（1）目的及意义

激光熔覆技术是一种通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以达到对材料的表面改性和修复的工艺方法^[11]。激光熔覆技术可成形复杂零件或对复杂零件的局部区域进行表面处理,其加热速度快,具有自淬火用，同时不需要加热或者冷却介质，热源干净,无污染,安全保护相对简单。因此被广泛应用于机械、电力、航天航空、汽车、冶金等行业,能够制备出冶金性能良好的合金、陶瓷以及纳米涂层,从而满足不同行业的需要。激光熔覆技术,其实质是激光、熔覆材料以及基体三者之间相互作用的过程,其动态的瞬间熔化凝固过程中的物理、化学现象相当复杂激光熔覆过程中熔池的尺寸非小,温度相当高,并且存在的时间短暂,自身具有一定的移动速度,用现有设备对熔覆层的温度场、应力场进行实时精确测量与控制非常困难,且成本昂贵。数值模拟技术是一种研究激光熔覆成形机理及工艺的有效途径。

镍基合金在磨损、腐蚀以及高温等苛刻条件下具有良好的综合性能，应用于航天、航海、汽车及石油钻采等领域。近年来，采用激光熔覆技术在低成本材料表面制备镍基合金涂层受到了广泛关注。然而，由于镍基合金在冷却过程中不发生马氏体转变,且热物性能与基体存在较大差异，因此,镍基熔覆层裂纹敏感性较高^[14]。

本课题研究的目的在于采用SYSWELD 热处理软件对激光熔覆处理的温度场和应力场进行数值模拟,分析单道和搭接熔覆时温度和应力分布规律，以便更好地为试验及实际生产提供理论指导。

本课题研究的意义在于通过对激光熔覆时产生的温度场和应力场进行数值模拟，改善熔融层的宏观形貌、组织以及性能，完善和推广激光熔覆技术在中国的发展，进而推动再制造技术的发展。

（2）国内外研究现状

激光熔覆是一个具有复杂物理、化学变化的动态的快速熔化和凝固的过程,在激光加热过程中,加热速度很快,温度变化非常大,要通过实验的方法测出熔覆层的温度场和应力场非常困难,且成本较高^[14]。而温度场分布直接影响到熔覆层的显微组织和残余应力分布，熔覆层显微组织又对应力场分布产生影响，因而研究温度场和应力场分布对熔覆层的质量和性能有直接的影响。利用数值模拟方法可以分析激光熔覆过程中温度变化规律和应力分布情况,预测熔覆层的开裂和裂纹等缺陷，这对改善熔覆层组织和性能具有重要意义。

Hoadley等建立了激光熔覆过程的.三维瞬态有限元模型,模拟了激光表面重熔过程的温度场,分析了扫描速度为0.2_~0.5m/s时，最大熔池尺寸的变化情况，并进行了该工艺参数下的激光表面重熔试验,模拟结果和试验结果基本吻合。Chan等利用准稳态三维模型研究了激光熔池中由表面张力驱动的对流，并将三维问题分解为两个二维问题来求解,同时计算了熔池的形状系数、流场形态、温度场分布等。Guo等综合考虑了移动热源、粉末与基体间的隔热效应的影响，建立了激光熔覆过程的三维有限元模型,对激光熔覆粉末预置工艺的温度场进行了数值模拟，获得了使基体与熔覆层呈良好冶金结合的最佳工艺参数,并进行了实验验证,在ZM51合金表面制备Al-12%Si 合金涂层,试验表明，在该工艺参数下,镁合金的稀释率大大降低^[16]。

同时，国内学者在这方面也做了大量的研究工作,并取得了一定成绩.赵永等建立了简化二维非稳态温度场数值模型，模拟了一个平板试验件激光熔覆过程，采用ANSYS软件对温度场的分布进行了求解，其计算结果与已有文献结果吻合较好。程广萍等采用SYSWELD软件对激光熔覆Co基合金涂层的温度场、应力场进行了数值模拟。结果表明，随着扫描速度的增加,熔池形状变得窄而长,熔覆层各点的峰值温度停留时间缩短，熔池的深度、宽度相应减小，熔池及热影响区各点的温度随着与激光热源距离的增加而明显降低;此外,随着激光扫描速度的增大,熔覆层的残余应力和参与变形相应增大。姜秋月实现了对应力场随时间变化的动态模拟分析,发现熔覆层纵向应力最大,横向应力次之,厚度方向应力最小。分析送粉式激光熔覆内应力的产生机理表明，熔覆层中心靠近基体区域对裂纹最敏感，该区域处于第三类主应变状态。

2. 研究的基本内容与方案

1）研究的基本内容