图 4 为不同功率下单道 FeCrNiMo 熔覆层的宏观形貌和截面形貌图， 截面图上标出相应的熔宽值。当功率为 1800W， 能量密度为 24J/mm3?时，由于热输入不足， 粉层未能完全熔化， 熔覆层成型不均匀， 熔覆层焊趾（ 熔覆层表面与母材交界处） 部出现未熔透所导致咬边现象， 影响熔覆层与基板的结合性能， 熔覆层的熔宽较小。当功率为 2400W、 能量密度为 32J/mm3?时， 深度方向上，粉层基本可以被熔透， 27SiMn 母材几乎未发生熔化， 稀释率接近于零， 熔覆层与基板界面清晰平整， 熔覆层与基体难以形成冶金结合；此外， 熔宽和熔池截面积明显增大。当功率为 3000W， 能量密度为 40J/mm3?时， 少量 27SiMn 母材被熔化，经计算熔覆层稀释率约为 7%， 且熔宽和熔池截面积进一步增大， 可得到外观尺寸较为均匀的熔覆层。实验结果与模拟计算结果的趋势完全一致，模拟结果是可靠的。此外， 从图 4(c) 可见， 当功率为 3000W 时， 熔覆层左侧的焊趾处存在局部开裂（缺口） 的倾向。

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? ? ? 其中?Qf?和?Qr?分别为热源的前、 后半椭圆的输入能量分布函数；P?表示激光输入功率；η?为熔覆层的激光吸收率（ 取 0.85） ；v?为激光光斑的移动速度（取 6mm/s） ，?t?为时间；af、?ar?分别为前、后半椭圆沿激光运动方向的半长轴（af?取 2mm，ar?取 6mm） ， b 为前、 后半椭圆的横向半长轴（取3.35mm） ；(x0, y0) 为激光熔覆起点处的坐标。

? ? ? 为研究熔覆层上的某点在整个激光熔覆过程中的温度变化情况， 分别取图 1 中的 C、 D、 E、F 点作温度 - 时间曲线， 如图 5 所示。其中图 5(a)为当功率在 1800W， 能量密度为 24J/mm3?时在激光在运动方向上在熔覆层中心线上的三个点 C、E、 F 点的温度 - 时间曲线， 可见熔池中心经历了快速加热和冷却的过程。C、 E、 F 三点温度峰值非常接近， 温度时间历程相似， 只是温度峰值出现的时刻不同， 这与激光扫描的先后顺序有关。由此可知， 在单道熔覆过程中当输入能量稳定后，熔池的峰值温度即不再发生变化。图 5(b) 比较了不同功率（密度） 下 C、 D 点的温度 - 时间曲线，由于各算例中取点位置相同， 并采用相同的激光扫描速度， 因此峰值温度到达的时刻是相同的。当 功 率 由 1800W 增 加 到 3000W 时， 熔 池 中 线上 C 点的峰值温度随之升高， 依次为：2672℃、3504℃和 4360℃；而熔池外缘 D 点温度相对熔池中心温度较低， 依次为 487℃、 627℃、 760℃，说明熔池附近温度分布极为不均， 从中心到外缘温度梯度极大。

? ? ??其中?Ein?为输入热量， 即激光器通过辐射输入工件表面的热量， 可用工件上任意点的坐标工件表面的热量， 可用工件上任意点的坐标 (x、y、z) 和时间 t 相关的函数， 即热源函数 Q(x,y,z,t)来表示。Egen?为体系内部的产热， 在不锈钢粉末和基板的激光熔覆过程中材料内部无明显自发生成的热量， 因此该项为零。Eout?为输出的热量， 包括三部分：熔覆层对基板接触热传导， 熔覆层或基板表面与周围空气介质的对流换热， 熔覆层和基板对周围环境的热辐射。Est?为激光熔覆过程中在工件中所储存的能量， 与比热容、 温度变化量和质量成正比。为计算激光熔覆过程中任意时刻的温度状态， 需将 (1) 中各项对时间求导， 转换为能量的变化率方程， 将之展开可获得如公式 (2)所示的微分方程。用有限元软件对该方程进行时间积分， 从而可以求得到模型中每一个节点上在任意时刻的温度， 即工件在激光熔覆过程的实时温度场。

? ? ? 在构建热源模型的时， 因本文的激光熔覆过程类似于热导型焊接， 激光光斑面积较大（5× 5mm的方形光斑） ， 能量密度较低， 熔覆层的深宽比较小， 激光光斑运动速度较低 (6mm/s)， 因此采用双椭圆平面热源 Q(x,y,t) 实现其对涂层表面的加载， 该模型是由 Kurtz 等提出的椭圆平面热源模型热源演变而来， 其表达式如 (3)~(6) 式所示。

图 3 在 7.8s 时刻不同功率下的温度场云图：(a) 1800W; (b) 2400W; (c) 3000W

3.北京市生态环境材料及其评价工程技术研究中心

马氏体不锈钢具有较高的硬度， 与奥氏体不锈钢和双相不锈钢相比具有更好的耐磨性， 可满足磨损和腐蚀双重环境作用下的工况需求， 可用于煤矿液压支架、 海洋平台立柱等结构的表面防护和修复用涂层材料。为提高金属基体的耐磨、耐蚀综合性能， 目前国内普遍采用的工艺是电镀硬铬， 该方法虽然工艺简单、 成本低， 但镀层与基体结合强度较低， 易脱落， 且电镀工艺对环境污染严重， 近年来开发环境友好型的替代工艺已成为材料表面工程领域的重要研究方向。激光熔覆技术利用激光高能量密度的特点， 可在基体表面形成致密的冶金结合层， 被广泛用于提高金属表面硬度、 耐磨性、 耐蚀性和抗蠕变性能等。FeCrNiMo 马氏体不锈钢是在 AISI 431 不锈钢的基础上， 通过适当调整合金元素的含量获得的具有更高综合性能的马氏体不锈钢。采用激光熔覆工艺可将 FeCrNiMo 马氏体不锈钢粉末熔覆于高强结构钢（如 27SiMn） 基体表面， 制得具有良好的耐蚀、 耐磨综合性能的工件。然而， FeCrNiMo不锈钢的裂纹敏感性较高， 熔覆层与基体的热膨胀系数存在差异， 且激光熔覆工艺的冷速较高，在熔覆过程中极易产生较大的内应力， 因此在制备较大厚度（2 mm 以上） 的熔覆层时易产生裂纹缺陷。因此， 研究熔覆过程中的应力分布情况，有助于预测裂纹产生的倾向， 并优化调整相应的熔覆工艺， 以提高熔覆层质量。然而， 激光熔覆过程是高温下的动态加工过程， 采用实验方法难以准确获得实时的热、 力学参数， 而数值模拟方法可为此提供一种有效的分析手段。

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