料模型和熱傳導模型，能夠準確地模擬材料的熱傳導行為，具有強大的后處理功能，支持多物理場的耦合分析，可以同時考慮激光熱源、熔池流動以及固態相變等多個因素，但是ANSYS也存在一些缺點，復雜的用戶界面和操作流程，需要一定的培訓才能熟練使用，對于激光熔覆過程中的液態金屬流動，需要通過耦合其他軟件來實現。

2.Marc應用現狀

Marc在激光熔覆數值模擬具有廣泛的應用。海淵[5]采用Marc分析激光熔覆Ni基WC涂層開裂的組織結構和力學因素，對激光熔覆涂層溫度場和應力場進行模擬，計算分析熔覆過程中溫度場的熱循環作用，以及對熔池尺寸、冷卻速度的變化規律，分析熔覆后殘余應力分布特征，分析殘余應力對涂層裂紋的影響，垂直掃描路徑上的應力分布狀態如圖2[6]所示。

Marc具有專業的焊接模塊，針對焊接過程中的各種復雜現象進行了專門的優化和設計，使得焊接仿真結果更加準確可靠，并且Marc提供了開放式的用戶環境，極大的擴展了Marc的分析能力，對于激光熔覆仿真中特定的分析和優化需求非常有用。但是Marc相較于其他有限元軟件，建模能力較弱，增加了激光熔覆仿真過程中的建模復雜性和難度。

3.Simufact welding應用現狀

Simufact welding是以MSC Marc為基礎研發出來的仿真模擬軟件，專門用于材料加工及熱處理工藝仿真的軟件。黃國順等[6]基于實驗所得工藝參數，利用Simufact welding建立熱力耦合模型，通過數值模擬分析熔覆過程中的溫度場和應力場分布，分析發現熔池出現“彗尾”現象，激光熱源前端的溫度梯度大，熱源后端的溫度梯度小，遠離涂層的基板溫度變化較小，基板上的最大殘余應力為沿掃描方向的拉應力，對稱分布在涂層兩側涂層與基板結合處，基板上表面垂直于掃描方向的拉應力是引起基板變形的主要原因，模擬受拉應力影響下的激光熔覆變形云圖如圖3[7]所示。

Simufact welding能夠準確模擬激光熔覆過程中的溫度場、應力場等關鍵物理場，從而提供可靠的仿真結果，還可以越策不同工藝參數對激光熔覆結果的影響，幫助用戶優化工藝參數，提高熔覆質量。但是Simufact welding的用戶界面對于某些用戶來說不夠直觀友好，這可能會增加用戶在使用過程中的操作難度和錯誤率。

4.ABAQUS應用現狀

吳俁等[7]利用ABAQUS軟件建立復合熱源模型，對單向掃描和往復掃描兩種掃描策略下多層多道熔覆的溫度場、應力場進行模擬，如圖4所示，模擬熔池形態與試驗熔池形態的對比圖，左側為模擬的熔池溫度場，灰色部分為熔池，其與右側試驗熔覆層的截面形狀吻合得較好，驗證了熱源模型的可靠性。

ABAQUS允許對多個工藝參數進行分析和比較，有助于分析個參數在不同條件下的影響及綜合效果，且建立的模型準確率相對較高，合理可靠。

近些年來，各種有限元軟件的發展，模型不斷改進、完善，模擬的結果越來越接近真實結果，在實際生產試驗之間進行計算機模擬，能夠很大程度地幫助優化工藝參數和減少前期試錯成本，節約時間、財力和人力的投入，因此計算機模擬在激光熔覆中應用的越來越廣泛。結合以上幾種有限元軟件在激光熔覆方面數值模擬仿真的結果來看，各軟件都對使用者設立了學習門檻，需要有一定的工程背景和相關知識，并且均存在仿真計算時間較長的問題。目前眾多研究者已不滿足數值模擬仿真，他們希望對熔覆結果進行預測，幫助更好的優化工藝參數的選擇。

激光熔覆層性能預測研究現狀

目前，國內外學者針對激光熔覆技術中的熔覆層調形控性，已經形成了較為成熟的理論方法，有部分學者提出，可以在實驗的基礎上通過數學方法建立工藝參數與熔覆層形貌性能之間的關系模型，對熔覆層形貌和性能進行預測以快速確定工藝參數；在機器學習、人工神經網絡等智能化手段與工藝優化相結合上也做出了很多成功的嘗試。

回歸分析作為一種常見的數據處理方法，從數學理論上分析待考查因素對熔覆層性能的影響。M. Ansari 等[8]基于鎳基高溫合金上的 NiCrAlY 粉末同軸激光熔覆實驗數據，利用回歸分析和經驗統計模型預測了激光熔覆主要加工參數與熔覆層幾何特征之間的關系，并通過相關系數驗證了模型的有效性。

神經網絡具有強大的多元、非線性信息并行處理能力， 在復雜非線性系統的工程建模中得到了廣泛應用，尤其是利用神經網絡建立輸入參數與輸出參數之間的關系模型， 從而優化工藝參數。溫海駿等[9]采用神經網絡和遺傳算法，對激光熔覆工藝參數進行多目標優化， BP神經網絡預測值與實際值之間的對比如圖5所示，由表1可以看出，最終試驗值與預測值誤差不超過3%，說明預測模型達到了較高的網格識別度。

綜上所述，對于熔覆結果的預測，目前大多數研究者采用神經網絡方法進行預測，回歸分析法的誤差相對較高，適合精度要求較低的場合進行預測，可以直觀地獲得各工藝參數與熔覆層之間的關系。雖然神經網絡可以高精確性的進行激光熔覆結果預測，但是神經網絡對于數據的需求量大，需要大量樣本參數進行訓練，并且參數的質量對預測結果的準確性有很大影響。每種方法都存在自身的優缺點，根據不同材料、不同方式的激光熔覆選擇何種方法進行分析還需進一步的分析。

結語

當前激光熔覆技術作為一種先進的金屬材料表面改性技術，在金屬材料領域應用廣泛。數值模擬和性能預測均是為了探明激光熔覆過程中激光熱源參數對熔覆過程轉變及熔覆層性能的影響規律，指導對激光熱源參數的合理選擇和精確預測激光熔覆效果，對促進激光熔覆技術的進步具有重要意義，但是目前還存在以下幾點問題。

1）目前的研究對于激光熔覆工藝參數的選擇和熔覆層組織轉變過程的定量化表征仍存在較大困難，在探明激光熱源參數對熔覆過程組織轉變規律的研究方面仍需要較大進步。

2）多數激光熔覆研究采用的均是平板基體作為實驗基板或模型，實際工業加工中出現的并非全是平面基板，對于非平面基體激光熔覆成形的實驗研究與數值模擬需要進行進一步的研究。

3）激光熔覆數值模擬大多針對溫度場和應力場仿真，針對流體仿真的較少。

4）激光熔覆過程涉及的因素眾多，模型預測的結果與實際實驗結果還有一定的偏差，并且對于激光熔覆結果的預測多為形貌尺寸，對于力學性能的預測較少。

參考文獻：

[1] 陳冠秀，安立周，王碩，等. 激光熔覆技術的研究概況及其發展趨勢[J].2022，35（5）：15-18，41.

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[3] 顧建強. 激光熔覆殘余應力場的數值模擬[D]. 浙江工業大學，2010.

[4] Parisa Farahmand，Radovan Kovacevic. Laser cladding assisted with an induction heater （LCAIH） of Ni–60%WC coating[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015，222：244-258.

[5] 海淵. 激光熔覆Ni基WC涂層裂紋形成機理研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2022.

[6] 黃國順，金康寧，陳平. 激光熔覆IN718合金溫度場和應力場數值模擬[J]. 潤滑與密封，2022，47（11）：75-81，147.

[7] 吳俁，馬朋召，白文倩，等.不同掃描策略下316L/AISI304激光熔覆過程中溫度場-應力場的數值模擬[J].中國激光，2021，48（22）：18-29.

[8] Ansari M， Razavi R S，Barekat M. An empirical-statistical model for coaxial laser cladding of NiCrAlY powder on Inconel 738 superalloy[J]. Optics amp; Laser Technology，2016，86：136-144.

[9] 溫海駿，孟小玲，許向川，等. 基于神經網絡和遺傳算法的激光熔覆工藝參數多目標優化[J].2019，39（5）：734-740.