### 激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟
#### 研究背景与意义
本研究针对激光内送粉变姿态熔覆技术中的非水平熔池流场进行了深入探讨。激光熔覆作为一种重要的表面改性技术，在材料修复、再制造领域具有广泛的应用前景。然而，在实际应用过程中，由于工件形状的复杂性以及安装位置的限制，往往无法将待处理表面调整至水平状态。因此，如何在非水平状态下保持良好的熔覆层成形质量成为亟需解决的问题。
#### 主要研究内容
1. **喷嘴流场模拟与粉末分布规律研究**
- 利用FLUENT软件中的离散相模型(DPM)对喷嘴流场进行模拟，以了解粉末在熔池内的分布规律。
- 粉末频次分布显示了“中间均匀，两端密集”的特点，这一发现对于优化粉末分布至关重要。
2. **熔池流场计算**
- 采用流体体积法(VOF)耦合熔化/凝固模型来模拟熔池内部的流动情况。
- 通过引入质量源项来模拟同步送粉过程，并通过能量源项来表示激光热输入。
- 对不同姿态角度(30°、60°和90°)下的熔池流场进行了数值计算，以分析熔池流动特性的变化。
3. **熔池流场特征分析**
- 熔池内的流动呈现出“双环流”特征，即流体从熔池中心向边缘流动，但流动方向会受到重力的影响而发生偏转。
- 姿态角度的变化会导致熔池中心处流体的偏转角度发生变化，分别为2°、4°和6°。
- 随着倾斜角度的增加，熔覆层的高度有所增加，宽度则相应减小，顶点的偏移量也随之增加。
4. **实验验证**
- 通过激光内送粉熔覆工艺进行实验测定，以验证数值模拟结果的准确性。
- 实验结果与数值模拟结果一致，进一步证明了该方法的有效性。
#### 技术难点与解决方案
- **非水平状态下熔池流动特性分析**：通过调整模型参数，考虑重力等因素的影响，实现了对非水平熔池流场特性的准确模拟。
- **同步送粉与激光热输入的耦合**：通过在模型中加入质量源项和能量源项，有效地模拟了粉末添加和激光加热的过程。
#### 结论与展望
1. **研究结论**：
- Marangoni应力导致激光内送粉熔覆过程中熔池流体产生由中心向边界的“双环流”分布特征。
- 非水平熔池的流动方向会受到重力的影响而产生偏转。
- 随着基板倾斜角度的增加，熔覆层的高度增加、宽度减小、顶点偏移量增大。
2. **未来研究方向**：
- 进一步优化粉末分布规律，以提高熔覆层的质量。
- 探索更多复杂的工件形状和安装条件下熔覆层的成形性能。
- 开展更大规模的实际应用测试，验证该技术在工业生产中的可行性。
本研究通过对激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟，不仅揭示了熔覆过程中熔池流场的关键特征及其受姿态角度变化的影响机制，而且为提高非水平基面激光内送粉熔覆层的成形质量提供了理论基础和技术指导。这对于推动激光熔覆技术在实际工业应用中的发展具有重要意义。
