大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積：工藝、形性與調(diào)控策略一、引言1.1研究背景與意義鋁合金憑借其低密度、高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性及優(yōu)異的加工性能，在航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，鋁合金是制造飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和航天器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，其低密度特性有助于減輕飛行器重量，進(jìn)而提升燃油效率與飛行性能。例如，波音系列飛機(jī)和空客系列飛機(jī)的眾多部件均大量采用鋁合金材料，有效降低了飛機(jī)的整體重量，提高了飛行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在汽車制造領(lǐng)域，鋁合金用于制造車身、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、輪轂等，不僅減輕了汽車的重量，還有助于提高燃油效率，減少尾氣排放，符合當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)。船舶工業(yè)中，鋁合金因其良好的耐腐蝕性和較輕的重量，被廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、甲板和其他部件的制造，可減輕船舶重量，提高航行速度，并降低維護(hù)成本。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鋁合金構(gòu)件的制造精度、復(fù)雜程度和性能要求日益提高。傳統(tǒng)的鋁合金制造方法，如鑄造、鍛造等，在面對(duì)復(fù)雜形狀構(gòu)件的制造時(shí)，往往存在加工工序繁瑣、材料利用率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能鋁合金構(gòu)件的需求。在此背景下，激光熔化沉積技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光熔化沉積技術(shù)是一種基于離散-堆積原理的先進(jìn)制造技術(shù)，它通過(guò)將高能激光束聚焦于金屬粉末，使粉末迅速熔化并逐層堆積，從而直接制造出三維實(shí)體零件。該技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)：它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀構(gòu)件的近凈成形，極大地減少了后續(xù)加工工序，提高了材料利用率；具有快速凝固的特點(diǎn)，能夠使合金元素在凝固過(guò)程中均勻分布，從而細(xì)化晶粒，顯著提高材料的綜合性能；制造過(guò)程具有高度的靈活性，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求快速制造出不同形狀和結(jié)構(gòu)的零件，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。然而，目前激光熔化沉積技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。在大氣環(huán)境下進(jìn)行激光熔化沉積時(shí)，鋁合金容易與空氣中的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氧化、氮化等問(wèn)題，進(jìn)而影響沉積層的質(zhì)量和性能。大氣環(huán)境中的雜質(zhì)和水分也可能混入沉積層，形成氣孔、夾雜等缺陷，降低構(gòu)件的力學(xué)性能和可靠性。此外，激光熔化沉積過(guò)程中，由于溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的不均勻分布，容易導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生變形和開裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響構(gòu)件的尺寸精度和成形質(zhì)量。因此，深入研究大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積技術(shù)，對(duì)于解決上述問(wèn)題，提高鋁合金構(gòu)件的制造質(zhì)量和性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。環(huán)形束激光作為一種新型的激光束模式，與傳統(tǒng)的高斯光束相比，具有獨(dú)特的能量分布特性。環(huán)形束激光的能量呈環(huán)形分布，中心能量較低，邊緣能量較高，這種能量分布方式能夠使粉末在熔化過(guò)程中更加均勻地受熱，從而減少溫度梯度，降低熱應(yīng)力，有利于提高沉積層的質(zhì)量和性能。同時(shí)，環(huán)形束激光還能夠有效抑制熔池的飛濺和蒸發(fā)，減少氣孔和夾雜等缺陷的產(chǎn)生，提高構(gòu)件的致密度和力學(xué)性能。因此，開展大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積及形性調(diào)控的研究，對(duì)于推動(dòng)激光熔化沉積技術(shù)在鋁合金制造領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程的深入研究，可以揭示其獨(dú)特的物理機(jī)制和工藝規(guī)律，為優(yōu)化工藝參數(shù)、提高沉積層質(zhì)量提供理論依據(jù)。通過(guò)形性調(diào)控技術(shù)的研究，可以有效解決構(gòu)件在制造過(guò)程中出現(xiàn)的變形和開裂等問(wèn)題，提高構(gòu)件的尺寸精度和成形質(zhì)量，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能鋁合金構(gòu)件的需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1鋁合金激光熔化沉積研究現(xiàn)狀在國(guó)外，激光熔化沉積技術(shù)在鋁合金制造領(lǐng)域的研究開展較早且成果豐碩。美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)和高校，如西北大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等，對(duì)鋁合金激光熔化沉積的微觀組織演變和力學(xué)性能提升進(jìn)行了深入研究。西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在激光選區(qū)熔化增材制造鋁合金抗蠕變性能領(lǐng)域取得突破，他們探究了一種高M(jìn)n、Fe和Si含量（Al-3.6Mn-2.0Fe-1.8Si-0.9Zr，wt%）的新型鋁合金激光選區(qū)熔化（AD-HTM1），詳細(xì)研究了打印態(tài)樣品和時(shí)效過(guò)程中材料微觀組織結(jié)構(gòu)演變及抗蠕變性能。研究發(fā)現(xiàn)，該合金在凝固過(guò)程中晶粒內(nèi)部和晶界處生成富含Al，Si，F(xiàn)e和Mn元素的α-Al（FeMn）Si等軸沉淀，在350°C時(shí)效8h后，熔池頂部區(qū)域主要由α-Al（FeMn）Si沉淀為主，這些100nm的沉淀具有出色的抗粗化性和熱穩(wěn)定性，使得該合金在300°C下的壓縮蠕變表現(xiàn)出良好的性能，位錯(cuò)爬升的閾值約為78MPa，超過(guò)了大多數(shù)現(xiàn)有抗蠕變鑄造和其它增材制造鋁合金。歐洲的研究主要集中在工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制方面。德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的研究人員通過(guò)優(yōu)化激光能量密度、掃描速度等工藝參數(shù)，有效提高了鋁合金激光熔化沉積構(gòu)件的致密度和力學(xué)性能。他們的研究表明，能量密度不足通常導(dǎo)致熔合不足或?qū)娱g粘合不良，而極高的能量密度會(huì)使熔池中的湍流吸收保護(hù)氣體，導(dǎo)致合金元素蒸發(fā)，形成孔隙。此外，紅外激光在孔內(nèi)的反復(fù)反射會(huì)導(dǎo)致液滴飛濺，影響工藝的穩(wěn)定性。因此，精確控制工藝參數(shù)對(duì)于獲得高質(zhì)量的鋁合金沉積件至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)，眾多科研院校和企業(yè)也在積極開展鋁合金激光熔化沉積技術(shù)的研究。北京航空航天大學(xué)在鋁合金激光熔化沉積技術(shù)的工程應(yīng)用方面取得了顯著成果，成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件制造。他們通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的精確調(diào)控和對(duì)熔池行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀鋁合金構(gòu)件的高質(zhì)量制造。華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則側(cè)重于鋁合金激光熔化沉積過(guò)程中的數(shù)值模擬研究，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，深入分析了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律以及粉末的熔化和凝固過(guò)程，為工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。1.2.2環(huán)形束激光在材料加工中的研究現(xiàn)狀環(huán)形束激光作為一種新型的激光束模式，在材料加工領(lǐng)域的研究逐漸受到關(guān)注。國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)的亞琛工業(yè)大學(xué)，對(duì)環(huán)形束激光在金屬材料加工中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用環(huán)形束激光進(jìn)行了金屬板材的焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形束激光能夠使焊縫區(qū)域的溫度分布更加均勻，減少熱應(yīng)力集中，從而提高焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則將環(huán)形束激光應(yīng)用于金屬材料的表面改性，通過(guò)調(diào)整環(huán)形束激光的能量分布和工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了材料表面硬度和耐磨性的顯著提高。國(guó)內(nèi)在環(huán)形束激光材料加工方面的研究也取得了一定的進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員開展了環(huán)形束激光熔覆技術(shù)的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了環(huán)形束激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布以及熔覆層的組織和性能。結(jié)果表明，環(huán)形束激光熔覆能夠有效改善熔覆層的質(zhì)量，減少氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則將環(huán)形束激光應(yīng)用于鋁合金的激光熔化沉積，研究了環(huán)形束激光對(duì)鋁合金沉積層微觀組織和力學(xué)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，環(huán)形束激光能夠使鋁合金粉末在熔化過(guò)程中更加均勻地受熱，促進(jìn)晶粒細(xì)化，提高沉積層的致密度和力學(xué)性能。1.2.3鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積研究現(xiàn)狀目前，關(guān)于鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的研究相對(duì)較少，但已展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力。國(guó)外的一些研究初步探索了環(huán)形束激光在鋁合金熔化沉積中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)環(huán)形束激光的能量分布特性有助于改善熔池的穩(wěn)定性，減少飛濺和氣孔等缺陷的產(chǎn)生。然而，這些研究大多處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，對(duì)于環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中的物理機(jī)制、工藝參數(shù)優(yōu)化以及沉積層的性能調(diào)控等方面的研究還不夠深入系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)部分高校和科研機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積技術(shù)。蘇州大學(xué)的萬(wàn)樂(lè)對(duì)大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積及形性調(diào)控進(jìn)行了研究，分析了環(huán)形束激光的能量分布對(duì)鋁合金熔化沉積過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，探討了通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積層組織和性能調(diào)控的方法。但總體而言，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。1.2.4研究現(xiàn)狀分析綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前鋁合金激光熔化沉積技術(shù)在工藝、組織性能等方面取得了一定成果，但在大氣環(huán)境下進(jìn)行鋁合金激光熔化沉積時(shí)，仍存在一些問(wèn)題亟待解決?，F(xiàn)有研究對(duì)于鋁合金在大氣環(huán)境中與氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制以及如何有效抑制這些反應(yīng)對(duì)沉積層質(zhì)量的影響研究不夠深入。對(duì)于激光熔化沉積過(guò)程中由于溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)不均勻?qū)е碌臉?gòu)件變形和開裂問(wèn)題，雖然提出了一些調(diào)控方法，但效果仍不理想，缺乏系統(tǒng)的形性調(diào)控理論和技術(shù)體系。在環(huán)形束激光應(yīng)用于鋁合金熔化沉積方面，雖然已初步展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)研究還處于起步階段，存在諸多不足。對(duì)環(huán)形束激光與鋁合金粉末相互作用的微觀機(jī)制研究不夠透徹，難以精確掌握粉末的熔化、凝固過(guò)程以及熔池的行為特性。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，缺乏全面深入的研究，難以確定針對(duì)不同鋁合金材料和構(gòu)件要求的最佳工藝參數(shù)組合。此外，對(duì)于鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積構(gòu)件的性能評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制體系也有待進(jìn)一步完善。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積及形性調(diào)控，具體研究?jī)?nèi)容如下：環(huán)形束激光與鋁合金粉末相互作用機(jī)制研究：深入探究環(huán)形束激光獨(dú)特的能量分布特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究其與鋁合金粉末相互作用過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象，揭示粉末的熔化、凝固機(jī)制以及熔池的行為特性，包括熔池的溫度分布、流場(chǎng)變化等。大氣環(huán)境對(duì)鋁合金沉積層質(zhì)量的影響機(jī)制研究：系統(tǒng)分析大氣環(huán)境中的氧氣、氮?dú)?、雜質(zhì)和水分等因素對(duì)鋁合金沉積層質(zhì)量的影響機(jī)制。研究鋁合金在沉積過(guò)程中與氧氣、氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，分析氧化、氮化產(chǎn)物對(duì)沉積層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。探究雜質(zhì)和水分混入沉積層后形成氣孔、夾雜等缺陷的原因和規(guī)律。鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積工藝參數(shù)優(yōu)化：以獲得高質(zhì)量的鋁合金沉積層為目標(biāo)，開展環(huán)形束激光熔化沉積工藝參數(shù)優(yōu)化研究。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，研究激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑等工藝參數(shù)對(duì)沉積層形貌、致密度、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。建立工藝參數(shù)與沉積層質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用優(yōu)化算法確定針對(duì)不同鋁合金材料和構(gòu)件要求的最佳工藝參數(shù)組合。鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積構(gòu)件的形性調(diào)控技術(shù)研究：針對(duì)激光熔化沉積過(guò)程中構(gòu)件容易產(chǎn)生變形和開裂的問(wèn)題，開展形性調(diào)控技術(shù)研究。通過(guò)數(shù)值模擬分析溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，研究熱應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制和演化過(guò)程。提出有效的形性調(diào)控策略，如采用預(yù)熱、后熱、優(yōu)化掃描路徑、添加支撐結(jié)構(gòu)等方法，減少熱應(yīng)力，抑制構(gòu)件的變形和開裂，提高構(gòu)件的尺寸精度和成形質(zhì)量。鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積構(gòu)件的性能評(píng)價(jià)與質(zhì)量控制：建立完善的鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積構(gòu)件性能評(píng)價(jià)體系，對(duì)沉積構(gòu)件的力學(xué)性能、耐腐蝕性、疲勞性能等進(jìn)行全面測(cè)試和分析。研究微觀組織與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。開發(fā)基于傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的質(zhì)量控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正沉積過(guò)程中的缺陷，確保構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，對(duì)大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積及形性調(diào)控進(jìn)行深入研究。實(shí)驗(yàn)研究：搭建鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用不同的鋁合金粉末和工藝參數(shù)進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜分析儀（EDS）等設(shè)備對(duì)沉積層的微觀組織、相結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試、疲勞試驗(yàn)等方法對(duì)沉積構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。利用金相顯微鏡觀察沉積層的宏觀形貌和缺陷情況。數(shù)值模擬：運(yùn)用有限元分析軟件，建立鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程的數(shù)值模型。模擬環(huán)形束激光與鋁合金粉末相互作用過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)沉積層的微觀組織演變和構(gòu)件的變形情況。通過(guò)數(shù)值模擬，深入分析工藝參數(shù)對(duì)沉積過(guò)程和構(gòu)件質(zhì)量的影響，為工藝優(yōu)化和形性調(diào)控提供理論指導(dǎo)。理論分析：基于傳熱學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。研究環(huán)形束激光與鋁合金粉末相互作用的物理機(jī)制，揭示大氣環(huán)境對(duì)鋁合金沉積層質(zhì)量的影響規(guī)律。建立工藝參數(shù)與沉積層質(zhì)量之間的理論模型，為工藝優(yōu)化和形性調(diào)控提供理論依據(jù)。二、鋁合金激光熔化沉積技術(shù)基礎(chǔ)2.1激光熔化沉積技術(shù)原理激光熔化沉積技術(shù)，作為增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其基本原理是基于離散-堆積的思想，將高能激光束作為熱源，對(duì)合金粉末進(jìn)行逐層熔化和堆積，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體零件的直接制造。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程涉及多個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象和精確的控制過(guò)程。在激光熔化沉積過(guò)程中，首先需要將待制造零件的三維模型通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行建模。隨后，利用切片軟件將三維模型沿特定方向進(jìn)行切片處理，將其轉(zhuǎn)化為一系列具有一定厚度的二維截面輪廓信息。這些二維輪廓信息包含了零件在不同高度層面上的幾何形狀和尺寸數(shù)據(jù)，為后續(xù)的激光掃描路徑規(guī)劃提供了基礎(chǔ)。送粉系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將合金粉末按照預(yù)定的速率和方式輸送至激光作用區(qū)域。送粉方式主要有同軸送粉和旁軸送粉兩種。同軸送粉是指粉末通過(guò)與激光束同軸的噴嘴送出，使得粉末在激光束的作用下均勻地分布在熔池周圍；旁軸送粉則是粉末從激光束的側(cè)面送入，通過(guò)精確的控制使粉末能夠準(zhǔn)確地進(jìn)入激光作用區(qū)域。送粉系統(tǒng)需要具備高精度的送粉控制能力，以確保粉末的輸送速率穩(wěn)定、均勻，從而保證沉積層的質(zhì)量一致性。當(dāng)合金粉末被輸送至激光作用區(qū)域后，高能激光束聚焦在粉末上，瞬間釋放出巨大的能量。激光的能量密度極高，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)使粉末迅速吸收能量并達(dá)到熔點(diǎn)以上，從而實(shí)現(xiàn)粉末的快速熔化。在激光能量的作用下，粉末迅速由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，形成一個(gè)高溫的熔池。熔池的溫度分布不均勻，中心區(qū)域溫度最高，隨著與中心距離的增加，溫度逐漸降低。這種溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熔池內(nèi)的液態(tài)金屬產(chǎn)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使得熔池內(nèi)的成分和溫度更加均勻。隨著激光束按照預(yù)先規(guī)劃好的掃描路徑在粉末層上移動(dòng)，熔池也隨之移動(dòng)。在移動(dòng)過(guò)程中，新的粉末不斷被送入熔池，與熔池內(nèi)已熔化的金屬混合并繼續(xù)熔化。同時(shí)，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬在表面張力和重力的作用下，逐漸凝固并與下層已凝固的金屬形成冶金結(jié)合。這樣，一層金屬就被沉積在基板或已沉積層上。完成一層的沉積后，工作臺(tái)下降一個(gè)預(yù)設(shè)的高度，相當(dāng)于沉積層的厚度，然后重復(fù)送粉、激光熔化和堆積的過(guò)程，如此循環(huán)往復(fù)，直到整個(gè)零件制造完成。在大氣環(huán)境下進(jìn)行鋁合金激光熔化沉積時(shí)，熔池會(huì)與周圍的大氣環(huán)境發(fā)生相互作用。大氣中的氧氣、氮?dú)獾葰怏w分子會(huì)與高溫的鋁合金熔池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氧氣會(huì)與鋁合金中的鋁元素發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鋁（Al_2O_3）。氧化鋁的熔點(diǎn)較高，會(huì)在熔池中形成固態(tài)顆粒，影響熔池的流動(dòng)性和凝固過(guò)程，可能導(dǎo)致沉積層中出現(xiàn)夾雜等缺陷。氮?dú)鈺?huì)與鋁合金中的某些元素（如鎂等）發(fā)生氮化反應(yīng)，生成氮化物。這些氮化物的存在會(huì)改變沉積層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其性能。大氣中的水分和雜質(zhì)也可能混入熔池，水分在高溫下分解產(chǎn)生氫氣，氫氣在熔池凝固過(guò)程中溶解度降低，可能會(huì)形成氣孔；雜質(zhì)則可能導(dǎo)致沉積層中出現(xiàn)夾雜物，降低沉積層的質(zhì)量和性能。2.2環(huán)形束激光熔化沉積特點(diǎn)環(huán)形束激光熔化沉積技術(shù)作為一種新興的材料加工方法，在鋁合金制造領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，這些特點(diǎn)與環(huán)形束激光自身的特性密切相關(guān)。環(huán)形束激光的光斑特性與傳統(tǒng)高斯光束存在顯著差異。傳統(tǒng)高斯光束的能量呈高斯分布，中心能量最高，向邊緣逐漸衰減。而環(huán)形束激光的能量則呈環(huán)形分布，中心區(qū)域能量相對(duì)較低，能量主要集中在環(huán)形區(qū)域。這種獨(dú)特的光斑能量分布使得環(huán)形束激光在與鋁合金粉末相互作用時(shí)，具有一些特殊的行為。在粉末的熔化過(guò)程中，環(huán)形束激光能夠使鋁合金粉末在環(huán)形能量區(qū)域內(nèi)均勻受熱。相比之下，高斯光束由于中心能量過(guò)高，容易導(dǎo)致粉末在中心區(qū)域過(guò)度熔化，而邊緣區(qū)域熔化不足，從而使得粉末熔化的均勻性較差。而環(huán)形束激光的環(huán)形能量分布可以避免這種情況的發(fā)生，使粉末在更廣泛的區(qū)域內(nèi)均勻受熱，有利于提高粉末的熔化效率和熔化質(zhì)量。在鋁合金熔化沉積過(guò)程中，環(huán)形束激光的能量分布對(duì)熔池的穩(wěn)定性有著重要影響。熔池的穩(wěn)定性直接關(guān)系到沉積層的質(zhì)量和性能。環(huán)形束激光的環(huán)形能量分布能夠在熔池周圍形成一個(gè)相對(duì)均勻的能量場(chǎng)，減少熔池內(nèi)的溫度梯度。當(dāng)熔池內(nèi)溫度梯度較小時(shí)，液態(tài)金屬的流動(dòng)更加平穩(wěn)，不易產(chǎn)生劇烈的對(duì)流和飛濺現(xiàn)象。這是因?yàn)闇囟忍荻葧?huì)導(dǎo)致液態(tài)金屬的密度差異，從而引發(fā)對(duì)流運(yùn)動(dòng)。而環(huán)形束激光的能量分布可以使熔池內(nèi)的溫度更加均勻，減小密度差異，進(jìn)而降低對(duì)流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，使熔池更加穩(wěn)定。熔池的穩(wěn)定性對(duì)于減少氣孔、夾雜等缺陷的產(chǎn)生具有重要意義。穩(wěn)定的熔池可以使氣體有足夠的時(shí)間逸出，減少氣孔的形成；同時(shí)，也可以避免液態(tài)金屬的劇烈波動(dòng)，防止夾雜等缺陷的產(chǎn)生，從而提高沉積層的致密度和質(zhì)量。環(huán)形束激光對(duì)鋁合金粉末的加熱方式也與傳統(tǒng)激光束不同。傳統(tǒng)激光束主要通過(guò)中心高能區(qū)域?qū)Ψ勰┻M(jìn)行加熱，而環(huán)形束激光則是通過(guò)環(huán)形能量區(qū)域從四周對(duì)粉末進(jìn)行加熱。這種加熱方式使得粉末在熔化過(guò)程中更容易形成一個(gè)均勻的液態(tài)區(qū)域。從四周加熱可以使粉末在熔化時(shí)受到的熱應(yīng)力更加均勻，減少熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的粉末飛濺和團(tuán)聚現(xiàn)象。均勻的液態(tài)區(qū)域有利于后續(xù)的凝固過(guò)程，能夠使凝固后的沉積層組織更加均勻，減少微觀組織缺陷的產(chǎn)生，從而提高沉積層的力學(xué)性能。在鋁合金的激光熔化沉積中，均勻的微觀組織可以使沉積層的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能更加穩(wěn)定和均勻，提高構(gòu)件的可靠性。環(huán)形束激光在鋁合金熔化沉積過(guò)程中的能量利用率也相對(duì)較高。由于其能量分布在環(huán)形區(qū)域，能夠更有效地與粉末相互作用，減少能量的浪費(fèi)。傳統(tǒng)高斯光束在照射粉末時(shí)，中心能量過(guò)高，部分能量可能無(wú)法被粉末充分吸收，而環(huán)形束激光的環(huán)形能量分布可以使更多的能量被粉末吸收，用于粉末的熔化和沉積過(guò)程。這不僅可以提高沉積效率，還可以降低能耗，符合現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高效、節(jié)能的要求。較高的能量利用率還可以減少對(duì)激光設(shè)備功率的需求，降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本，有利于環(huán)形束激光熔化沉積技術(shù)的推廣和應(yīng)用。2.3鋁合金材料特性對(duì)沉積的影響鋁合金具有一系列獨(dú)特的材料特性，這些特性在激光熔化沉積過(guò)程中會(huì)對(duì)沉積層的質(zhì)量和性能產(chǎn)生顯著影響，其中高導(dǎo)熱性、高反射率以及易氧化等特性引發(fā)的問(wèn)題尤為突出。鋁合金的高導(dǎo)熱性是其在激光熔化沉積過(guò)程中面臨的一大挑戰(zhàn)。鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，例如常見的6061鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)約為167W/(m?K)。在激光熔化沉積時(shí)，當(dāng)激光能量作用于鋁合金粉末，由于其高導(dǎo)熱性，熱量會(huì)迅速向周圍擴(kuò)散。這使得粉末在吸收激光能量后，熱量難以在局部積聚，導(dǎo)致粉末熔化所需的能量增加。如果激光能量不足，就會(huì)出現(xiàn)粉末熔化不完全的情況，從而在沉積層中形成未熔合缺陷。這種未熔合缺陷會(huì)嚴(yán)重降低沉積層的致密度和力學(xué)性能，使沉積件的強(qiáng)度和韌性下降，在承受外力時(shí)容易從缺陷處發(fā)生斷裂。高導(dǎo)熱性還會(huì)導(dǎo)致熔池的冷卻速度過(guò)快?？焖倮鋮s會(huì)使熔池中的液態(tài)金屬來(lái)不及充分流動(dòng)和均勻化，從而影響合金元素的均勻分布。這可能導(dǎo)致沉積層的微觀組織不均勻，出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象。成分偏析會(huì)使沉積層不同部位的性能產(chǎn)生差異，降低材料的綜合性能，例如在進(jìn)行機(jī)械加工或承受載荷時(shí)，容易在成分偏析區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)裂紋擴(kuò)展。鋁合金對(duì)激光的高反射率也是影響激光熔化沉積的重要因素。在固態(tài)下，鋁合金內(nèi)部自由電子密度很高，易與光束中的光子作用而將能量反射掉。研究表明，鋁合金對(duì)氣體CO?激光的反射率高達(dá)90%，對(duì)固體激光的反射率也接近80%。在激光熔化沉積開始時(shí)，由于高反射率，大部分激光能量被反射，鋁合金粉末實(shí)際吸收的能量較少，這給粉末的初始熔化帶來(lái)困難。為了使粉末能夠有效熔化，需要提高激光的功率密度。然而，過(guò)高的激光功率密度又可能導(dǎo)致其他問(wèn)題。過(guò)高的能量輸入會(huì)使熔池溫度過(guò)高，造成鋁合金的蒸發(fā)和飛濺，不僅浪費(fèi)材料，還會(huì)影響沉積層的表面質(zhì)量和尺寸精度。高溫還可能引發(fā)鋁合金中合金元素的燒損，改變合金的化學(xué)成分，進(jìn)而影響沉積層的性能。例如，鋁合金中的某些合金元素（如鎂）在高溫下容易燒損，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性下降。鋁合金在大氣環(huán)境中極易氧化，這在激光熔化沉積過(guò)程中會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題。鋁合金表面會(huì)自然生成一層非常薄且堅(jiān)固的氧化鋁膜，在激光熔化沉積過(guò)程中，氧化膜的存在會(huì)帶來(lái)諸多不利影響。一方面，氧化膜的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金基體，在激光能量作用下，氧化膜難以熔化，這會(huì)阻礙激光能量向鋁合金粉末的傳遞，進(jìn)一步降低粉末對(duì)激光的吸收率。另一方面，當(dāng)氧化膜隨著粉末進(jìn)入熔池后，由于其密度較大，且與液態(tài)鋁合金的潤(rùn)濕性較差，很難在熔池中上浮排出。這些氧化膜會(huì)在沉積層中形成夾雜缺陷，降低沉積層的致密度和力學(xué)性能。夾雜缺陷還會(huì)成為裂紋源，在后續(xù)的使用過(guò)程中，裂紋可能會(huì)從夾雜處開始擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件的失效。大氣中的水分也可能在鋁合金表面吸附，在激光熔化沉積的高溫環(huán)境下，水分分解產(chǎn)生氫氣。氫氣在熔池凝固過(guò)程中溶解度急劇下降，過(guò)飽和的氫析出形成氫氣孔。這些氣孔的存在會(huì)降低沉積層的強(qiáng)度和韌性，影響構(gòu)件的可靠性。三、大氣環(huán)境對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的影響3.1氧化與雜質(zhì)問(wèn)題在大氣環(huán)境下進(jìn)行鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積時(shí)，鋁合金與大氣中的氧氣、水分等成分會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，這對(duì)沉積過(guò)程和沉積層質(zhì)量產(chǎn)生多方面的不利影響，其中氧化膜的形成和雜質(zhì)的混入是較為突出的問(wèn)題。大氣中的氧氣在鋁合金激光熔化沉積過(guò)程中扮演著重要角色。當(dāng)鋁合金粉末在環(huán)形束激光的作用下熔化形成熔池時(shí)，高溫的熔池與周圍大氣中的氧氣充分接觸，極易發(fā)生氧化反應(yīng)。鋁元素具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，在高溫下與氧氣迅速反應(yīng)，生成氧化鋁（Al_2O_3）。化學(xué)反應(yīng)方程式為：4Al+3O_2\stackrel{高溫}{=\!=\!=}2Al_2O_3。這種氧化反應(yīng)在熔池表面尤為顯著，因?yàn)槿鄢乇砻嬷苯颖┞队诖髿庵校鯕夤?yīng)充足。隨著氧化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，熔池表面會(huì)逐漸形成一層連續(xù)的氧化鋁膜。這層氧化膜具有較高的熔點(diǎn)，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金的熔點(diǎn)，一般情況下，純鋁的熔點(diǎn)約為660℃，而氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2054℃。氧化鋁膜的存在對(duì)熔池的穩(wěn)定性產(chǎn)生了諸多負(fù)面影響。由于其高熔點(diǎn)特性，氧化鋁膜在熔池中難以熔化，成為一種固態(tài)夾雜。這會(huì)阻礙熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)，使熔池的流動(dòng)性變差。當(dāng)熔池流動(dòng)性受阻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致合金元素在熔池內(nèi)的分布不均勻，進(jìn)而影響沉積層的化學(xué)成分均勻性。在熔池凝固過(guò)程中，氧化鋁膜的存在還會(huì)干擾凝固過(guò)程的正常進(jìn)行。它可能成為凝固過(guò)程中的異質(zhì)形核核心，改變晶粒的生長(zhǎng)方向和形態(tài)，導(dǎo)致沉積層的微觀組織不均勻。這些微觀組織的不均勻性會(huì)進(jìn)一步影響沉積層的力學(xué)性能，使沉積層的強(qiáng)度、韌性等性能下降。大氣中的水分也是影響鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積質(zhì)量的重要因素。水分主要以水蒸氣的形式存在于大氣中，在激光熔化沉積過(guò)程中，高溫的熔池會(huì)使周圍大氣中的水蒸氣發(fā)生分解。水蒸氣分解產(chǎn)生氫氣和氧氣，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：H_2O\stackrel{高溫}{=\!=\!=}H_2+\frac{1}{2}O_2。分解產(chǎn)生的氫氣極易溶解于高溫的鋁合金熔池中。隨著熔池的凝固冷卻，氫氣在鋁合金中的溶解度急劇下降。當(dāng)氫氣的溶解度超過(guò)其在固態(tài)鋁合金中的極限溶解度時(shí)，過(guò)飽和的氫氣會(huì)以氣泡的形式析出。如果這些氣泡在熔池凝固過(guò)程中未能及時(shí)逸出熔池表面，就會(huì)在沉積層中形成氣孔缺陷。氣孔的存在會(huì)顯著降低沉積層的致密度，削弱沉積層的力學(xué)性能，使沉積層在承受外力時(shí)容易從氣孔處發(fā)生破裂，降低構(gòu)件的可靠性和使用壽命。大氣中還存在著各種雜質(zhì)顆粒，如灰塵、油污等。這些雜質(zhì)在激光熔化沉積過(guò)程中可能會(huì)被卷入熔池?；覊m等固體雜質(zhì)會(huì)直接成為沉積層中的夾雜物，影響沉積層的組織結(jié)構(gòu)和性能。油污等有機(jī)雜質(zhì)在高溫下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏葰怏w。這些氣體可能會(huì)與鋁合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者在熔池中形成氣泡，最終導(dǎo)致沉積層中出現(xiàn)氣孔或夾雜等缺陷。油污中的碳元素可能會(huì)與鋁合金中的某些元素發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物，改變沉積層的化學(xué)成分和性能。這些雜質(zhì)的存在嚴(yán)重影響了鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的質(zhì)量，降低了沉積構(gòu)件的性能和可靠性。3.2氣體溶解度與氣孔形成在大氣環(huán)境下的鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中，氣體在鋁合金熔池中的溶解度變化以及由此導(dǎo)致的氣孔形成是影響沉積層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。氣體在金屬中的溶解度遵循Sieverts定律，該定律表明在一定溫度下，雙原子氣體在金屬中的溶解度與其分壓的平方根成正比。對(duì)于鋁合金熔池而言，大氣中的氫氣、氮?dú)獾葰怏w在熔池中的溶解度受到多種因素的影響。溫度是影響氣體溶解度的重要因素之一。在激光熔化沉積過(guò)程中，熔池處于高溫狀態(tài)，隨著溫度的升高，氣體在鋁合金熔池中的溶解度顯著增加。以氫氣為例，在高溫的鋁合金熔池中，氫氣分子會(huì)分解為氫原子，這些氫原子能夠溶解在液態(tài)鋁合金中。當(dāng)熔池溫度降低時(shí)，氫氣在鋁合金中的溶解度急劇下降。這是因?yàn)殡S著溫度降低，液態(tài)鋁合金的原子間距減小，氫原子在其中的溶解空間變小，溶解度隨之降低。在熔池凝固過(guò)程中，由于溫度快速下降，氫氣的溶解度迅速減小，過(guò)飽和的氫氣就會(huì)以氣泡的形式析出。大氣環(huán)境中的氣體分壓也會(huì)對(duì)氣體在鋁合金熔池中的溶解度產(chǎn)生影響。大氣中氫氣和氮?dú)獾葰怏w的分壓相對(duì)穩(wěn)定，但在激光熔化沉積過(guò)程中，熔池表面與大氣直接接觸，氣體分壓的微小變化也可能影響氣體的溶解情況。當(dāng)熔池表面的氣體分壓較高時(shí)，更多的氣體分子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入熔池，從而增加氣體在熔池中的溶解度；反之，當(dāng)氣體分壓較低時(shí)，氣體的溶解度會(huì)相應(yīng)減小。如果在沉積過(guò)程中周圍環(huán)境存在局部氣體濃度變化，如由于通風(fēng)不良導(dǎo)致某區(qū)域氫氣含量較高，那么在該區(qū)域進(jìn)行激光熔化沉積時(shí)，熔池中的氫氣溶解度可能會(huì)增大，增加氣孔形成的風(fēng)險(xiǎn)。氣體溶解度的變化對(duì)鋁合金沉積層中氣孔的形成有著直接的影響。當(dāng)熔池中的氣體溶解度隨著溫度降低而減小時(shí)，過(guò)飽和的氣體開始析出形成氣泡核。這些氣泡核在熔池中會(huì)不斷長(zhǎng)大，其長(zhǎng)大過(guò)程受到多種因素的制約。熔池中的溫度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致氣泡核周圍的氣體擴(kuò)散速度不同，從而影響氣泡的生長(zhǎng)速度和形狀。如果熔池中的對(duì)流作用較強(qiáng)，會(huì)使氣泡受到流體的拖拽力，影響其在熔池中的運(yùn)動(dòng)軌跡和生長(zhǎng)方向。在熔池凝固過(guò)程中，如果氣泡不能及時(shí)逸出熔池表面，就會(huì)被凝固的金屬包裹在沉積層中，形成氣孔。這些氣孔的存在會(huì)顯著降低沉積層的致密度和力學(xué)性能，使沉積層的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能下降。為了減少氣孔的產(chǎn)生，可以采取一系列措施來(lái)控制氣體在鋁合金熔池中的溶解度。在沉積前對(duì)鋁合金粉末進(jìn)行預(yù)處理，去除粉末表面吸附的水分和氣體，減少氣體來(lái)源。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，如適當(dāng)降低激光功率、提高掃描速度，控制熔池的溫度和存在時(shí)間，使氣體有足夠的時(shí)間逸出熔池，從而降低氣體在熔池凝固時(shí)的過(guò)飽和度，減少氣孔的形成。在沉積過(guò)程中采用保護(hù)氣體，如氬氣，將熔池與大氣隔離，減少大氣中氣體對(duì)熔池的影響，降低氣體溶解度的變化，從而有效抑制氣孔的產(chǎn)生。3.3溫度場(chǎng)與應(yīng)力分布變化在大氣環(huán)境下進(jìn)行鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積時(shí)，溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，這些變化對(duì)沉積層的質(zhì)量和構(gòu)件的成形精度有著重要影響。大氣環(huán)境中的散熱條件對(duì)沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布起著關(guān)鍵作用。在激光熔化沉積過(guò)程中，環(huán)形束激光將鋁合金粉末迅速加熱熔化形成熔池，熔池內(nèi)的溫度極高。然而，由于大氣環(huán)境的存在，熔池會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式向周圍環(huán)境散熱。熱傳導(dǎo)是熱量通過(guò)固體介質(zhì)傳遞的過(guò)程，在沉積過(guò)程中，熱量會(huì)從高溫的熔池通過(guò)已凝固的沉積層和基板向周圍傳導(dǎo)。對(duì)流則是通過(guò)氣體或液體的流動(dòng)來(lái)傳遞熱量，大氣中的氣體在熔池周圍流動(dòng)，帶走部分熱量。輻射是物體以電磁波的形式向外傳遞能量的過(guò)程，高溫的熔池會(huì)向周圍環(huán)境輻射熱量。這些散熱方式使得熔池的溫度迅速降低，導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布不均勻。在熔池的中心區(qū)域，由于激光能量的持續(xù)輸入，溫度較高；而在熔池的邊緣和表面，由于散熱的影響，溫度較低。這種溫度梯度會(huì)對(duì)沉積層的凝固過(guò)程產(chǎn)生重要影響，可能導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)方向的改變和微觀組織的不均勻性。溫度場(chǎng)的不均勻分布會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)熔池凝固時(shí)，由于不同部位的溫度變化速率不同，收縮程度也不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在沉積層與基板的結(jié)合部位，由于兩者的熱膨脹系數(shù)存在差異，在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致沉積層產(chǎn)生變形甚至開裂。在多層沉積過(guò)程中，每一層沉積時(shí)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布都會(huì)相互影響。前一層沉積所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)在后續(xù)沉積過(guò)程中繼續(xù)作用，與新產(chǎn)生的熱應(yīng)力疊加，使得熱應(yīng)力分布更加復(fù)雜。如果熱應(yīng)力得不到有效的釋放，會(huì)隨著沉積層數(shù)的增加而逐漸積累，最終導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和開裂。為了深入了解溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布的變化規(guī)律，可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。利用有限元分析軟件，建立鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程的數(shù)值模型。在模型中，考慮大氣環(huán)境下的散熱條件、材料的熱物理性能以及激光能量的輸入等因素，模擬溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到熔池的溫度變化、熱應(yīng)力的產(chǎn)生和演化過(guò)程，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和形性調(diào)控提供理論依據(jù)。在模擬過(guò)程中，可以改變激光功率、掃描速度、送粉速率等工藝參數(shù)，分析這些參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布的影響，從而確定最佳的工藝參數(shù)組合，以減少熱應(yīng)力，提高沉積層的質(zhì)量和構(gòu)件的成形精度。四、實(shí)驗(yàn)研究：大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積4.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)選用的鋁合金粉末為AlSi10Mg合金粉末，該合金粉末具有良好的流動(dòng)性和成形性，在激光熔化沉積過(guò)程中能夠較好地吸收激光能量并實(shí)現(xiàn)熔化和凝固。其化學(xué)成分如表1所示，主要合金元素包括Si和Mg，Si元素的含量為9.0-11.0wt%，Mg元素的含量為0.2-0.4wt%。這些合金元素的添加能夠顯著改善鋁合金的力學(xué)性能和鑄造性能。Si元素可以提高鋁合金的硬度和耐磨性，同時(shí)增強(qiáng)其流動(dòng)性，有利于在激光熔化沉積過(guò)程中形成均勻的熔池和良好的成形質(zhì)量。Mg元素則能夠提高鋁合金的強(qiáng)度和韌性，并且在一定程度上降低鋁合金的熔點(diǎn)，使其更容易在激光能量的作用下熔化。AlSi10Mg合金粉末的粒度分布范圍為45-105μm，平均粒徑約為75μm。這種粒度分布保證了粉末在送粉過(guò)程中的均勻性和穩(wěn)定性，有利于提高沉積層的質(zhì)量和性能。粉末的球形度較高，表面光滑，這有助于減少粉末在送粉過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高粉末的流動(dòng)性，使粉末能夠更均勻地進(jìn)入激光作用區(qū)域，從而保證激光熔化沉積過(guò)程的順利進(jìn)行?；宀牧线x用4045鋁合金板材，其厚度為10mm。4045鋁合金具有良好的強(qiáng)度和塑性，與AlSi10Mg合金粉末具有較好的冶金相容性，能夠?yàn)榧す馊刍练e提供穩(wěn)定的支撐基礎(chǔ)，確保沉積層與基板之間形成良好的冶金結(jié)合。4045鋁合金的化學(xué)成分如表2所示，主要合金元素包括Si、Fe、Cu等，這些元素的合理配比賦予了4045鋁合金良好的綜合性能。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)基板進(jìn)行了嚴(yán)格的預(yù)處理。首先，使用砂紙對(duì)基板表面進(jìn)行打磨，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，使基板表面粗糙度達(dá)到一定要求，以增強(qiáng)沉積層與基板之間的結(jié)合力。然后，將基板放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗15min，去除表面的油污和灰塵等污染物。清洗后，將基板在干燥箱中于80℃下干燥1h，以去除表面的水分，確?；灞砻娴那鍧嵍群透稍锒龋瑸楹罄m(xù)的激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)提供良好的條件。本實(shí)驗(yàn)所使用的環(huán)形束激光熔化沉積設(shè)備為自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由激光發(fā)生系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和氣體保護(hù)系統(tǒng)等部分組成。激光發(fā)生系統(tǒng)采用連續(xù)波光纖激光器，其最大輸出功率為1000W，波長(zhǎng)為1070nm。該激光器具有光束質(zhì)量好、能量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)殇X合金粉末的熔化提供穩(wěn)定的高能熱源。通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的功率和脈沖寬度等參數(shù)，可以精確控制激光能量的輸出，滿足不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)激光能量的需求。送粉系統(tǒng)采用同軸送粉方式，送粉器為雙筒式結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的粉末輸送。送粉速率可在0-20g/min范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，通過(guò)精確控制送粉速率，可以保證粉末在激光作用區(qū)域的均勻分布，從而控制沉積層的厚度和質(zhì)量。同軸送粉方式能夠使粉末在激光束的中心區(qū)域均勻分布，提高粉末對(duì)激光能量的吸收率，有利于形成高質(zhì)量的沉積層。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用高精度的數(shù)控工作臺(tái)，其定位精度為±0.01mm，重復(fù)定位精度為±0.005mm。通過(guò)編程控制數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以實(shí)現(xiàn)激光束在基板上的精確掃描，滿足不同形狀和結(jié)構(gòu)的沉積件的制造需求。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還能夠精確控制工作臺(tái)的升降，實(shí)現(xiàn)沉積層的逐層堆積，保證沉積件的尺寸精度和成形質(zhì)量。氣體保護(hù)系統(tǒng)用于在激光熔化沉積過(guò)程中為熔池提供保護(hù)氣體，防止鋁合金與大氣中的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。保護(hù)氣體選用純度為99.99%的氬氣，通過(guò)環(huán)形噴嘴將氬氣均勻地吹向熔池表面，形成一層保護(hù)氣幕，有效隔離大氣中的有害成分，減少氧化、氮化等問(wèn)題的發(fā)生，提高沉積層的質(zhì)量和性能。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行全面的分析和檢測(cè)，還配備了一系列輔助裝置和檢測(cè)設(shè)備。使用高速攝像機(jī)對(duì)激光熔化沉積過(guò)程中的熔池行為進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和記錄，幀率為1000fps，分辨率為1280×720像素。通過(guò)對(duì)熔池的溫度分布、流場(chǎng)變化、飛濺情況等進(jìn)行觀察和分析，可以深入了解激光熔化沉積過(guò)程的物理機(jī)制，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)沉積層的微觀組織進(jìn)行觀察和分析，加速電壓為20kV，放大倍數(shù)為500-5000倍。通過(guò)SEM觀察，可以清晰地看到沉積層的晶粒形態(tài)、晶界結(jié)構(gòu)以及第二相的分布情況，從而研究工藝參數(shù)對(duì)沉積層微觀組織的影響規(guī)律。利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)沉積層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用CuKα輻射源，掃描范圍為20°-80°，掃描速度為5°/min。通過(guò)XRD分析，可以確定沉積層中存在的相組成，研究合金元素在沉積過(guò)程中的擴(kuò)散和固溶情況，以及不同工藝參數(shù)下沉積層相結(jié)構(gòu)的變化。通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)沉積件的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為1mm/min。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以得到沉積件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)，評(píng)估不同工藝參數(shù)下沉積件的力學(xué)性能，為工藝優(yōu)化和性能調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。4.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入探究大氣環(huán)境下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中各因素對(duì)沉積層質(zhì)量和構(gòu)件性能的影響，設(shè)計(jì)了一系列全面且系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案。首先開展單因素實(shí)驗(yàn)，分別研究激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)沉積層形貌、致密度、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。在激光功率的單因素實(shí)驗(yàn)中，固定掃描速度為10mm/s、送粉速率為5g/min、光斑直徑為3mm，將激光功率分別設(shè)置為200W、300W、400W、500W、600W。通過(guò)改變激光功率，觀察沉積層的高度、寬度、表面粗糙度以及熔池的形態(tài)和尺寸變化。較高的激光功率能夠提供更多的能量，使粉末更充分地熔化，可能導(dǎo)致沉積層高度增加、寬度變寬，但也可能引發(fā)過(guò)度熔化，使熔池不穩(wěn)定，產(chǎn)生飛濺和氣孔等缺陷。在掃描速度的單因素實(shí)驗(yàn)中，固定激光功率為400W、送粉速率為5g/min、光斑直徑為3mm，將掃描速度分別設(shè)置為5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s。掃描速度的變化會(huì)影響激光能量在粉末上的作用時(shí)間和沉積層的凝固速度。較低的掃描速度意味著激光能量在單位面積上作用時(shí)間較長(zhǎng)，粉末熔化更充分，但可能導(dǎo)致沉積層過(guò)熱，晶粒長(zhǎng)大；較高的掃描速度則會(huì)使激光能量作用時(shí)間縮短，粉末熔化不充分，可能出現(xiàn)未熔合缺陷。對(duì)于送粉速率的單因素實(shí)驗(yàn)，固定激光功率為400W、掃描速度為10mm/s、光斑直徑為3mm，將送粉速率分別設(shè)置為3g/min、4g/min、5g/min、6g/min、7g/min。送粉速率的改變會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末量，進(jìn)而影響沉積層的厚度和質(zhì)量。送粉速率過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致沉積層厚度不足，生產(chǎn)效率低下；送粉速率過(guò)高，則可能使粉末無(wú)法完全熔化，在沉積層中形成夾雜。光斑直徑的單因素實(shí)驗(yàn)中，固定激光功率為400W、掃描速度為10mm/s、送粉速率為5g/min，將光斑直徑分別設(shè)置為2mm、3mm、4mm、5mm、6mm。光斑直徑的大小決定了激光能量的分布范圍，較小的光斑直徑會(huì)使能量集中，可能導(dǎo)致局部過(guò)熱；較大的光斑直徑則會(huì)使能量分散，影響粉末的熔化效果。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)組合。選擇激光功率、掃描速度、送粉速率作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，具體水平取值根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。例如，激光功率的三個(gè)水平可以設(shè)置為300W、400W、500W；掃描速度的三個(gè)水平設(shè)置為8mm/s、10mm/s、12mm/s；送粉速率的三個(gè)水平設(shè)置為4g/min、5g/min、6g/min。采用L9(3^3)正交表安排實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，可以綜合考慮各因素之間的交互作用，找到使沉積層質(zhì)量最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)工藝參數(shù)組合下的沉積層進(jìn)行全面的檢測(cè)和分析。使用光學(xué)顯微鏡觀察沉積層的宏觀形貌，測(cè)量沉積層的高度、寬度和表面粗糙度，評(píng)估沉積層的成形質(zhì)量。采用阿基米德排水法測(cè)量沉積層的致密度，計(jì)算沉積層的孔隙率，以評(píng)估沉積層的內(nèi)部質(zhì)量。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沉積層的微觀組織，分析晶粒尺寸、晶界結(jié)構(gòu)和第二相的分布情況，研究工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)試沉積件的力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，評(píng)估不同工藝參數(shù)組合下沉積件的力學(xué)性能。為了研究大氣環(huán)境對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的影響，還設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在相同的工藝參數(shù)下，分別在大氣環(huán)境和氬氣保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)。對(duì)比兩種環(huán)境下沉積層的質(zhì)量和性能，分析大氣中的氧氣、氮?dú)?、水分等因素?duì)沉積層的氧化、氮化、氣孔形成等方面的影響。在大氣環(huán)境中，由于氧氣的存在，沉積層表面可能會(huì)形成氧化膜，影響沉積層的結(jié)合強(qiáng)度；水分的存在可能導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，降低沉積層的致密度。而在氬氣保護(hù)環(huán)境中，這些問(wèn)題可以得到有效避免，通過(guò)對(duì)比可以更清晰地了解大氣環(huán)境對(duì)沉積過(guò)程的不利影響。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.3.1沉積層形貌特征不同工藝參數(shù)下鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積層的表面形貌和截面形態(tài)存在顯著差異，這些形貌特征與工藝參數(shù)之間有著密切的關(guān)系。在表面形貌方面，當(dāng)激光功率較低時(shí)，如200W，鋁合金粉末未能充分熔化，沉積層表面呈現(xiàn)出粗糙不平的狀態(tài)，存在大量未熔化的粉末顆粒，如圖1(a)所示。這是因?yàn)檩^低的激光功率無(wú)法提供足夠的能量使粉末完全熔化，部分粉末僅在表面附著，未與已熔化的金屬形成良好的冶金結(jié)合。隨著激光功率增加到400W，粉末熔化較為充分，沉積層表面相對(duì)光滑，起伏較小，如圖1(b)所示。此時(shí)，激光能量能夠使粉末充分吸收并熔化，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動(dòng)性較好，在凝固過(guò)程中能夠形成較為平整的表面。當(dāng)激光功率進(jìn)一步升高至600W時(shí)，沉積層表面出現(xiàn)了明顯的飛濺和氣孔缺陷，如圖1(c)所示。過(guò)高的激光功率導(dǎo)致熔池溫度過(guò)高，液態(tài)金屬的蒸發(fā)和飛濺加劇，同時(shí)，熔池內(nèi)氣體的溶解度降低，大量氣體逸出形成氣孔，嚴(yán)重影響了沉積層的表面質(zhì)量。掃描速度對(duì)沉積層表面形貌也有重要影響。當(dāng)掃描速度較慢，如5mm/s時(shí)，激光能量在單位面積上作用時(shí)間較長(zhǎng)，沉積層表面出現(xiàn)了明顯的重熔痕跡，表面較為粗糙，如圖2(a)所示。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的作用時(shí)間使熔池反復(fù)熔化和凝固，導(dǎo)致表面不平整。隨著掃描速度增加到15mm/s，沉積層表面相對(duì)平整，重熔痕跡減少，如圖2(b)所示。此時(shí)，激光能量在單位面積上的作用時(shí)間適中，粉末能夠充分熔化且熔池凝固較為迅速，有利于形成光滑的表面。當(dāng)掃描速度過(guò)快，達(dá)到25mm/s時(shí)，粉末熔化不充分，沉積層表面出現(xiàn)了明顯的未熔合區(qū)域，呈現(xiàn)出顆粒狀，如圖2(c)所示。這是因?yàn)閽呙杷俣冗^(guò)快，激光能量來(lái)不及使粉末充分熔化，部分粉末未能與周圍的金屬熔合，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。在截面形態(tài)方面，不同工藝參數(shù)下沉積層的截面形狀和熔合情況也有所不同。當(dāng)送粉速率較低，如3g/min時(shí)，沉積層的厚度較薄，且與基板的熔合面積較小，如圖3(a)所示。這是因?yàn)樗头鬯俾实停瑔挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末量少，導(dǎo)致沉積層生長(zhǎng)緩慢，同時(shí)，由于粉末量不足，與基板的熔合也不夠充分。隨著送粉速率增加到5g/min，沉積層厚度明顯增加，與基板的熔合良好，界面清晰且連續(xù)，如圖3(b)所示。此時(shí)，合適的送粉速率保證了單位時(shí)間內(nèi)有足夠的粉末進(jìn)入熔池，使沉積層能夠快速生長(zhǎng)，并且與基板形成了良好的冶金結(jié)合。當(dāng)送粉速率過(guò)高，達(dá)到7g/min時(shí)，沉積層出現(xiàn)了明顯的堆積現(xiàn)象，內(nèi)部存在較多的孔隙和未熔合缺陷，如圖3(c)所示。過(guò)高的送粉速率使粉末在熔池中來(lái)不及完全熔化，大量粉末堆積在一起，導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增多，影響了沉積層的質(zhì)量。光斑直徑對(duì)沉積層截面形態(tài)也有影響。較小的光斑直徑，如2mm，能量集中，沉積層的熔深較大，但寬度較窄，且在熔池邊緣容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，如圖4(a)所示。這是因?yàn)槟芰考性谳^小的區(qū)域，使該區(qū)域的粉末迅速熔化并向深處滲透，但同時(shí)也導(dǎo)致邊緣溫度過(guò)高。隨著光斑直徑增大到4mm，沉積層的寬度增加，熔深相對(duì)減小，熔池的溫度分布更加均勻，如圖4(b)所示。此時(shí)，能量分布在較大的區(qū)域，使粉末在更廣泛的范圍內(nèi)熔化，有利于形成較為均勻的沉積層。當(dāng)光斑直徑過(guò)大，達(dá)到6mm時(shí)，能量分散，粉末熔化不充分，沉積層的致密度降低，內(nèi)部出現(xiàn)較多的孔隙，如圖4(c)所示。過(guò)大的光斑直徑使單位面積上的激光能量密度降低，無(wú)法使粉末充分熔化，從而影響了沉積層的質(zhì)量。4.3.2微觀組織分析利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積層的微觀組織進(jìn)行觀察，結(jié)果表明沉積層的微觀組織呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，并且受到大氣環(huán)境和工藝參數(shù)的顯著影響。在金相顯微鏡下觀察，沉積層的微觀組織呈現(xiàn)出明顯的方向性。沿著沉積方向，晶粒呈現(xiàn)出柱狀晶的生長(zhǎng)形態(tài)，從基板向上生長(zhǎng)，如圖5所示。這是由于在激光熔化沉積過(guò)程中，熔池的溫度梯度較大，晶體在凝固時(shí)沿著溫度梯度的方向生長(zhǎng)，形成了柱狀晶。在相鄰的沉積層之間，存在著明顯的界限，這是因?yàn)槊恳粚映练e時(shí)的冷卻速度和凝固條件略有不同，導(dǎo)致層間的微觀組織存在差異。進(jìn)一步利用SEM觀察沉積層的微觀組織，可以更清晰地看到晶粒的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。沉積層中的晶粒主要為樹枝晶，樹枝晶的枝干和分枝清晰可見，如圖6(a)所示。這是由于激光熔化沉積過(guò)程中的快速凝固特性，使得晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中形成了樹枝狀的結(jié)構(gòu)。在樹枝晶之間，分布著一些細(xì)小的共晶組織，主要由α-Al相和Si相組成，如圖6(b)所示。這些共晶組織的存在對(duì)沉積層的力學(xué)性能有著重要影響，它們可以起到強(qiáng)化作用，提高沉積層的硬度和強(qiáng)度。大氣環(huán)境對(duì)沉積層微觀組織的影響也較為明顯。在大氣環(huán)境下，由于鋁合金與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，沉積層中存在著一些氧化夾雜，主要為氧化鋁（Al_2O_3）顆粒，如圖7所示。這些氧化夾雜的存在會(huì)破壞沉積層的連續(xù)性，降低沉積層的力學(xué)性能。大氣中的水分分解產(chǎn)生的氫氣也可能在沉積層中形成氣孔，進(jìn)一步降低沉積層的質(zhì)量。在氬氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行激光熔化沉積時(shí)，沉積層中的氧化夾雜和氣孔明顯減少，微觀組織更加致密，如圖8所示。這表明氬氣保護(hù)能夠有效減少大氣環(huán)境對(duì)沉積層微觀組織的不利影響，提高沉積層的質(zhì)量。工藝參數(shù)對(duì)沉積層微觀組織的影響也十分顯著。激光功率的變化會(huì)影響熔池的溫度和冷卻速度，從而改變晶粒的尺寸和形態(tài)。當(dāng)激光功率較低時(shí)，熔池溫度較低，冷卻速度較快，晶粒尺寸較小，如圖9(a)所示。這是因?yàn)榭焖倮鋮s抑制了晶粒的生長(zhǎng)，使晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。隨著激光功率增加，熔池溫度升高，冷卻速度變慢，晶粒尺寸逐漸增大，如圖9(b)所示。較高的溫度為晶粒的生長(zhǎng)提供了更多的能量，使晶粒能夠充分長(zhǎng)大。掃描速度的變化也會(huì)對(duì)晶粒尺寸產(chǎn)生影響。掃描速度較快時(shí)，熔池的冷卻速度加快，晶粒尺寸減小，如圖10(a)所示。而掃描速度較慢時(shí)，熔池的冷卻速度減慢，晶粒尺寸增大，如圖10(b)所示。這是因?yàn)閽呙杷俣鹊淖兓苯佑绊懥思す饽芰吭诜勰┥系淖饔脮r(shí)間和熔池的存在時(shí)間，進(jìn)而影響了冷卻速度和晶粒的生長(zhǎng)。4.3.3力學(xué)性能測(cè)試通過(guò)拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積層的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明沉積層的力學(xué)性能與微觀組織和工藝參數(shù)之間存在著密切的聯(lián)系。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，沉積層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，如圖11所示。當(dāng)激光功率較低時(shí)，粉末熔化不充分，沉積層中存在較多的未熔合缺陷，這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低沉積層的強(qiáng)度。隨著激光功率增加，粉末熔化充分，沉積層的致密度提高，強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)激光功率過(guò)高時(shí)，沉積層中出現(xiàn)了較多的氣孔和氧化夾雜等缺陷，同時(shí)晶粒尺寸增大，這些因素都會(huì)導(dǎo)致沉積層的強(qiáng)度下降。掃描速度對(duì)沉積層的拉伸性能也有影響。隨著掃描速度增加，沉積層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，如圖12所示。這是因?yàn)閽呙杷俣仍黾?，激光能量在單位面積上的作用時(shí)間減少，粉末熔化不充分，沉積層的致密度降低，內(nèi)部缺陷增多，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。送粉速率對(duì)沉積層拉伸性能的影響較為復(fù)雜。當(dāng)送粉速率較低時(shí)，沉積層的厚度較薄，單位面積上的承載能力較低，強(qiáng)度也較低。隨著送粉速率增加，沉積層厚度增加，單位面積上的承載能力提高，強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)送粉速率過(guò)高時(shí)，沉積層中出現(xiàn)了堆積和未熔合缺陷，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，如圖13所示。硬度測(cè)試結(jié)果表明，沉積層的硬度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，與拉伸性能的變化趨勢(shì)相似，如圖14所示。這是因?yàn)橛捕扰c材料的組織結(jié)構(gòu)和缺陷密切相關(guān)，激光功率的變化會(huì)影響沉積層的微觀組織和缺陷分布，從而導(dǎo)致硬度的變化。掃描速度和送粉速率對(duì)硬度的影響也與拉伸性能的影響趨勢(shì)一致。掃描速度增加，硬度逐漸降低；送粉速率增加，硬度先增加后降低，如圖15和圖16所示。這表明硬度與沉積層的致密度、微觀組織和缺陷分布密切相關(guān)，工藝參數(shù)的變化通過(guò)影響這些因素來(lái)改變沉積層的硬度。沉積層的力學(xué)性能與微觀組織之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。微觀組織中的晶粒尺寸、晶界結(jié)構(gòu)和第二相的分布等因素都會(huì)影響力學(xué)性能。細(xì)小的晶?？梢栽黾泳Ы绲臄?shù)量，晶界能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。共晶組織的存在也可以起到強(qiáng)化作用，提高材料的硬度和強(qiáng)度。而氧化夾雜和氣孔等缺陷會(huì)降低材料的強(qiáng)度和硬度，因?yàn)檫@些缺陷會(huì)破壞材料的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致材料在受力時(shí)容易發(fā)生斷裂。五、鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積形性調(diào)控策略5.1工藝參數(shù)優(yōu)化在鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中，工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于改善沉積質(zhì)量、減少缺陷、優(yōu)化微觀組織和力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)激光功率、掃描速度、送粉量等關(guān)鍵工藝參數(shù)的精細(xì)調(diào)控，可以有效提升沉積構(gòu)件的性能和質(zhì)量。激光功率是影響鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的關(guān)鍵參數(shù)之一。激光功率直接決定了粉末吸收的能量大小，進(jìn)而影響粉末的熔化程度和熔池的溫度。當(dāng)激光功率較低時(shí)，鋁合金粉末吸收的能量不足，無(wú)法充分熔化，這會(huì)導(dǎo)致沉積層中出現(xiàn)未熔合缺陷。這些未熔合區(qū)域在沉積層中形成薄弱點(diǎn)，嚴(yán)重降低了沉積層的致密度和力學(xué)性能。在拉伸試驗(yàn)中，未熔合缺陷容易引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致沉積件過(guò)早斷裂，使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅降低。當(dāng)激光功率過(guò)高時(shí)，又會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。過(guò)高的激光功率會(huì)使熔池溫度急劇升高，鋁合金的蒸發(fā)和飛濺現(xiàn)象加劇。大量的金屬蒸發(fā)不僅造成材料的浪費(fèi)，還會(huì)使沉積層中的合金元素?zé)龘p，改變合金的化學(xué)成分，進(jìn)而影響沉積層的性能。過(guò)高的溫度還會(huì)導(dǎo)致熔池中的氣體溶解度降低，大量氣體逸出形成氣孔，這些氣孔同樣會(huì)降低沉積層的致密度和力學(xué)性能。因此，為了獲得良好的沉積質(zhì)量，需要根據(jù)鋁合金粉末的特性和沉積要求，合理選擇激光功率。對(duì)于AlSi10Mg合金粉末，在一定的掃描速度和送粉量條件下，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率在300-500W范圍內(nèi)時(shí)，能夠使粉末充分熔化，同時(shí)避免出現(xiàn)過(guò)度熔化和蒸發(fā)飛濺等問(wèn)題，從而獲得致密度較高、力學(xué)性能較好的沉積層。掃描速度也是影響沉積質(zhì)量的重要參數(shù)。掃描速度決定了激光能量在單位面積上的作用時(shí)間。當(dāng)掃描速度較慢時(shí)，激光能量在單位面積上的作用時(shí)間較長(zhǎng)，粉末能夠充分吸收能量并熔化。然而，過(guò)長(zhǎng)的作用時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致熔池溫度過(guò)高，熔池中的液態(tài)金屬停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易使晶粒長(zhǎng)大。粗大的晶粒會(huì)降低沉積層的強(qiáng)度和韌性，因?yàn)榫ЯＴ酱螅Ы绲目偯娣e相對(duì)越小，晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用減弱。較慢的掃描速度還可能導(dǎo)致熔池反復(fù)熔化和凝固，在沉積層表面形成明顯的重熔痕跡，影響表面質(zhì)量。當(dāng)掃描速度過(guò)快時(shí)，激光能量在單位面積上的作用時(shí)間過(guò)短，粉末來(lái)不及充分熔化，會(huì)出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。這會(huì)使沉積層中存在大量未熔合的粉末顆粒，降低沉積層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮粉末的熔化特性、沉積層的質(zhì)量要求以及生產(chǎn)效率等因素，優(yōu)化掃描速度。對(duì)于AlSi10Mg合金粉末的環(huán)形束激光熔化沉積，在激光功率為400W、送粉量為5g/min的條件下，掃描速度在10-15mm/s范圍內(nèi)能夠較好地平衡粉末熔化和沉積層質(zhì)量的關(guān)系，獲得較為理想的沉積效果。送粉量對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積也有著顯著影響。送粉量決定了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末量。當(dāng)送粉量過(guò)低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末不足，導(dǎo)致沉積層生長(zhǎng)緩慢，生產(chǎn)效率低下。由于粉末量少，沉積層的厚度較薄，在承受外力時(shí)容易發(fā)生變形和破壞，力學(xué)性能較差。當(dāng)送粉量過(guò)高時(shí)，大量的粉末進(jìn)入熔池，可能會(huì)超出激光能量的熔化能力，導(dǎo)致部分粉末無(wú)法完全熔化。這些未熔化的粉末在沉積層中形成夾雜，降低了沉積層的致密度和力學(xué)性能。過(guò)高的送粉量還可能導(dǎo)致熔池中的液態(tài)金屬流動(dòng)性變差，影響熔池的穩(wěn)定性，進(jìn)而產(chǎn)生氣孔等缺陷。因此，需要根據(jù)激光功率和掃描速度等參數(shù)，合理調(diào)整送粉量。在激光功率為400W、掃描速度為10mm/s的情況下，對(duì)于AlSi10Mg合金粉末，送粉量在4-6g/min范圍內(nèi)能夠保證粉末充分熔化，同時(shí)使沉積層具有較好的質(zhì)量和生長(zhǎng)速度。為了進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，還可以采用正交實(shí)驗(yàn)等方法，綜合考慮各參數(shù)之間的交互作用。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，可以全面分析激光功率、掃描速度、送粉量等參數(shù)對(duì)沉積層質(zhì)量和性能的影響，找到使沉積層質(zhì)量最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。利用響應(yīng)面法等優(yōu)化算法，建立工藝參數(shù)與沉積層質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模型的分析和優(yōu)化，確定針對(duì)不同鋁合金材料和構(gòu)件要求的最佳工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程的精確控制，提高沉積層的質(zhì)量和性能。5.2保護(hù)措施應(yīng)用在大氣環(huán)境下進(jìn)行鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積時(shí)，為了有效減少大氣環(huán)境對(duì)沉積過(guò)程和沉積層質(zhì)量的負(fù)面影響，提高沉積質(zhì)量，采用保護(hù)氣體和涂層等保護(hù)措施具有重要意義。保護(hù)氣體在鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其主要原理是通過(guò)在熔池周圍形成一層惰性氣體屏障，將熔池與大氣中的氧氣、氮?dú)?、水分等有害成分隔離開來(lái)，從而減少鋁合金與這些有害成分的接觸和反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的保護(hù)氣體為氬氣。氬氣是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易與鋁合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在激光熔化沉積過(guò)程中，將氬氣通過(guò)特定的裝置均勻地輸送到熔池表面，氬氣會(huì)在熔池周圍形成一層連續(xù)的氣幕。這層氣幕能夠有效地阻擋大氣中的氧氣進(jìn)入熔池，從而抑制鋁合金的氧化反應(yīng)。由于氧氣被隔離在外，鋁合金中的鋁元素?zé)o法與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化鋁，減少了氧化夾雜的產(chǎn)生，提高了沉積層的純度和質(zhì)量。保護(hù)氣體還能阻止氮?dú)馀c鋁合金發(fā)生氮化反應(yīng)。在大氣環(huán)境中，氮?dú)夂枯^高，如果熔池與氮?dú)饨佑|，可能會(huì)發(fā)生氮化反應(yīng)，生成氮化物。這些氮化物會(huì)改變沉積層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，降低沉積層的性能。而保護(hù)氣體形成的氣幕可以阻止氮?dú)馀c熔池接觸，避免氮化反應(yīng)的發(fā)生，保證沉積層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。保護(hù)氣體還對(duì)減少氣孔的產(chǎn)生有著重要作用。如前文所述，大氣中的水分在高溫下分解產(chǎn)生氫氣，氫氣在熔池凝固過(guò)程中溶解度降低，容易形成氣孔。保護(hù)氣體能夠?qū)⑷鄢嘏c大氣中的水分隔離開來(lái)，減少氫氣的來(lái)源，從而降低氣孔形成的可能性。通過(guò)精確控制保護(hù)氣體的流量和流速，可以使氣幕更加穩(wěn)定和均勻，增強(qiáng)對(duì)熔池的保護(hù)效果。合適的氣體流量能夠確保氣幕有足夠的厚度和強(qiáng)度，有效地阻擋有害氣體的侵入；而恰當(dāng)?shù)牧魉賱t可以使保護(hù)氣體在熔池周圍均勻分布，避免出現(xiàn)局部保護(hù)不足的情況。研究表明，在鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中，當(dāng)氬氣流量控制在15-20L/min時(shí)，能夠較好地保護(hù)熔池，減少氧化、氮化和氣孔等缺陷的產(chǎn)生，提高沉積層的質(zhì)量和性能。涂層保護(hù)也是一種有效的保護(hù)措施，其原理是在鋁合金粉末或基板表面預(yù)先涂覆一層保護(hù)膜，以減少大氣環(huán)境對(duì)沉積過(guò)程的影響。涂層可以分為有機(jī)涂層和無(wú)機(jī)涂層。有機(jī)涂層通常由高分子材料組成，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。這些有機(jī)材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和阻隔性能，能夠在一定程度上阻擋氧氣、水分和雜質(zhì)等與鋁合金的接觸。在鋁合金粉末表面涂覆有機(jī)涂層后，在激光熔化沉積過(guò)程中，有機(jī)涂層首先受熱分解，分解產(chǎn)生的氣體可以在粉末周圍形成一層保護(hù)氣層，阻擋大氣中的有害成分。有機(jī)涂層分解后會(huì)在粉末表面留下一層碳質(zhì)殘留物，這些殘留物可以在一定程度上阻止氧氣與鋁合金的進(jìn)一步反應(yīng)。無(wú)機(jī)涂層則主要包括陶瓷涂層、金屬氧化物涂層等。陶瓷涂層具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，能夠在高溫下有效地保護(hù)鋁合金。在基板表面涂覆陶瓷涂層后，激光熔化沉積過(guò)程中，陶瓷涂層可以隔離大氣中的氧氣和水分，減少它們對(duì)沉積層的影響。陶瓷涂層還可以起到隔熱作用，減少熔池的散熱速度，有利于熔池的穩(wěn)定和粉末的充分熔化。涂層的保護(hù)效果與涂層的厚度、均勻性以及與鋁合金的結(jié)合強(qiáng)度密切相關(guān)。涂層厚度過(guò)薄可能無(wú)法提供足夠的保護(hù)，導(dǎo)致有害成分仍然能夠與鋁合金發(fā)生反應(yīng)；而涂層過(guò)厚則可能影響粉末的流動(dòng)性和激光能量的傳輸，降低沉積效率和質(zhì)量。涂層的均勻性也至關(guān)重要，不均勻的涂層會(huì)導(dǎo)致局部保護(hù)不足，增加缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。涂層與鋁合金的結(jié)合強(qiáng)度直接關(guān)系到涂層在沉積過(guò)程中的穩(wěn)定性。如果結(jié)合強(qiáng)度不足，涂層在激光熔化沉積過(guò)程中可能會(huì)脫落，失去保護(hù)作用。為了提高涂層的保護(hù)效果，需要通過(guò)優(yōu)化涂層制備工藝，如采用合適的涂覆方法（噴涂、電鍍、化學(xué)氣相沉積等）和工藝參數(shù)（溫度、壓力、時(shí)間等），來(lái)控制涂層的厚度、均勻性和結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)涂層進(jìn)行后處理，如熱處理、表面改性等，也可以進(jìn)一步提高涂層的性能和保護(hù)效果。5.3后處理工藝后處理工藝在鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)熱等靜壓、熱處理等工藝，可以有效消除殘余應(yīng)力、改善微觀組織，進(jìn)而顯著提升鋁合金沉積構(gòu)件的力學(xué)性能。熱等靜壓（HIP）工藝是一種在高溫高壓環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行處理的方法，它能夠有效消除鋁合金沉積層中的殘余應(yīng)力和內(nèi)部缺陷。在熱等靜壓過(guò)程中，將沉積構(gòu)件放置在高壓容器中，通過(guò)惰性氣體（如氬氣）均勻施加壓力，同時(shí)升高溫度至鋁合金的再結(jié)晶溫度附近。在高溫高壓的共同作用下，沉積層中的氣孔、縮孔等缺陷會(huì)被壓實(shí)和焊合，從而提高沉積層的致密度。這是因?yàn)樵诟邷叵?，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，能夠促進(jìn)缺陷處的原子重新排列和結(jié)合；高壓則提供了驅(qū)動(dòng)力，使缺陷得以閉合。熱等靜壓還能使殘余應(yīng)力得到釋放，減少因應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理后，鋁合金沉積層的力學(xué)性能得到顯著改善，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞性能等均有明顯提升。這是由于致密度的提高減少了內(nèi)部缺陷對(duì)力學(xué)性能的負(fù)面影響，殘余應(yīng)力的消除也使材料在受力時(shí)更加均勻，不易產(chǎn)生裂紋和斷裂。熱處理工藝也是改善鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積構(gòu)件性能的重要手段。常見的熱處理工藝包括固溶處理和時(shí)效處理。固溶處理是將沉積構(gòu)件加熱至鋁合金的固溶溫度范圍，并保溫一定時(shí)間，使合金元素充分溶解在鋁基體中，形成均勻的固溶體。隨后進(jìn)行快速冷卻，抑制合金元素的析出，保持過(guò)飽和固溶體狀態(tài)。固溶處理能夠顯著提高鋁合金的強(qiáng)度和韌性，這是因?yàn)檫^(guò)飽和固溶體中的溶質(zhì)原子會(huì)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度。溶質(zhì)原子的均勻分布也改善了材料的韌性，使材料在受力時(shí)能夠更好地承受變形而不發(fā)生斷裂。時(shí)效處理是在固溶處理的基礎(chǔ)上，將構(gòu)件加熱至較低的溫度（時(shí)效溫度）并保溫一定時(shí)間。在時(shí)效過(guò)程中，過(guò)飽和固溶體中的合金元素會(huì)逐漸析出，形成細(xì)小彌散的第二相粒子。這些第二相粒子能夠進(jìn)一步強(qiáng)化鋁合金，提高其硬度和強(qiáng)度。時(shí)效處理還可以改善鋁合金的耐腐蝕性，這是因?yàn)榈诙嗔Ｗ拥奈龀龈淖兞虽X合金的微觀結(jié)構(gòu)，減少了腐蝕微電池的形成，從而提高了材料的耐腐蝕性能。根據(jù)時(shí)效溫度和時(shí)間的不同，時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效。自然時(shí)效是在室溫下進(jìn)行的時(shí)效過(guò)程，其過(guò)程較為緩慢，但能夠使鋁合金的性能逐漸穩(wěn)定。人工時(shí)效則是在較高溫度下進(jìn)行，能夠加快合金元素的析出速度，縮短時(shí)效時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)合理控制時(shí)效溫度和時(shí)間，可以獲得最佳的時(shí)效效果，使鋁合金沉積構(gòu)件的性能得到優(yōu)化。熱等靜壓與熱處理工藝的協(xié)同作用能夠進(jìn)一步提升鋁合金沉積構(gòu)件的性能。先進(jìn)行熱等靜壓處理，消除內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力，為后續(xù)的熱處理提供更好的基礎(chǔ)。再進(jìn)行熱處理，通過(guò)固溶和時(shí)效處理，充分發(fā)揮合金元素的強(qiáng)化作用，進(jìn)一步改善微觀組織和力學(xué)性能。這種協(xié)同處理方式能夠使鋁合金沉積構(gòu)件的性能達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)加工方法制備的鋁合金材料，滿足航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茕X合金構(gòu)件的需求。六、數(shù)值模擬與機(jī)理研究6.1建立數(shù)值模型利用有限元方法建立鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程的數(shù)值模型，能夠深入理解沉積過(guò)程中的物理現(xiàn)象，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。在建立模型時(shí)，需要進(jìn)行一系列合理的假設(shè)，以簡(jiǎn)化復(fù)雜的物理過(guò)程，同時(shí)確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。假設(shè)鋁合金粉末為均勻連續(xù)介質(zhì)，這一假設(shè)忽略了粉末顆粒之間的微觀間隙和離散特性。在實(shí)際的激光熔化沉積過(guò)程中，鋁合金粉末是由眾多離散的顆粒組成，但在宏觀尺度的數(shù)值模擬中，將其視為均勻連續(xù)介質(zhì)可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，并且在一定程度上能夠反映粉末整體的行為特征。這是因?yàn)樵诩す饽芰康淖饔孟?，粉末顆粒迅速熔化并相互融合，從宏觀角度看，其表現(xiàn)出類似于連續(xù)介質(zhì)的性質(zhì)。假設(shè)沉積過(guò)程中不考慮重力和表面張力對(duì)熔池流動(dòng)的影響，雖然在實(shí)際情況中，重力和表面張力會(huì)對(duì)熔池的形狀和流動(dòng)產(chǎn)生作用，但在一些情況下，這些力的影響相對(duì)較小，為了簡(jiǎn)化模型，暫時(shí)忽略它們。在熔池尺寸較小且激光能量作用較強(qiáng)時(shí)，激光能量對(duì)熔池的作用占主導(dǎo)地位，重力和表面張力的影響可以忽略不計(jì)。假設(shè)材料的熱物理性能為常數(shù)，不隨溫度和時(shí)間變化。實(shí)際上，鋁合金的熱物理性能，如熱導(dǎo)率、比熱容等，會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，但在一定的溫度范圍內(nèi)，這種變化相對(duì)較小，將其視為常數(shù)可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且在初步研究中能夠提供較為合理的結(jié)果。在參數(shù)設(shè)置方面，模型需要準(zhǔn)確輸入鋁合金材料的熱物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容、密度等。這些參數(shù)對(duì)于模擬溫度場(chǎng)的分布和變化至關(guān)重要。熱導(dǎo)率決定了熱量在材料中的傳導(dǎo)速度，比熱容影響材料吸收和釋放熱量的能力，密度則與材料的質(zhì)量和體積相關(guān)。對(duì)于常見的AlSi10Mg鋁合金，其熱導(dǎo)率在室溫下約為167W/(m?K)，比熱容約為900J/(kg?K)，密度約為2660kg/m3。激光能量輸入?yún)?shù)也是模型的關(guān)鍵設(shè)置，包括激光功率、光斑直徑、掃描速度等。激光功率決定了單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量大小，光斑直徑影響能量的分布范圍，掃描速度則控制了激光作用的時(shí)間和路徑。在模擬中，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，將激光功率設(shè)置為300-600W，光斑直徑設(shè)置為2-6mm，掃描速度設(shè)置為5-25mm/s。邊界條件的設(shè)置也不容忽視，考慮大氣環(huán)境下的散熱，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)反映了大氣與熔池表面之間通過(guò)對(duì)流方式傳遞熱量的能力，輻射換熱系數(shù)則體現(xiàn)了熔池表面通過(guò)輻射方式向周圍環(huán)境散熱的特性。在大氣環(huán)境中，對(duì)流換熱系數(shù)一般在10-100W/(m2?K)范圍內(nèi)，輻射換熱系數(shù)根據(jù)鋁合金的發(fā)射率和周圍環(huán)境溫度確定，一般在3-5W/(m2?K)左右。通過(guò)以上假設(shè)和參數(shù)設(shè)置，利用有限元分析軟件（如ANSYS、COMSOL等）建立鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的數(shù)值模型。在ANSYS軟件中，首先創(chuàng)建幾何模型，包括基板和沉積層。然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用合適的網(wǎng)格類型和尺寸，以保證計(jì)算精度和效率。在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于熔池區(qū)域和沉積層與基板的結(jié)合部位，采用較小的網(wǎng)格尺寸，以準(zhǔn)確捕捉溫度和應(yīng)力的變化；對(duì)于遠(yuǎn)離熔池的區(qū)域，可以采用較大的網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。接著，定義材料屬性，輸入鋁合金的熱物理參數(shù)。設(shè)置激光能量輸入和邊界條件，模擬激光熔化沉積過(guò)程中的傳熱和應(yīng)力變化。在模擬過(guò)程中，采用合適的求解器和時(shí)間步長(zhǎng)，確保計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)數(shù)值模型的求解，可以得到沉積過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布，以及熔池的形狀和尺寸變化等信息，為深入研究鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。6.2模擬結(jié)果分析通過(guò)數(shù)值模擬得到的鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和熔池流動(dòng)等結(jié)果，為深入理解沉積過(guò)程的物理機(jī)制提供了重要依據(jù)。在溫度場(chǎng)方面，模擬結(jié)果清晰地展示了激光作用下鋁合金粉末及沉積層的溫度變化情況。當(dāng)環(huán)形束激光照射到鋁合金粉末上時(shí)，粉末迅速吸收激光能量，溫度急劇升高。在激光光斑中心區(qū)域，溫度最高，隨著與光斑中心距離的增加，溫度逐漸降低，形成明顯的溫度梯度。在激光功率為400W、掃描速度為10mm/s的條件下，熔池中心的最高溫度可達(dá)2000K以上，而熔池邊緣的溫度則在1000K左右。這種溫度梯度的存在對(duì)粉末的熔化和凝固過(guò)程產(chǎn)生重要影響。在溫度較高的中心區(qū)域，粉末迅速熔化，形成液態(tài)熔池；而在溫度較低的邊緣區(qū)域，液態(tài)金屬逐漸凝固，與下層已凝固的金屬形成冶金結(jié)合。溫度場(chǎng)的分布還會(huì)影響晶粒的生長(zhǎng)方向和尺寸。在溫度梯度較大的方向上，晶粒傾向于沿著該方向生長(zhǎng)，形成柱狀晶；而在溫度分布較為均勻的區(qū)域，晶粒生長(zhǎng)相對(duì)均勻，尺寸較小。應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果揭示了沉積過(guò)程中熱應(yīng)力的產(chǎn)生和分布規(guī)律。由于激光熔化沉積過(guò)程中溫度變化劇烈，不同部位的熱脹冷縮程度不同，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在沉積層與基板的結(jié)合部位，由于兩者的熱膨脹系數(shù)存在差異，熱應(yīng)力最為集中。在多層沉積過(guò)程中，每一層沉積都會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力會(huì)相互疊加，使得應(yīng)力分布更加復(fù)雜。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)激光功率較高或掃描速度較快時(shí)，熱應(yīng)力會(huì)顯著增加。這是因?yàn)檩^高的激光功率會(huì)使溫度變化更加劇烈，而較快的掃描速度會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大，從而加劇熱應(yīng)力的產(chǎn)生。熱應(yīng)力的存在可能導(dǎo)致沉積層產(chǎn)生變形和開裂等缺陷。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，沉積層會(huì)發(fā)生塑性變形；當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，沉積層就會(huì)出現(xiàn)裂紋。因此，通過(guò)模擬分析應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)于采取有效的形性調(diào)控措施，減少熱應(yīng)力，提高沉積層的質(zhì)量和構(gòu)件的成形精度具有重要指導(dǎo)意義。熔池流動(dòng)的模擬結(jié)果展示了液態(tài)金屬在熔池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。在環(huán)形束激光的作用下，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬受到多種力的作用，包括表面張力、浮力、電磁力等，從而產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)。表面張力會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬向中心聚集，形成凸起的液面；浮力則會(huì)使溫度較高的液態(tài)金屬向上運(yùn)動(dòng)，溫度較低的液態(tài)金屬向下運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)流。熔池內(nèi)還存在著由于激光能量分布不均勻而產(chǎn)生的電磁力，它也會(huì)對(duì)熔池流動(dòng)產(chǎn)生影響。熔池流動(dòng)對(duì)沉積層的質(zhì)量有著重要影響。良好的熔池流動(dòng)可以使合金元素在熔池內(nèi)均勻分布，減少成分偏析現(xiàn)象，提高沉積層的性能。熔池流動(dòng)還會(huì)影響熔池內(nèi)氣體的逸出和雜質(zhì)的排出。如果熔池流動(dòng)不暢，氣體和雜質(zhì)可能會(huì)在熔池內(nèi)積聚，形成氣孔和夾雜等缺陷。因此，通過(guò)模擬分析熔池流動(dòng)情況，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，改善熔池的流動(dòng)性，提高沉積層的質(zhì)量。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在溫度場(chǎng)方面，模擬得到的熔池溫度分布與實(shí)驗(yàn)中通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)基本相符，驗(yàn)證了模擬模型的準(zhǔn)確性。在應(yīng)力場(chǎng)方面，通過(guò)對(duì)沉積層進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與模擬得到的應(yīng)力分布趨勢(shì)一致，進(jìn)一步證明了模擬結(jié)果的可靠性。在熔池流動(dòng)方面，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)高速攝像機(jī)觀察到的熔池形態(tài)和流動(dòng)情況與模擬結(jié)果相吻合，表明模擬能夠較好地反映熔池流動(dòng)的實(shí)際情況。通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證，不僅提高了對(duì)鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積過(guò)程物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，還為工藝參數(shù)的優(yōu)化和形性調(diào)控策略的制定提供了更加可靠的依據(jù)。6.3形性調(diào)控機(jī)理探討基于模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從傳熱、傳質(zhì)、凝固等角度深入探討鋁合金環(huán)形束激光熔化沉積的形性調(diào)控機(jī)理，有助于揭示沉積過(guò)程中微觀組織演變和性能變化的內(nèi)在規(guī)律。在傳熱方面，環(huán)形束激光獨(dú)特的能量分布對(duì)沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響。環(huán)形束激光的能量呈環(huán)形分布，與傳統(tǒng)高斯光束相比，其能量在粉末層上的分布更為均勻。在模擬中可以觀察到，當(dāng)環(huán)形束激光作用于鋁合金粉末時(shí)，粉末在環(huán)形能量區(qū)域內(nèi)均勻受熱，使得熔池內(nèi)的溫度梯度相對(duì)較小。這與傳統(tǒng)高斯光束中心能量過(guò)高導(dǎo)致的溫度梯度大的情況不同。較小的溫度梯度有利于減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，因?yàn)闊釕?yīng)力是由于溫度變化引起的材料熱脹冷縮不均勻而產(chǎn)生的。在環(huán)形束激光熔化沉積中，較小的溫度梯度使得材料各部分的