摘要：贵州师范大学、宁波诺丁汉大学、英国诺丁汉大学的科研人员报道了铝合金激光熔覆表面修复中的流体流动与应力场：多道模拟研究进展。相关论文以“Fluid Flow and Stress Field During Laser Cladding-Based Surface

长三角G60激光联盟导读

贵州师范大学、宁波诺丁汉大学、英国诺丁汉大学的科研人员报道了铝合金激光熔覆表面修复中的流体流动与应力场：多道模拟研究进展。相关论文以“Fluid Flow and Stress Field During Laser Cladding-Based Surface Repair of Aluminum Alloy: Multi-Track Simulation”为题发表在《Materials》上。

激光熔覆（LC）是一种极具前景的铝合金部件修复技术，但由于熔池流动不稳定和热应力影响，仍存在裂纹和表面不平整等挑战。本研究通过耦合流体流动与应力场模型，探究多道激光熔覆修复机理。基于有限体积法（FVM）量化了熔池动态演变过程，发现在优化参数（激光功率1600W、扫描速度600mm/min）下，熔池最大流速达0.2m/s，深度0.7mm，宽度4mm。模型进一步表明，300μm~900μm的表面缺陷可被当前或相邻熔覆道完全熔合修复。有限元分析（FEA）揭示，多层熔覆会在层间界面处累积超过1300MPa的热应力，需保持≥3s的冷却间隔来降低开裂风险。这些发现为工艺优化提供了关键依据，证明通过调控激光功率与扫描速度可稳定熔池并减少残余应力，从而提升铝合金修复质量。

关键词：激光熔覆；表面修复；铝合金；熔体流动；应力分析；多道熔覆；缺陷形成

图1.激光熔覆表面修复过程中的流体流动示意图

图2.激光熔覆表面修复流体流动数值模拟技术路线图：(a)铝合金壳体部件表面缺陷的CT扫描图像；(b)双熔覆道熔池数值模型与预期模拟结果

图3.不同时间点熔池形貌与温度场演变过程：(a)沿x轴正向的第一单道熔覆；(b)沿x轴负向的第二道熔覆

图4.粉末流引入的质量、能量与动量源项

图5.时间t=1.71 s时稳定熔池的形貌与流动特性

图6.激光熔覆表面修复过程中的应力场示意图

图7.激光熔覆表面修复应力场数值模拟技术路线图：(a)几何与有限元模型；(b)双层熔覆过程中的预期模拟结果

图8.多道多层激光熔覆表面修复过程中的温度变化历程

图9.多道多层激光熔覆表面修复过程中的应力变化历程

本研究通过数值模拟方法系统研究了多道激光熔覆表面修复过程中熔池的形貌、温度与流速特征。基于有限体积法完整模拟了粉末原料带来的质量、动量和能量传递过程，并采用热-结构耦合有限元方法分析了多道多层修复过程的应力与变形场，成功实现了熔池多物理场耦合模拟。主要结论如下：

1.在优化参数（激光功率1600W，扫描速度600mm/min）下，熔池呈现稳定的对流形态，最大流速0.2m/s，深度0.7mm，宽度4mm，可确保300μm-900μm的表面缺陷通过多道熔覆完全修复。后续熔覆道通过熔池马兰戈尼对流可部分重熔相邻前道，促进元素重分布和搭接区气孔消除。研究表明，对于3.5mm光斑直径，2mm道间距可获得最佳熔道搭接效果并避免表面不平整。

2.多层熔覆导致层间热应力峰值达1300MPa，超过铝合金屈服强度。需保持≥3s的层间冷却间隔并在基体底部设置均匀冷却通道降低热应力。应力主要集中在熔覆层/基体界面和熔道搭接区，建议采用阶梯式降功率策略减小热梯度。

本模型为航空航天（如涡轮叶片、结构连接件）和汽车工业（如发动机缸体、传动部件）中高价值铝合金部件的激光熔覆修复提供了关键参数优化依据。通过量化最优工艺参数、降低气孔率与残余应力，可显著减少高成本部件整体更换造成的浪费。后续研究应重点关注：

1.极端工艺参数下的材料蒸发、气孔形成和飞溅等物理现象

2.将流动模型获得的熔池形貌与温度场直接耦合至应力模型

3.基于熔池温度历史的晶粒生长与晶界迁移行为

4.不同形貌/尺寸/分布缺陷的修复质量评估

5.采用机器学习优化激光功率、扫描速度、光斑直径和层厚等参数

6.通过原位X射线高速成像和中子衍射残余应力测量进行实验验证

论文链接：

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来源：江苏激光联盟