同軸送粉激光熔覆氣泡逃逸行為及分布研究

徐磊，王勻，許楨英，倪旺，閆金金

高溫合金成形

同軸送粉激光熔覆氣泡逃逸行為及分布研究

徐磊，王勻，許楨英，倪旺，閆金金

（江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

獲取Inconel 718合金在同軸送粉激光熔覆過程中，熔池內(nèi)氣泡的動態(tài)行為及熔覆層中氣孔缺陷的分布規(guī)律。建立熔池內(nèi)部氣泡力學模型和方程，考慮氣泡浮力、重力、氣泡和熔液相對運動產(chǎn)生的黏滯力，以及熔液對流帶來的拖曳力等力的綜合作用，著重研究浮力、拖曳力對氣泡逃逸行為的影響，并計算不同條件下的氣泡逃逸時間；搭建“三明治”觀測平臺，原位觀測在熔覆過程中熔池內(nèi)氣泡的動態(tài)行為，獲取熔池壽命；進行單因素Inconel 718合金同軸送粉激光熔覆實驗，探究熔覆層氣孔缺陷的分布規(guī)律。熔池壽命通常在0.2～0.4 s；熔池內(nèi)氣泡直徑臨界值約為60 μm，當熔池內(nèi)氣泡直徑大于60 μm時更容易通過自身浮力逸出，與單因素實驗獲得的熔覆層中96.94%的氣孔缺陷直徑小于60 μm具有較好的一致性；對熔覆層氣孔缺陷表征發(fā)現(xiàn)，浮力對臨界直徑以下氣泡運動狀態(tài)的影響一般小于拖曳力。Inconel 718合金在激光熔覆過程中，熔池內(nèi)氣泡大小存在臨界值，且主要受浮力向上運動及受拖曳力隨熔池對流運動的影響，熔覆層中氣孔缺陷傾向于分布在對流路徑上。

同軸送粉激光熔覆；Inconel 718；氣泡逃逸；受力分析；氣孔分布

同軸送粉激光熔覆以其成形尺寸不受限制、靈活性高、材料選擇性廣及易實現(xiàn)自動化等顯著優(yōu)勢，成為當前大型金屬零件凈成型、梯度材料制備及零件修復和表面改性的首選增材制造技術[1-6]。在同軸送粉激光熔覆過程中，存在開放環(huán)境及氣流和粉末沖擊等因素，使熔池易引入氣體，部分氣體會以氣泡形式在熔池中出現(xiàn)。氣泡運動行為及其分布規(guī)律是導致熔覆層孔隙缺陷的根本原因，不僅降低了熔覆層的強度，且極易造成脆性斷裂[5-6]。因此，深入研究氣泡在熔池中的運動形態(tài)及其分布規(guī)律，是尋求降低熔覆層孔隙率及提高熔覆質(zhì)量的前提。為此，Ng等[7]對激光熔覆的未熔合孔隙和氣孔孔隙進行探究表明，氣孔孔隙比未熔合孔隙更難消除，氣孔孔隙與熔池動力學相關，氣泡易隨Marangoni對流流動并被熔覆層保留。Yang等[8]在研究銅合金激光熔覆修復涂層時發(fā)現(xiàn)，在熔覆層橫截面上氣孔沿熔池底部呈鏈狀分布，較低的送粉率和較高的激光功率有助于減少氣孔缺陷。Hojjatzadeh等[9]通過原位高速X射線成像系統(tǒng)觀測氣孔的演變過程，分析了浮力、拖曳力、熱毛細力對氣泡的影響，并認為熱毛細力對氣泡的影響最大。Zhang等[10]采用高速相機直接觀測法，研究了熔池表面2種氣泡的演變過程，發(fā)現(xiàn)氣泡存在滯留和破裂等2種現(xiàn)象。胡勇等[11-12]從多物理場耦合角度，在建立定向洛倫茲力作用下的熔池模型基礎上，模擬了激光熔覆層的熔池氣泡運動過程發(fā)現(xiàn)，洛倫茲力向下可以有效抑制熔池表面流速，降低流體拖曳效應，氣泡向上運動能力增強，從而減少了熔池內(nèi)部孔隙。吳祖鵬等[13]對Ni60A合金激光熔覆層氣孔成因進行研究表明，在熔覆層中氣泡運動與激光能量輸入密切相關，且在線性密度大于等于200 J/mm時，能提高氣泡溢出量，并獲得低孔隙率的熔覆層。

現(xiàn)有的研究多集中在激光熔覆成型后的組織分析及熔池表面氣泡的形態(tài)分析上，但熔池內(nèi)部氣泡形態(tài)、分布更能有效揭示熔覆層孔隙產(chǎn)生的原因，且同軸送粉激光熔覆采用氣體送粉，熔池在開放環(huán)境中凝固，熔池內(nèi)氣泡行為更為復雜。對此，針對Inconel718合金同軸送粉激光熔覆熔池內(nèi)部氣泡的動態(tài)過程進行分析，結合力學推導和實驗手段研究了氣泡受力、逸出行為及氣孔分布等情況。

1 氣泡分析力學模型

熔池中氣泡的運動狀態(tài)、逃逸行為和分布與其受力情況緊密相關，直接決定了熔覆層成形后的氣孔分布和孔隙率。熔池中氣泡的受力情況見圖1，氣泡在自身浮力、重力、氣泡與熔液相對運動產(chǎn)生的黏滯力，以及熔液對流導致的拖曳力等力的綜合作用下運動，是決定氣泡分布及逸出熔池表面的關鍵因素[9, 10, 14-18]。

由于熔液的高黏性，通常氣泡隨著熔池中的流體被動運動，氣泡的主動運動主要是浮力作用下的上浮，因此對受力情況進行簡化，假設氣泡為規(guī)則球體，黏滯力只考慮氣泡上浮時在豎直方向上與周圍熔液相對運動而產(chǎn)生的。氣泡浮力bb的計算見式（1）。

氣泡重力bg計算見式（2）。

式中：b為氣泡內(nèi)部氣體密度。

根據(jù)Stokes定律給出氣泡黏滯力bv，計算見式（3）。

式中：為熔液動力黏度；v為氣泡豎直方向上與熔液的相對速度。

根據(jù)Schiller-Naumann定律給出氣泡在熔液中受對流運動的拖曳力bd，計算見式（4）。

式中：為氣泡直徑；b為氣泡體積；為熔液流速；為氣泡速度；D為拖曳力系數(shù)，與雷諾數(shù)ep有關。ep計算見式（5）。

2 實驗材料與設備

同軸送粉激光熔覆實驗使用高純氣霧化Inconel 718球形粉末，粉末形貌及粒徑統(tǒng)計見圖2，粉末平均粒徑為60.89 μm，粉末化學成分見表1?；鍨?16L不銹鋼，尺寸為60 mm×10 mm×5 mm。實驗前對粉末進行真空干燥處理，去除水分，基體用砂紙打磨后清洗干凈，并吹干表面。

實驗采用IPG?YLS?2000?TR光纖激光器和三路同軸送粉激光熔覆頭，激光光斑直徑為2 mm。采用高純氬氣為保護氣，氣流密度為15 L/min。搭建“三明治”熔池觀測平臺[19-20]，用于觀測熔池壽命及氣泡動態(tài)過程，實驗裝置見圖3—4?！叭髦巍庇^測法示意圖見圖5?？紤]到熔覆過程中熔覆層在高度上的累積，為了觀測到熔池內(nèi)部情況，在安裝時，GG17高溫玻璃高出基體大約一個熔覆層高度（2 mm），通過平口鉗及夾具將高溫玻璃和基體固定，激光光斑同時作用于基體和玻璃（光斑作用于基體和玻璃上的比例為1:1），其中GG17高溫玻璃作為觀測窗口，利用高速相機從側(cè)面采集熔池內(nèi)部的動態(tài)行為。開展單因素Inconel718合金單道熔覆實驗，并對熔覆后的熔覆層進行切割、磨拋、腐蝕，拍攝截面金相圖，獲取其氣孔缺陷的分布，具體實驗參數(shù)見表2。

圖2 Inconel 718粉末形貌和粒徑統(tǒng)計

表1 Inconel 718粉末成分

Tab.1 Inconel 718 powder composition

圖3 “三明治”熔池內(nèi)部觀測系統(tǒng)

圖4 夾具

圖5 “三明治”觀測法示意圖

表2 實驗參數(shù)

Tab.2 Experiment parameters

3 結果與分析

熔覆層縱截面金相圖見圖6。由圖6可知，Inconel 718合金熔覆層中存在明顯圓形氣孔?！叭髦巍庇^測圖與熔覆層縱截面金相圖比對見圖7。由圖7可知，熔池氣泡大小及位置分布與熔覆層氣孔缺陷大小及位置分布一致性較好，可用于熔池中氣泡動態(tài)行為觀測。單因素實驗中熔覆層熔高與熔深之和分布在1.3～2.4 mm之間，熔寬在1.5～3 mm（圖8）。

3.1 氣泡逃逸時間與半徑關系

當熔池對流不明顯時，氣泡逃逸主要受自身浮力與黏滯力的影響。與氣泡在金屬溶液中受到的浮力相比，氣泡自身重力較小可以忽略，因此結合式（1）和（3），當浮力和黏滯力平衡時獲得氣泡上浮速度。Inconel 718合金液相線為1 608.15 K，在熔覆過程中熔池溫度分布在1 600～2 400 K之間。為了方便討論，統(tǒng)一取熔液溫度為1 900 K，在此溫度下熔液的動力黏度為0.000 52 Pa·s，熔液密度為7 200 kg/m3（熱物性參數(shù)來源于JmatPro數(shù)據(jù)庫）。將氣泡半徑20 μm代入式（1）中，得出氣泡所受浮力為2.367×10–9N。聯(lián)立式（1）和（3），當氣泡自身浮力與黏滯力平衡時，得到上浮速度約為1.207×10–3m/s，當氣泡距離熔池表面1 mm時，對應的逃逸時間約為0.828 s。熔池壽命與內(nèi)部氣泡固化情況見圖9。由圖9可知，從熔池前沿到后端的固化通常在800幀左右完成（拍攝幀率為3 000幀/s），對應時間0.2～0.4 s，因而半徑較小的氣泡難以通過自身浮力在熔池凝固前逸出表面。

在熔液平均溫度1 900 K、氣泡豎直方向距離熔池表面1 mm的條件下，氣泡半徑與逃逸時間的關系見圖10。由圖10可知，隨著氣泡半徑變大，氣泡逃逸時間快速下降，當氣泡半徑達到30 μm以上時，對應的逃逸時間小于0.4 s，小于熔池固化時間，因而有較大概率憑自身浮力逸出。利用ImageJ-Pro plus軟件對熔覆層金相圖進行處理，獲得了熔覆層中氣孔分布圖（圖8）與氣孔直徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)，熔覆層氣孔缺陷直徑統(tǒng)計見圖11。由圖11可知，96.94%的金相截面氣孔直徑小于60 μm。

氣泡在熔池中的上浮情況見圖12，可見氣泡位置靠近熔池邊緣，此處對流較弱，氣泡隨對流運動不明顯。由圖12可知，直徑為60 μm的氣泡受浮力作用不斷上浮，在0.1 s內(nèi)，氣泡上浮了約112 μm，同時氣泡直徑也在上浮過程中擴大到100 μm左右，上浮速度為0.001 12 m/s，與計算結果0.002 72 m/s相差約2.4倍。該結果一方面原因是觀測位置靠近熔池邊緣，熔池溫度低于1 900 K，熔池動力黏度較高，上浮阻力較大；另一方面，由于觀測手段的限制，氣泡易吸附在玻璃壁面上，阻礙了氣泡運動。

圖6 熔覆層縱截面金相圖

圖7 “三明治”熔池動態(tài)觀測圖與熔覆層縱截面金相圖對比

圖8 不同工藝參數(shù)下熔覆層氣孔分布

圖9 “三明治”實驗觀測熔池壽命與內(nèi)部氣泡固化

圖10 氣泡逃逸時間與半徑關系

圖11 氣孔直徑統(tǒng)計

圖12 氣泡上浮過程

3.2 氣泡受力分析及位置分布

在同軸送粉熔覆過程中，由于氣流及粉末顆粒的影響，熔液流速通常在1～6 m/s[21-22]。在熔液溫度1 900 K時，當氣泡半徑為20 μm、自身速度0 m/s、熔液流速為1 m/s時，代入式（4）得出氣泡受到的拖曳力為2.451×10-6N，在同半徑下較浮力大出3個數(shù)量級。當熔液速度低于0.008 7 m/s時，氣泡受到的浮力將大于拖曳力。因此，氣泡在熔液中的運動主要受熔液對流產(chǎn)生的拖曳力影響。當熔液平均溫度1 900 K、熔池平均流速0.5 m/s時，浮力、拖曳力與氣泡半徑的關系曲線見圖13，可以看出，當氣泡受到的浮力超過拖曳力時，其半徑將大于129 μm，已經(jīng)達到Inconel 718合金熔覆層中最大氣孔缺陷半徑的2倍以上。因此，在熔覆過程中，相比于氣泡浮力，熔池內(nèi)氣泡受到的拖曳力占主導作用。

圖13 浮力和拖曳力與半徑的關系

熔池表面受溫度變化而產(chǎn)生的張力梯度，導致了Marangoni效應[23]，在Marangoni效應和自然對流的作用下，熔池在縱、橫界面中通常會產(chǎn)生2個對流方向相反的環(huán)形對流（圖1）。同時，在同軸送粉激光熔覆過程中，由于粉末顆粒的添加，會導致熔池表面的劇烈波動[21, 24]。遠離熔池中心區(qū)域的氣泡，由于該區(qū)域熔池對流較弱，拖曳力小，氣泡受對流影響，會小幅度向熔池邊緣和底部的待凝固區(qū)流動，同時該區(qū)域凝固速度快，熔液黏滯力大，氣泡的運動阻力較大，難以在浮力作用下上浮到熔池表面逸出，因而被待凝固的熔池捕獲形成氣孔缺陷。對于靠近熔池中心區(qū)域的氣泡，由于熔池內(nèi)部溫度梯度較小，凝固速率小，因而大氣泡更容易受浮力、環(huán)形對流的影響而向上方及徑向擴散[7]。在橫截面上大氣泡更容易分布在頂端和兩側(cè)位置。氣孔在熔覆層中的分布位置見圖8，其中，箭頭為對流軌跡，圓圈為熔覆層底部流線的對流痕跡[8, 25-26]，除c1組外，其余8組氣孔缺陷大多分布在對流路徑上，直徑較大的氣泡受浮力和拖曳力影響大，更容易分布在熔覆層頂端及兩側(cè)，c1組由于掃描速度過低，熔覆層在高度上過度累積導致變形，對流失穩(wěn)，但仍可以看出氣孔多位于熔覆層上端。

4 結論

1）建立了氣泡運動力學模型。在Inconel 718同軸送粉激光熔覆層中存在明顯的規(guī)則圓形氣孔缺陷，在熔池中氣泡主要受重力、浮力、黏滯力、拖曳力等幾種力的綜合作用。

2）通過“三明治”動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)熔池壽命通常在0.2～0.4 s之間；結合力學分析，直徑60 μm以上的氣泡在熔池固化前大概率可以憑借自身浮力逸出，對熔覆層氣孔缺陷進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，96.94%的氣孔缺陷直徑小于60 μm。

3）基于力學分析與單因素實驗發(fā)現(xiàn)，氣泡的運動行為主要受拖曳力影響，隨著熔池對流向熔池上方及由熔池中心徑向向外運動，熔覆層內(nèi)氣孔缺陷更容易分布在對流路徑上。

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Analysis of Bubble Escape Behavior and Distribution of the Coaxial Powder Feeding Laser Cladding

XU Lei, WANG Yun, XU Zhen-ying, NI Wang, YAN Jin-jin

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)

The work aims to obtain the dynamic behavior of bubbles inside the melt pool and the distribution law of porosity defects in the cladding layer during the coaxial powder feeding laser cladding of Inconel 718 alloy. Mechanics model and equation were established for bubbles in melt pool to study the effect of buoyancy and drag force on the bubble escape behavior and calculate the bubble escape time under different conditions by considering the combined effects of bubble buoyancy, gravity, viscous force and drag force. A "sandwich" observation platform was built to observe the dynamic behavior of bubbles in the melt pool in situ and obtain the service life of the melt pool. Single-factor experiment was carried out on coaxial powder feeding laser cladding of Inconel 718 alloy to investigate the distribution law of porosity defects in the cladding layer. The service life of the melt pool was usually 0.2～0.4 s, and the critical value of bubble diameter in the melt pool was about 60 μm. When the diameter was larger than 60 μm, the bubble was easier to escape through its own buoyancy, and 96.94% of the porosity defects in the cladding layer obtained from the single-factor experiments were smaller than 60 μm in diameter, which showed good consistency with the calculation results. From the characterization of porosity defects in cladding layer, buoyancy generally had smaller effect than drag force on movement of bubbles with diameter below critical value. During the laser cladding of Inconel 718 alloy,there is a critical value for bubble size in the melt pool. Bubbles mainly move upward by buoyancy and drag force with the convection of the melt pool and porosity defects in the cladding layer tend to be distributed in the convection path.

coaxial powder feeding laser cladding; Inconel718; bubble escape; force analysis; pore distribution

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.018

TN249

A

1674-6457(2023)01-0137-09

2022?04?01

2022-04-01

國家自然科學基金面上項目（51679112）；揚州市廣陵區(qū)科技計劃（GL202016）

National Natural Science Fund Face Items (51679112); Science and Technology project of Yangzhou Guangling District (GL202016)

徐磊（1997—），男，碩士生，主要研究方向為激光熔覆相關機理。

XU Lei (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: laser cladding related mechanism.

王勻（1975—），男，博士，教授，主要研究方向為激光成型技術。

WANG Yun (1975-), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser forming technology.

徐磊, 王勻, 許楨英, 等. 同軸送粉激光熔覆氣泡逃逸行為及分布研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 137-145.

XU Lei, WANG Yun, XU Zhen-ying, et al. Analysis of Bubble Escape Behavior and Distribution of the Coaxial Powder Feeding Laser Cladding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 137-145.