送粉式激光增材制造是增材制造领域的研究热点，在航空航天、海洋船舶、汽车、医疗、机械制造等领域得到广泛应用^[1-2]。激光熔覆是送粉式激光增材制造的技术基础，激光束辐射基体表面形成熔池，同时，由送粉喷嘴输出的粉末颗粒到达熔池表面，完成质量的添加^[3-4]。送粉喷嘴的结构决定了粉末颗粒对熔池质量添加的分布形式，合理的送粉喷嘴结构对于成形的尺寸和精度具有重要影响^[5-6]。

随着光束转化技术的发展和大功率半导体激光器的普及，宽带激光熔覆和成形已经在很多领域中得到应用^[7-8]。为了得到提高成形精度和质量，粉末流的浓度分布应与激光束的能量密度分布相匹配^[9]，但针对宽带激光熔覆的粉末喷嘴结构和粉末流的研究还很少见。对于高斯光斑的激光熔覆，送粉喷嘴多为同轴的环形或多路孔结构^[10-11]，但输出的粉末流不适用于宽带熔池。一种基于细长矩形通道的结构被用于宽带送粉喷嘴，但粉末流发散情况较为严重^[12]。采用多通道出口结构可实现粉末流在垂直扫描方向的宽带要求，但粉末流在该方向的浓度分布不均匀^[13]。

针对上述问题，本文设计一种针对宽带激光熔覆和增材制造用的侧向送粉喷嘴结构，采用并排的多通道出口降低粉末流发散角过大的问题，通过添加喷嘴内部分流圆柱，实现粉末流在垂直扫描方向的浓度均匀性的调节，并通过数值模拟方法对喷嘴结构进行优化。进行激光熔覆实验，制备宽带涂层，涂层厚度均匀、表面平整，验证了该喷嘴结构的合理性。

1 实验设备和数值模型 1.1 实验设备和材料

本研究采用DPSF-2型双料筒刮板式送粉器，采用氩气作为载粉气体，粉末经过烘干处理，颗粒的粒径分布为45~125 μm，密度为8 750 kg/m³。送粉参数为气流量2 L/min，送粉率6 g/min，入口处气压0.3 MPa。粉末颗粒在载粉气体的作用下由送粉器输出，经过送粉管输送到送粉喷嘴中，射出后形成粉末流场。

使用相机拍摄粉末输运情况，为达到更好的拍摄效果，设计制作含透光狭缝的暗箱。送粉喷嘴通过特定通道在暗箱内进行送粉，强光源通过狭缝射入，照射在粉末颗粒上，在粉末表面发生反射，位于另一方向的拍摄设备通过拍摄孔对粉末流场进行拍摄。

1.2 数值模型

激光熔覆粉末流是一个气固两相流模型，气体视为连续介质，其中粉末颗粒所占的体积比远小于10%，可采用离散相模型描述颗粒行为。通过建立颗粒轨道模型、求解颗粒运动学方程可获得粉末流的分布。

对于连续介质，可由质量和动量守恒方程描述。质量守恒方程写为

$ \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {u_i}} \right) = 0, $

(1)

式中：ρ为气体密度，x_i和u_i分别代表位置分量和速度分量。

惯性坐标系中的动量守恒方程

$ \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {u_i}{u_j}} \right) = - \frac{{\partial P}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {\tau _{ij}}}}{{\partial {x_j}}} + \rho {g_i} + {S_i}, $

(2)

式中：P为静压，g_i为重力，S_i为源项，τ_ij为应力张量的分量，由下式给出：

$ {\tau _{ij}} = \left[ {\left( {\mu + {\mu _t}} \right)\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)} \right] - \frac{2}{3}{\mu _t}\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}}{\delta _{ij}}, $

(3)

式中：μ为气体的动力黏度，δ_ij为狄拉克算子，当i=j时δ_ij=1，当i≠j时δ_ij=0。

离散相颗粒轨迹的拉氏坐标系下的受力平衡微分方程为

$ \frac{{{\rm{d}}\;{u_{{\rm{P}}i}}}}{{{\rm{d}}t}} = {F_{\rm{D}}}\left( {{u_i} - {u_{{\rm{P}}i}}} \right) + \frac{{{g_i}\left( {{\rho _{\rm{P}}} - \rho } \right)}}{{{\rho _{\rm{P}}}}} + {F_i}, $

(4)

式中：1/F_D表示颗粒的松弛时间droplet or particle relaxation time，F_D(u_i-uP_i)为颗粒的单位质量拽力，1/F_D表示颗粒的松弛时间，可表示为

$ {F_{\rm{D}}} = \frac{{18\mu }}{{{\rho _{\rm{P}}}d_{\rm{P}}^2}}\frac{{{C_{\rm{D}}}Re}}{{24}}, $

(5)

式中：u_Pi为颗粒速度，F_i为附加力，u为流体项速度，d_P为颗粒直径，ρ_P为颗粒密度(也称为骨架密度)，Re为相对雷诺数(颗粒雷诺数)，其定义为

$ Re = \frac{{\rho {d_{\rm{P}}}\left| {{u_{\rm{P}}} - u} \right|}}{\mu }. $

(6)

拽力系数C_D采用如下的表达式

$ {C_{\rm{D}}} = {a_1} + \frac{{{a_2}}}{{Re}} + \frac{{{a_3}}}{{Re}}, $

(7)

式中：a₁、a₂、a₃为常数。

2 送粉喷嘴结构设计和优化

为了实现宽带激光熔覆，需设计送粉喷嘴结构，使粉末流在工作面上形成浓度均匀的宽带分布。为描述方便，本文中假定竖直方向为z方向，在扫描平面内，沿扫描方向为x方向，垂直扫描方向为y方向。本研究中采用的激光光斑在长4.6 mm，宽0.12 mm的细长矩形范围内能量密度均匀分布，因此粉末流在y方向的分布范围应大于4.6 mm，且粉末流浓度分布均匀。理论上粉末流在x方向的尺寸分布则越小越好，考虑粉末颗粒的粒径分布、送粉管道对粉末颗粒的运输能力，以及送粉喷嘴定位精度问题，建议该尺寸为1 mm左右。

圆形管道容易实现连接和密封，具有最小的流动阻力系数，被广泛应用于气体和流体的输运，也是粉末颗粒的输运管道形式。采用最简单的圆管作为送粉喷嘴，输出的粉末流如图 1所示，可以看到圆形出口送粉喷嘴输出的粉末流发散角较小(< 5°)，但由于其中心对称的结构特征，无法满足宽带激光熔覆对沉积宽度和均匀性的要求。

为了与宽带激光束的形状进行匹配，采用矩形出口结构。喷嘴的入口要与送粉管连接，采用内径3 mm的圆形结构，逐渐过渡为1 mm×5 mm的矩形结构，并保证足够的矩形通道长度，如图 2(a)所示。由于喷嘴几何结构的不对称性，粉末流的浓度分布在长宽方向上的差异性较大，粉末流拍摄实验的结果如图 2(b)和图 2(c)所示。矩形出口送粉喷嘴产生的粉末流在y方向的有限范围内分布均匀，发散角度很小，但在x方向的发散角却很大，不仅会极大地降低粉末利用率，也会影响涂层的沉积质量。

图 3为粉末颗粒轨迹的数值模拟结果，颜色表示粉末颗粒的运动速度。与实验结果一样，粉末颗粒在x和y方向上的运动差异较大。这是由于粉末流从喷嘴出口射出后，会与周围的空气质点相互碰撞，由于氩气和粉末颗粒的速度较高，会夹带着周围的空气质点一起向前运动，即对周围的空气产生“卷吸”作用。随着射流流程的增加，周围的空气不断被卷入，射流断面逐渐增加，粉末流进行发散。由矩形出口输出的粉末流与周围空气质点的碰撞主要发生在yz平面内，因此粉末颗粒在x方向上发散角较大。

在避免在x方向上过度发散的情况下，为保证粉末流在y方向上有足够宽的尺寸，喷嘴采用单通道圆形入口，多通道并排圆形出口的结构，如图 4(a)所示，喷嘴入口仍采用内径为3 mm的圆形结构，并排的圆形出口内径为1 mm。粉末颗粒进入喷嘴中，初速度多垂直于入口，由于载粉气体在喷嘴腔内部无法形成对流，粉末颗粒受到的气体扰动较小，颗粒运动轨迹多沿着入口处的速度和方向发展，一般情况下中间两个通道的粉末浓度分布高，而两侧通道内的粉末浓度分布低，如图 5所示。但中间通道的粉末流浓度过高，粉末颗粒堆积在送粉管道内，可导致中间两个送粉通道的堵塞，此时，粉末颗粒只从边缘的送粉通道输出，如图 4(b)所示。

3 送粉喷嘴结构优化

为解决粉末流浓度在y方向上分布的均匀性问题，借助圆柱绕流原理，设计含内部圆柱构件的多通道出口结构的送粉喷嘴，喷嘴结构和主要尺寸如图 6所示。氩气从入口进入喷嘴内部，由于圆柱的阻碍作用，气体压力逐渐升高，在圆柱前缘，从自由流动压力升高到一个最大值，称为停滞压力。在高压的作用下，圆柱表面正在形成的气体边界层沿圆柱表面扩展，发生流动分离现象。粉末颗粒在氩气的拖拽力作用下，运动轨迹也会由中心向两侧偏移，从而调整4个圆柱通道内的粉末流浓度。

圆柱尺寸对气体的流场分布具有重要的影响，进而影响粉末流浓度分布。建立离散相模型，研究圆柱尺寸对粉末流浓度分布的影响。图 7为不同圆柱直径作用下，粉末流在喷嘴内部的浓度分布模拟结果。可以看到，圆柱直径为0.5 mm时，粉末流在中间通道的浓度高于两侧通道的浓度；当圆柱直径为1.5和2 mm时，粉末流在中间通道的浓度低于两侧通道的浓度。这是由于气体发生绕流时，圆柱直径越大，气体向两侧的速度分量越大，所形成的扰动范围越广，粉末颗粒流向两侧的趋势越显著。当圆柱直径为1 mm时，4个通道内的粉末流浓度分布均匀，可送出在扫描宽度方向上分布均匀的粉末流。根据优化后的尺寸，定制送粉喷嘴，进行粉末拍摄实验，如图 8所示。

采用1Cr13不锈钢材料作为基体，熔覆粉末材料为Ni45，在4.6 mm×0.12 mm的线光斑激光扫描作用下，进行熔覆实验。采用图 6中的含内部整流圆柱的多通道送粉喷嘴进行同步送粉，可沉积出宽带熔覆层。激光功率为600 W，扫描速度为2 mm/s时，宽带涂层如图 9所示。图 9(a)为单道宽带熔覆层的表面形貌，图 9(b)为单道涂层的横截面形貌，可以看到，涂层表面光洁，无裂纹和夹杂，在扫描宽度方向上非常的平整，厚度均匀，约为50 μm。

4 结论

本文提出一种适用于宽带激光直接沉积的新型送粉喷嘴结构，能够输出浓度分布均匀的宽带粉末流，沉积出表面平整、厚度均匀的宽带涂层。

1) 相比于普通的矩形出口喷嘴，该喷嘴采用多通道出口结构，实现对扫描方向上粉末流的发散角控制。

2) 在喷嘴内部添加分流圆柱，可改变喷嘴内部的气压和流场分布，使气体和粉末颗粒的运动轨迹发生改变，从而避免中间通道粉末流浓度过高和通道堵塞问题；使用数值模拟方法对分流圆柱的尺寸进行优化，可实现对粉末流浓度分布均匀性的调整。