En alimentation coaxiale de poudre revêtement laser, l'interaction entre la poudre et le laser affectera directement la précision et la qualité de formage de bardageLa caméra infrarouge ne peut pas obtenir directement le comportement de fusion de la poudre dans le laser. Par conséquent, en analysant l'absorption de chaleur par la poudre, un système de caméra à grande vitesse est utilisé pour collecter le comportement dynamique de la fusion de la poudre et un modèle analytique dynamique du processus de fusion de la poudre est établi. L'influence de la puissance laser sur les différentes étapes de fusion et les caractéristiques de température de la poudre entrant dans le bain de fusion sont analysées par simulation. Les résultats montrent qu'il existe trois étapes caractéristiques de fusion typiques de « état solide → état biphasé solide-liquide → état liquide » dans le comportement de fusion dynamique de la poudre collecté par le système de caméra à grande vitesse dans le laser. Le comportement dynamique de la fusion de la poudre peut être analysé par un modèle analytique mathématique, et le comportement thermophysique des différentes étapes a un modèle analytique dynamique de l'interaction thermique entre la poudre et le laser. L'influence de la puissance laser, de la quantité de défocalisation et du débit de gaz porteur de poudre sur le comportement de fusion de la poudre est analysée. Dans le même temps, l'influence de différentes puissances laser sur la durée de chaque étape caractéristique est simulée et analysée pour prédire la distribution de température des particules de poudre atteignant le substrat. Il a été constaté que lorsque la puissance du laser augmente de 100 W à 1500 750 W, la température de la poudre entrant dans le bain de fusion change de manière non linéaire et la température augmente de 3250 ℃ ​​​​à XNUMX XNUMX ℃.

Le procédé de placage au laser présente les avantages d'une forte concentration d'énergie, d'une petite zone affectée par la chaleur du placage, d'un bon formage, etc. Le procédé de placage est facile à contrôler, le coût de production est faible et il a de bons effets sur la réparation et le renforcement de surface des pièces métalliques. Étant donné que le mode de placage laser à alimentation coaxiale en poudre présente un bon couplage lumière-poudre, une grande précision de formage, une grande liberté spatiale et une forte isotropie, il est devenu un choix important pour la technologie de fabrication additive au laser. La précision de formage et le contrôle de la qualité sont la clé de la fabrication additive au laser. À l'heure actuelle, dans la pratique de la production, la plupart d'entre eux s'appuient sur un grand nombre de tests de processus et d'expérience manuelle pour la régulation. Des modèles théoriques sont établis du point de vue du mécanisme de formage et de l'évolution organisationnelle pour parvenir à la prédiction de la précision et de la qualité. Parmi eux, l'interaction thermique entre le laser et le matériau, le mécanisme de distribution de chaleur, etc. ont une influence importante sur le formage précis et le formage haute performance du placage au laser. Par conséquent, pour mener des recherches sur le mode complexe d'interaction thermique entre le laser et la poudre, il est nécessaire de combiner des expériences avec la modélisation, d'analyser l'interaction thermique entre la poudre coaxiale alimentant la poudre et le laser, d'établir un modèle analytique dynamique et de clarifier le mécanisme de l'influence des caractéristiques de la source de chaleur laser sur l'état physique thermique de la poudre sur le point d'entrer dans le bain de fusion.

Français À l'heure actuelle, la recherche sur le comportement physique thermique du revêtement laser à alimentation coaxiale en poudre se concentre principalement sur le mode d'absorption et de diffusion de la poudre sur le laser, la forme d'interaction thermique entre la lumière et la poudre et l'état physique thermique du bain de fusion. Parmi eux, l'interaction thermique entre la lumière et la poudre a une influence importante sur d'autres processus physiques. De nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont mené de nombreuses recherches sur ce sujet, comme Shrey et al. Pour le processus de revêtement laser prédéfini, un modèle d'analyse intégré de paramètres prenant en compte le mécanisme de transfert et de perte d'énergie et la tension superficielle du matériau fondu est proposé pour prédire la température du bain de fusion, la géométrie du revêtement et la dilution du substrat ; Yang Yicheng et al. ont utilisé la méthode de capture d'image transitoire « d'amélioration de l'image arrière » et la technologie de traitement des informations d'image pour étudier les caractéristiques changeantes du faisceau de poudre et des particules sous irradiation laser, ont extrait le nombre de particules dans l'état de surbrillance, la surface totale de la zone brillante et la surface moyenne de la zone brillante d'une seule particule comme paramètres caractéristiques, combinés à la caractérisation de l'influence des paramètres de processus sur le processus de fabrication additive d'alimentation en poudre coaxiale laser, et ont proposé que le processus d'interaction lumière-poudre puisse être régulé en faisant correspondre raisonnablement les principaux paramètres de processus ; Zhu Ming et al. ont modélisé et simulé le comportement d'interaction entre la poudre prédéfinie et le laser. En résumé, les recherches pertinentes se concentrent principalement sur le transfert d'énergie pendant le processus d'action lumière-poudre et la distribution spatiale du champ de température du processus d'action lumière-poudre, tandis qu'il existe moins de recherches sur le processus dynamique de l'action lumière-poudre, l'évolution de l'état physique thermique de la poudre pendant l'action lumière-poudre et l'état des particules de poudre entrant dans le bain de fusion.

Lors du processus de revêtement laser par alimentation coaxiale de poudre, en raison de la présence de vapeur métallique et de plasma à la surface du bain de fusion, il est difficile pour les méthodes d'imagerie thermique conventionnelles de refléter avec précision la température et l'état de la poudre sur le point d'entrer dans le bain de fusion. Il est également très difficile d'analyser quantitativement le mécanisme de la source de chaleur laser au stade final de la fusion de la poudre. Afin d'étudier avec précision l'influence des paramètres du processus sur la température et l'état de la poudre au stade final, une conception de l'alimentation coaxiale de poudre revêtement laser Une plate-forme d'essai, un système d'acquisition d'imagerie thermique infrarouge et un système d'acquisition de caméra à grande vitesse ont été développés. Selon les différentes étapes de fusion de la poudre, un modèle analytique thermophysique dynamique capable de décrire le comportement de fusion de la poudre a été établi. La durée de l'étape caractéristique de fusion de la poudre sous différentes puissances laser a été simulée et calculée. Le modèle a été corrigé et optimisé en fonction de la caméra à grande vitesse. Enfin, la température et l'état de la poudre lorsqu'elle a atteint le bain de fusion sous différentes puissances laser ont été obtenus quantitativement, ce qui a fourni une base théorique pour étudier plus avant le comportement de transfert de chaleur de la poudre vers le bain de fusion, l'état thermodynamique du bain de fusion, etc., et a fourni une base théorique pour réaliser le contrôle du comportement de fusion de la poudre.

1 Méthode d'essai

Français L'acier de construction au carbone n° 45 a été utilisé comme substrat avec une taille de 120 mm × 80 mm × 6 mm. Une poudre d'alliage Ni60A à haute dureté a été sélectionnée comme matériau de poudre avec une taille de particule de poudre de 80 à 160 μm. La composition chimique est indiquée dans le tableau 1. Avant l'essai, la poudre a été placée dans un four à résistance à 120 ℃ pour sécher pendant 1 h afin d'éliminer l'humidité de la poudre. Dans le même temps, l'acier n° 45 a été poli avec du papier de verre pour éliminer la rouille de surface et le film d'oxyde, puis essuyé avec de l'alcool acétonique pour éliminer l'huile de surface.

La source de chaleur laser FL-Dlight-1500 utilisée dans cet article est principalement composée d'un laser semi-conducteur à spot rectangulaire à sortie directe. La taille minimale du spot est de 1 mm × 3 mm, la longueur d'onde est de 976 nm ± 10 nm et la puissance de sortie maximale est de 1 500 W. L'équipement d'alimentation en poudre est un alimentateur de poudre plasma ECPF 2-2 LC et est équipé d'une buse d'alimentation en poudre annulaire coaxiale de haute précision, utilisant le DIAS fabriqué par Aidis. L'imageur thermique infrarouge à ondes courtes et haute température a été utilisé pour observer le processus thermique de l'interaction thermique lumière-poudre. La température mesurée était de 900 ~ 2 500 ℃, l'erreur était de 1 % et la fréquence de mesure était de 60 Hz. Le système d'acquisition du processus d'addition et de reconditionnement au laser utilisait une caméra haute vitesse VEO 410L, la cadence de prise de vue était de 10 000 images par seconde, le temps d'exposition était de 1 μs, l'objectif était un objectif macro à focale fixe Nikon AF60 mm f/2.8D et la source lumineuse auxiliaire utilisait une lampe au xénon HSX-F300 pour améliorer le contraste du processus d'acquisition. Le système de test et d'acquisition est présenté dans la figure 1.

2 Détection, modélisation et simulation du comportement de fusion des poudres

2.1 Acquisition et analyse d'images thermiques infrarouges du processus de fusion de poudre

Afin d'explorer la distribution de température de la poudre dans l'espace d'interaction thermique lumière-poudre et l'état physique thermique de la poudre entrant dans le bain de fusion, le taux d'alimentation en poudre était de 0.25 r/min, le débit de gaz porteur était de 7 L/min, la hauteur d'alimentation en poudre était de 20 mm, la défocalisation laser était de 0 mm et la vitesse de balayage était de Dans des conditions expérimentales de 4 mm/s, l'interaction thermique entre le laser et la poudre sous différentes puissances laser a été collectée à l'aide d'un imageur thermique infrarouge, comme illustré à la Figure 2, et les positions de la buse et du substrat sont indiquées à la Figure 3.

Comme le montre la figure 2, à mesure que la puissance laser augmente progressivement, la température dans le champ d'interaction thermique lumière-poudre augmente progressivement, la zone à haute température de la température de la poudre augmente progressivement et se rapproche progressivement de la buse d'alimentation en poudre, et la température de la poudre se répartit progressivement de manière uniforme le long de l'axe longitudinal. Par analyse, on peut voir qu'à mesure que la puissance laser augmente progressivement, la densité d'énergie laser dans le champ d'interaction thermique lumière-poudre augmente également progressivement. L'augmentation ou la diminution de la puissance laser n'affecte pas la trajectoire de mouvement de la poudre. Cependant, si la puissance laser est augmentée, après l'action lumière-poudre pendant la même durée, la poudre absorbe une énergie laser plus élevée et la température de la poudre augmente immédiatement. Par conséquent, la zone à haute température de la poudre s'étire longitudinalement et se rapproche progressivement de la buse d'alimentation en poudre. La proportion de poudre fondue avant d'atteindre le bain de fusion augmente. Lorsque la puissance laser est de 700 W ou plus, la température de la poudre augmente rapidement et de la vapeur métallique apparaît près du bain de fusion et de la zone proche du bain de fusion, et augmente progressivement avec la puissance laser. La vapeur métallique a une grande influence sur la mesure de la température de la poudre par imagerie thermique infrarouge. La plage maximale de l'imagerie thermique infrarouge est de 2 500 ℃, alors que la température de la zone couverte par la vapeur métallique dépasse cette plage, et cette zone augmente avec l'augmentation de la puissance du laser. Par conséquent, ce n'est que lorsque la poudre sous une faible puissance laser pénètre dans le bain de fusion que la température peut être mesurée par imagerie infrarouge.

2.2 Collecte et analyse du comportement d'interaction thermique entre l'alimentation en poudre coaxiale et le laser

Pendant le processus de fabrication de l'alimentation coaxiale en poudre du laser à semi-conducteur, la poudre subira une transition de « état solide → état biphasé solide-liquide → état liquide → expansion de volume → gazéification → plasma » après être entrée dans le champ laser. La littérature montre que l'état physique de la poudre obtenue sous l'interaction thermique lumière-poudre est différent avec différents niveaux d'irradiation laser, et la différence de luminosité entre les poudres peut refléter directement la différence de degré d'interaction thermique lumière-poudre. Grâce à « l'amélioration de l'image arrière », la poudre solide est introduite coaxialement dans le champ laser, et la poudre est irradiée par l'énergie laser et chauffée. Lorsqu'elle atteint le point de fusion, elle continuera à absorber la chaleur. La chaleur latente de fusion est libérée vers l'extérieur et la transformation solide-liquide se produit. À ce moment, la couleur de la poudre peut être observée passer progressivement du noir au blanc brillant grâce à la photographie à grande vitesse. Lorsque toute la poudre passe du noir au blanc brillant, cela indique que le changement de phase est terminé. Si la poudre fondue continue d'absorber de la chaleur, le volume augmentera. Lorsque la température atteint la température de vaporisation, de la vapeur métallique se forme autour de la poudre fondue et même du plasma apparaît. Le comportement de fusion d'une seule poudre est très similaire au comportement de fusion de l'ensemble du faisceau de poudre. Bien qu'il y ait plus de poudres lors du placage laser à alimentation coaxiale en poudre, le comportement de fusion typique d'une seule poudre peut être étudié.

Le système de test de revêtement laser à semi-conducteur à alimentation coaxiale en poudre de la figure 1 a été construit et le processus de revêtement de poudre typique a été sélectionné pour analyser et collecter le comportement de fusion d'une seule poudre. Lorsque la puissance du laser est réglée de manière raisonnable, la poudre entrant dans le laser ne sera pas complètement convertie en vapeur métallique ou en plasma en raison de l'action du laser, et ce processus thermique d'action lumière-poudre est également régulier. Par conséquent, le processus de fusion de la poudre entrant dans le champ d'action du laser peut être simplifié.

Français Étant donné que la probabilité que toutes les poudres soient converties en gaz ou en plasma est faible et a peu d'effet sur l'ensemble du processus thermique, le processus de fusion de poudre est simplifié pour obtenir trois étapes caractéristiques, comme le montre la Figure 4. Sous les paramètres de vitesse d'alimentation en poudre de 0.25 r/min, débit de gaz porteur de poudre de 7 L/min, hauteur d'alimentation en poudre de 20 mm, quantité de défocalisation laser de 0 mm et vitesse de balayage de 4 mm/s, différentes puissances laser sont utilisées. Le processus de fusion de poudre solide est collecté par vidéo haute vitesse et traité à l'aide du logiciel Matlab. La luminosité et la surface de pixel de la poudre en fusion dans l'image sont utilisées comme signaux caractéristiques. Français L'analyse montre qu'il existe trois étapes typiques à partir du moment où la poudre entre dans le champ d'action du laser jusqu'au moment où elle tombe dans le bain de fusion, à savoir 3 Étape caractéristique 1 : le début de l'étape de fusion, la poudre est éjectée de la buse, le temps de mouvement est de 0 à 9.8 ms, et après être entrée dans la zone d'irradiation laser, elle absorbe la chaleur et commence à passer d'un solide noir à un liquide blanc. Les caractéristiques de la poudre à cette étape sont des valeurs de gris de 0 à 160 et des valeurs de pixels de 0 à 2 pixels ; Étape caractéristique 2 : l'étape de surbrillance complète, le temps de mouvement de la poudre est de 9.9 à 12 ms, la poudre continue d'absorber la chaleur sous l'interaction thermique du laser, fond de haut en bas et devient finalement une particule liquide entièrement brillante. Les caractéristiques de la poudre à cette étape sont des valeurs de gris de 160 à 255 et des valeurs de pixels de 2 à 5 pixels ; Étape caractéristique 3 : la goutte fondue entre dans l'étape du bain de fusion, le temps de déplacement de la poudre est de 12.1 à 18 ms, la poudre liquide continue d'absorber la chaleur grâce à l'interaction thermique du laser et le volume continue d'augmenter. Il est également possible qu'un plumage se produise à ce moment-là. Enfin, la poudre entre dans le bain de fusion sous forme de liquide à haute température. Les caractéristiques de la poudre à ce stade sont des valeurs de niveaux de gris. 255, la valeur de pixel est supérieure à 5 pixels. En résumé, la poudre subit une transformation de « état solide → état biphasé solide-liquide → état liquide » dans le laser.

2.3 Analyse du processus physique thermique du comportement de fusion de la poudre lorsqu'elle est introduite dans le laser

Comme le montre la figure 4, la forme de fusion de la poudre dans le laser est dynamique, et le processus d'absorption d'énergie est également dynamique. Par conséquent, la description du comportement de fusion de la poudre après son entrée dans le laser doit également être dynamique. Cependant, la plupart des
Les modèles physiques thermiques utilisent des équations statiques et d'absorption de chaleur unique. Il est donc nécessaire d'établir un modèle physique thermique dynamique selon différentes étapes caractéristiques pour décrire le comportement de fusion de la poudre solide dans le laser, et de calculer et d'analyser l'état et la température de la poudre entrant dans le bain de fusion.

2.3.1 Modèle de source de chaleur laser

Français Afin d'analyser l'influence des caractéristiques de la source de chaleur sur le comportement de fusion de la poudre, un modèle de source de chaleur laser est d'abord établi. Étant donné que la forme de transmission d'énergie et le porteur dans l'interaction thermique lumière-poudre sont relativement complexes, les hypothèses suivantes doivent être formulées pour le processus d'interaction thermique lumière-poudre : ① L'atténuation de l'énergie laser se fait par absorption et diffusion de la poudre, en ignorant l'influence du plasma ; ② L'analyse de la densité d'énergie laser agissant sur la poudre est conforme à la distribution trapézoïdale ; ③ La poudre étudiée entre finalement dans le bain de fusion après l'interaction entre la lumière et la poudre ; ④ La vapeur métallique agit sur la poudre sous forme de conduction thermique, mais l'effet est relativement faible, de sorte que l'influence de la vapeur métallique sur la température de la poudre est ignorée dans l'étude. La source de chaleur laser à semi-conducteur rectangulaire est distribuée de manière gaussienne dans la direction x et trapézoïdale dans la direction y, comme le montre la Figure 5.

La source de chaleur laser à semi-conducteur est la distribution trapézoïdale qui reflète le mieux l'uniformité de la distribution d'énergie dans le sens de la longueur. En même temps, la direction de la gaine laser est perpendiculaire à la direction de la longueur du spot laser. Par conséquent, afin de simplifier le modèle de source de chaleur laser, il est nécessaire de supposer que la poudre se déplace vers le bain de fusion le long du plan avec l'énergie maximale perpendiculaire à la direction de la largeur du laser. Après avoir été affecté par la chaleur laser, le comportement physique thermique est analysé en fonction de la distribution trapézoïdale de la densité d'énergie laser. La formule simplifiée de distribution d'énergie laser est présentée dans la formule (1) de la figure, où : qlaser est la densité d'énergie laser à n'importe quelle position dans l'espace d'action lumière-poudre ; P est la puissance laser ; W est la largeur du spot laser ; L est la longueur du spot ; y est la distance le long de la longueur du faisceau laser.

Lorsque le revêtement laser est effectué sous forme d'alimentation coaxiale de poudre, la poudre est affectée par le flux d'air transportant la poudre et la forme de mouvement est relativement complexe. Pour l'alimentation annulaire de poudre, la poudre dans l'espace d'interaction thermique lumière-poudre est affectée par la résistance du flux d'air et sa propre gravité, de sorte que la forme de force est plus complexe et il est plus difficile d'analyser leurs formes de force et de mouvement. Cependant, en raison de la symétrie élevée de la tête de revêtement d'alimentation annulaire de poudre et du faisceau de poudre, lorsque les paramètres d'alimentation de poudre sont constants, les poudres ayant la même section transversale ont la même force et la même forme de mouvement. Par conséquent, cet article analyse le modèle de mouvement de la poudre dans la section transversale bidimensionnelle dans la direction centrale de la largeur du spot laser et la force
Le mode est illustré dans la figure 6.

Le mouvement d'une seule poudre depuis la buse d'alimentation en poudre jusqu'au bain de fusion peut être décomposé en directions horizontale et verticale. Le temps de mouvement t1 et t2 dans les deux directions peut être calculé par cinématique. Le temps de mouvement maximal dans le champ d'action laser peut être calculé comme t = min[t1, t2], c'est-à-dire, voir la formule (2) sur la figure, où : v0 est la vitesse de la poudre au niveau de la buse d'alimentation en poudre ; az est l'accélération de la poudre dans la direction verticale ; ay est l'accélération de la poudre dans la direction horizontale ; θ est l'angle d'incidence de la poudre.
La distribution d'énergie laser (1) est couplée au modèle de mouvement de la poudre (2), et la densité d'énergie qlaser à tout instant t dans le faisceau laser est obtenue comme (3), comme indiqué sur la figure. Où : t est le temps nécessaire à la poudre pour se déplacer vers n'importe quelle position dans le laser.

2.3.2 Modélisation des processus physiques thermiques dans l'étape caractéristique 1

Au début de l'entrée dans le champ laser, la poudre n'est pas fondue par l'interaction laser, mais passe d'un état solide à basse température à un état solide à haute température. L'équation d'équilibre de transfert d'énergie à ce moment est montrée dans la figure. Formule (4) (5). Dans la formule : la poudre est solide ; Qp-solide est la chaleur absorbée par la poudre ; Qp-solidabs est la chaleur laser absorbée par la poudre dans l'étape t1 ; Qp-solidcon est la chaleur perdue par la poudre par convection thermique ; Qp-solidrad est la chaleur perdue par la poudre par rayonnement thermique ; αsolide est le rapport de la poudre absorbant le laser ; hp-solide est le coefficient de transfert de chaleur par convection thermique de la poudre ; Tp-solide(t) est la température finale en temps réel de la poudre dans la première étape caractéristique ; ρp-solide est la densité de la poudre ; Cp-solide est la capacité thermique spécifique de la poudre ; est le rayon d'une seule particule de poudre ; T0 est la température ambiante ; est l'émissivité de la poudre au laser ; est la constante de Boltzmann.

D'après la formule (5), on peut voir que la durée t1 de l'étape caractéristique 1 augmente avec qlaser(t). C'est-à-dire que lorsque la puissance laser P et l'angle d'incidence de la poudre θ diminuent, la défocalisation laser D et la vitesse initiale d'incidence de la poudre v0 augmentent, la durée t1 de l'étape caractéristique 1 augmente et la vitesse de croissance de la température en temps réel de la poudre Tp-solid(t) ralentit.

2.3.3 Modélisation du processus thermophysique de l'étape caractéristique 2

La poudre commence à subir une transition de phase solide-liquide. Tandis que la poudre absorbe de la chaleur, elle libère de la chaleur latente de fusion due à la transition de phase. À ce stade, l'état physique thermique du porteur d'énergie laser change et l'équation d'équilibre du transfert d'énergie est illustrée par la formule (6) (7) de la figure. Où : Qp-latent est l'énergie libérée lorsque la poudre subit une transition de phase.

Où : ∆Hf est la chaleur latente de fusion et Tm est le point de fusion de la poudre. Comme la différence de température de la poudre est faible pendant la transition solide-liquide, cette valeur est approximativement égale à Tm, donc la formule (7) est simplifiée en formule (8) sur la figure.

On peut conclure de l'équation (8) que la durée de l'étape caractéristique 2 (t2−t1) augmente à mesure que la puissance laser P et l'angle d'incidence θ de la poudre diminuent, et diminue également à mesure que la taille moyenne des particules rp de la poudre, la vitesse initiale v0 de la poudre et la quantité de défocalisation laser D diminuent.

2.3.4 Modélisation du processus thermophysique de l'étape caractéristique 3

Français La poudre a terminé la transition solide-liquide et est toujours soumise à la chaleur laser continue avant de tomber dans le bain de fusion. En raison de la grande différence dans les paramètres thermophysiques des phases solide et liquide de la poudre, le processus thermophysique de cette étape doit être ajusté en fonction des paramètres thermophysiques de la transmission de l'état liquide. L'équation d'équilibre du transfert de chaleur est présentée dans l'équation (9) de la figure. Dans la formule : les poudres sont toutes liquides ; Qp-liquide est la chaleur absorbée par la poudre ; Qp-liquidabs est la chaleur du laser agissant sur la poudre ; Qp-liquidcon est la chaleur perdue par la poudre en raison de la convection thermique ; Qp-liquidrad est la chaleur perdue par la poudre en raison du rayonnement thermique.

Dans la formule : les poudres sont toutes liquides ; αliquide est le taux d'absorption du laser ; hp-liquide est le coefficient de transfert de chaleur par convection ; Tp-liquide(t) est la température en temps réel ; ρp-liquide est la densité ; Cp-liquide est la capacité thermique spécifique.

D'après la formule (10), on peut voir que la durée de l'étape caractéristique 2 (t3-t2) est liée à la température en temps réel de la poudre liquide Tp-liquide(t), à la vitesse initiale de déplacement de la poudre v0, à la puissance laser P, à la quantité de défocalisation positive laser D, à l'angle d'incidence de la poudre θ et à d'autres paramètres. Si la température de la poudre est augmentée plus haut dans le même temps, la quantité de défocalisation positive laser D, la vitesse initiale de déplacement de la poudre v0 peuvent être réduites. Réduisez la puissance laser P, augmentez l'angle d'incidence de la poudre θ et à ce moment-là, la poudre durera plus longtemps dans l'étape caractéristique 3.

2.4 Analyse de simulation du comportement de fusion des poudres

2.4.1 Effet de la puissance laser sur le comportement de fusion de la poudre

Bien que la surface du bain de fusion soit recouverte de vapeur métallique pendant le processus de fabrication de la poudre coaxiale par laser à semi-conducteur, ce qui rend difficile la mesure de la température de la poudre lorsqu'elle pénètre dans le bain de fusion, le modèle ci-dessus peut être utilisé pour calculer la température de la poudre lorsqu'elle pénètre dans le bain de fusion et prédire l'état physique de la poudre lorsqu'elle pénètre dans le bain de fusion. Le modèle est utilisé pour calculer la durée de la poudre dans les trois étapes caractéristiques sous différentes puissances laser. Sous la même puissance laser et d'autres paramètres, la durée réelle de chaque étape caractéristique est enregistrée par une caméra à grande vitesse. La précision du modèle est vérifiée en comparant la durée avant et après. Sur la base du modèle obtenu, la température et l'état de la poudre lorsqu'elle pénètre dans le bain de fusion sont analysés et jugés.

Français Dans les conditions de simulation suivantes : vitesse d'alimentation en poudre 0.25 r/min, débit de gaz vecteur de poudre 7 L/min, défocalisation laser 0 mm, hauteur d'alimentation en poudre 20 mm, angle d'incidence de la poudre 45 °, formule (3), formule (5), formule La température de poudre en temps réel T(t) correspondant aux temps t1, t2 et t3 dans (8) et (10) est simulée par Matlab pour obtenir l'influence de différentes puissances laser qlaser sur la durée de chaque étape caractéristique t1, (t2−t1) et (t3−t2). Les paramètres de simulation sont présentés dans le tableau 2.

La valeur de simulation présente un certain écart par rapport à la valeur expérimentale. La valeur de simulation de l'étape caractéristique 1 est toujours supérieure à la valeur expérimentale et la valeur de simulation de l'étape caractéristique 3 est toujours inférieure à la valeur expérimentale. Les résultats de simulation de la durée de l'étape caractéristique 1 à faible puissance et de la durée de l'étape caractéristique 3 à haute puissance sont assez différents des résultats expérimentaux, car la durée de l'étape caractéristique 1 à faible puissance et de l'étape caractéristique 3 à haute puissance est relativement longue. Les deux processus sont perturbés par des facteurs tels que la réflexion de la chaleur du bain de fusion et la chaleur élevée de la vapeur métallique, qui sont ignorés dans la modélisation de simulation, comme le montre la figure 7.

2.4.2 Effet de la défocalisation sur le comportement de fusion de la poudre

Sous les paramètres de taux d'alimentation en poudre de 0.25 r/min, débit de gaz porteur de poudre de 7 L/min, vitesse de balayage de 4 mm/s, hauteur d'alimentation en poudre de 20 mm et puissance laser 1 100 W, la défocalisation a été ajustée pour étudier l'effet de la défocalisation sur la distribution de température dans l'espace d'interaction lumière-poudre pendant le revêtement laser coaxial, comme le montre la figure 8.

Comme on peut le voir sur la figure 8, l'augmentation de la défocalisation augmentera la quantité de poudre fondue le long de la direction latérale du spot laser, et l'uniformité de la distribution de température des particules de poudre sera également améliorée le long de la direction latérale du spot laser. La zone de la zone à haute température de la température de la poudre augmente d'abord puis diminue, et les particules de poudre dans l'état à haute température sont d'abord proches puis éloignées de la buse. La raison en est que la défocalisation augmente à partir de 0 mm, ce qui signifie que la section transversale de distribution d'énergie maximale de la direction latérale du laser se déplace progressivement du substrat vers la buse. Lorsque la défocalisation est de + 10 mm, la densité d'énergie moyenne que les particules de poudre peuvent absorber dans l'interaction lumière-poudre est la plus grande ; lorsque la défocalisation dépasse + 10 mm Après cela, la distance entre le foyer laser et le substrat est trop grande, et la faisceau laser est dans un état divergent, de sorte que la densité énergétique moyenne que les particules de poudre peuvent absorber dans l'interaction lumière-poudre diminue avec l'augmentation de la distance focale. Par conséquent, on observe que les particules de poudre fondent davantage le long de la direction latérale du spot laser, et l'inhomogénéité de fusion de la poudre diminue le long de cette direction, et la zone de la zone à haute température de la température de la poudre augmente puis diminue.

Sous les paramètres de quantité d'alimentation en poudre de 0.25 r/min, vitesse de balayage de 4 mm/s, hauteur d'alimentation en poudre de 20 mm, puissance laser de 1 100 W et quantité de défocalisation de 0 mm, en ajustant le débit de gaz porteur de poudre, l'effet du débit de gaz porteur de poudre sur la distribution de température dans l'espace d'interaction lumière-poudre pendant le revêtement laser coaxial est étudié. Lorsque le débit de gaz porteur de poudre est de 5, 7, 9 et 11 L/min, comme indiqué sur la figure 9.

La figure 9 montre qu'à mesure que le débit de gaz porteur augmente progressivement, le nombre de particules de poudre fondues diminue légèrement, la surface de la zone à haute température des particules de poudre diminue relativement et l'uniformité de la distribution de température des particules de poudre s'affaiblit. La raison en est que le débit de gaz porteur affecte la vitesse de déplacement et la distribution spatiale des particules de poudre dans l'espace d'action de la poudre légère. À mesure que le débit de gaz porteur augmente, la vitesse de déplacement des particules de poudre dans l'espace d'action de la poudre légère augmente et le temps d'action dans l'espace d'action de la poudre légère diminue, de sorte que la température des particules de poudre au même endroit diminue progressivement et que la température diminuera également en conséquence lors de la chute dans le bain de fusion. La vapeur métallique générée pendant tout le processus de placage diminuera également en conséquence et la concentration des particules de poudre dans l'espace d'action de la poudre légère diminue également. Comparé à l'influence de la puissance laser et de la défocalisation sur la distribution de température de l'espace d'action lumière-poudre, le changement du débit de gaz porteur a moins d'influence sur la distribution de température de l'espace d'action lumière-poudre.

2.4.3 Simulation de la température de l'étape de fusion de la poudre à différentes puissances laser

Lorsque la taille des particules de poudre est de 120 μm, le débit du gaz porteur est de 7 L/min, l'angle d'incidence de la poudre est de 45°, la vitesse initiale de la poudre est de 0.8 mm/ms, la défocalisation du laser est de 0 mm et la hauteur d'alimentation de la poudre est de 20 mm. Sur la base de la modification du modèle de physique thermique, l'outil Matlab est utilisé pour simuler la température de la poudre correspondant à différentes puissances laser, et la tendance de variation de la température de la poudre au fil du temps sous différentes puissances laser est obtenue, comme illustré à la Figure 10.

Français Comme le montre la Figure 10, l'augmentation de la température de la poudre au stade initial de l'action laser est nettement supérieure à celle des stades intermédiaire et final de la fusion, ce qui explique le phénomène selon lequel la poudre solide absorbe plus d'énergie laser et perd moins d'énergie que la poudre liquide. Deuxièmement, sauf lorsque la puissance laser est de 100 W, la courbe de température a deux points d'inflexion, à savoir 1 060 ℃ et 1 260 ℃. On peut voir que la vitesse de croissance la plus rapide est la courbe de chauffage en dessous de 1 060 ℃, et la vitesse de croissance la plus lente est la courbe de chauffage au-dessus de 1 260 ℃. La vitesse de croissance de la température dans la plage de chauffage de 1 060 ~ 1 260 ℃ se situe entre les deux ci-dessus. La raison en est que la poudre commence à fondre à 1 060 ℃ et fond à 1 260 ℃. ℃, et comme le taux d'absorption et le taux de perte de la poudre vers le laser dans les états solide et liquide sont différents, la pente de la courbe de chauffage est différente, c'est-à-dire que le taux de croissance de la température est différent. De plus, on peut voir à partir de la courbe de chauffage que le taux de croissance de la température augmente progressivement lorsque la poudre entre dans le laser pour interagir avec la poudre au début ; à la fin de la fusion, le taux de croissance de la température diminue progressivement. La raison en est qu'ils se déplacent au bord de la source de chaleur du laser trapézoïdal et que la densité énergétique change.

3 Conclusion

(1) Le comportement de fusion dynamique de la poudre dans le laser est collecté par vidéo à grande vitesse. On constate qu'il existe trois étapes caractéristiques typiques de la fusion de la poudre : « état biphasé solide → solide-liquide → état liquide ». La durée des différentes étapes caractéristiques et l'équation caractéristique de la fusion sont différentes. Sur cette base, un modèle analytique mathématique capable de décrire le comportement dynamique de la fusion de la poudre est établi.

(2) Les effets de la puissance laser, de la quantité de défocalisation et du débit de gaz porteur de poudre sur la distribution de température de la poudre dans l'espace d'action lumière-poudre sont analysés. Dans le même temps, le modèle est utilisé pour analyser l'effet de différentes puissances laser sur la durée de chaque étape caractéristique. La distribution de température des particules de poudre arrivant au substrat est simulée et prédite. On constate qu'à mesure que la puissance laser augmente de 100 W à 200 W, la température de fusion de la poudre augmente. Lorsque la puissance laser augmente à 1500 W, la température de la poudre entrant dans le bain de fusion change de manière non linéaire. D'après les résultats de la simulation, on peut constater que lorsque la puissance laser augmente de 100 W à 1500 W, la température de la poudre entrant dans le bain de fusion augmente de 750 ℃ ​​​​à 3250 ℃.