长沙理工 | Optics and Laser Tech | 一文看懂如何大幅提升钛合金激光熔覆粉末利用率,载气/保护气比例1:150,钛合金粉末利用率达83%

激光直接金属沉积技术中的粉末流性能，是决定粉末利用率的关键因素，但其发散性和多变性使其难以理解和优化。本研究针对一种新型内激光同轴环形送粉喷嘴，创新性地结合计算流体动力学模拟与实验验证，深入探讨了载气和保护气流量对粉末流发散行为的影响机制。研究发现，减小载气流量并增大保护气流量，能够显著降低粉末流的发散角。通过粉末颗粒的受力分析，揭示了气流产生的曳力是影响颗粒轨迹的主要因素：过大的载气流量会增加颗粒的横向受力，加剧发散；而充足的保护气流量则能提供强大的轴向力，约束粉末束流。基于模拟结果，研究团队设计并引入了一个精巧的气-粉分离器，巧妙地解决了稳定送粉所需大载气流量与聚焦粉末所需小载气流量之间的矛盾，实现了在较高载气流量输入下，粉末出口处实际载气流量的大幅降低。优化后的工艺参数（载气0.2 L/min，保护气30 L/min）使得粉末流发散角被控制在极小的6°，粉末斑直径缩小至约2毫米。最终的单道和多道熔覆实验验证了该优化方案的卓越成效，粉末利用率一举突破80%，表面质量优异，为后续实现更高扫描速度的优质成形奠定了坚实基础。

图1：详细展示了研究所用的环形激光直接金属沉积头的粉末输送系统构成。图1(b)的剖面图清晰揭示了内部同轴送粉喷嘴的核心结构，包括中心的粉末输送管和外部的环形保护气通道。图1(c)与(d)的对比，生动阐释了新型内激光同轴送粉与传统外激光同轴送粉在光粉耦合模式上的根本区别，凸显了前者粉末流穿过环形光斑中心、光粉耦合效率更高的设计优势。

图4：通过一系列数值模拟云图，系统地展示了在不同载气（0.2至3 L/min）和保护气（0至30 L/min）流量组合下，粉末流的形态变化。图中清晰可见，随着载气流量的降低和保护气流量的升高，粉末流的发散角显著减小。当载气为0.2 L/min且保护气为30 L/min时，粉末流形态最为理想，发散角可被控制在极小的6°，直观地揭示了工艺参数对粉末束流聚焦性的决定性影响。

本文通过数值模拟与实验相结合的方法，系统研究了内激光同轴环形送粉喷嘴的粉末流特性。研究发现，降低载气流量并提高保护气流量能有效减小粉末流发散角，其根本原因在于改变了粉末颗粒所受的气流曳力，高载气增大横向力，高保护气则显著增强轴向约束力。基于此，研究创新性地设计了气-粉分离器，解决了稳定送粉与粉末聚焦对载气流量的矛盾需求，实现了在2 L/min载气输入下获得近乎理想的聚焦粉末流（发散角约5°）。最终，在此优化工艺下进行的TC4钛合金熔覆实验取得了显著成效，单层多道熔覆层表面光滑无缺陷，粉末利用率高达83.16%，且扫描速度可提升至40 mm/s，为激光直接金属沉积技术的高效、低成本应用提供了有效的新路径。