摘要：Ti-6Al-4V 合金因具备高比强度、低密度及优异的耐腐蚀性，在化工、航空航天、海洋工程和生物医学等领域被广泛应用。激光同轴送丝熔覆技术自动化控制灵活、能量集中、热变形小，材料利用率更高、污染更低，能量分布更均匀，可用于增强构建性能、修复退化零件以及构件增材
研究背景
Ti-6Al-4V 合金因具备高比强度、低密度及优异的耐腐蚀性，在化工、航空航天、海洋工程和生物医学等领域被广泛应用。激光同轴送丝熔覆技术自动化控制灵活、能量集中、热变形小，材料利用率更高、污染更低，能量分布更均匀，可用于增强构建性能、修复退化零件以及构件增材制造等场景。
但是，Ti-6Al-4V 传统加工流程复杂、成本高且耗时长，限制了其高效应用；目前主要应用侧送丝激光熔覆工艺，存在激光对送丝照射不均、送丝方向与位置不稳定、送丝与激光耦合要求严苛等问题。现有针对激光熔覆的研究主要围绕送粉工艺，送丝研究相对匮乏，尤其针对 Ti-6Al-4V 的激光同轴送丝熔覆工艺参数与熔覆几何形状、熔覆过程的关联研究不足。
苏州大学石拓教授及团队在工程技术领域期刊Chinese Journal of Mechanical Engineering上发表了题为“Statistical and experimental study of effects of process parameters on Ti-6Al-4V coaxial wire-feed laser cladding”的研究成果。本文介绍了Ti-6Al-4V激光同轴送丝熔覆过程参数对其影响的实验和统计分析。研究的关键过程参数包括激光功率、送丝速度和激光扫描速度。研究人员采用响应面分析法（RSM）建立了预测模型，将过程参数与堆焊几何尺寸相关联，并通过方差分析（ANOVA）进行了验证。确定了获得所需堆焊宽高比的最佳过程参数。高速摄像机观察提供了不同条件下堆焊过程的洞见。同时还研究了堆焊层的宏观结构和微观结构。
论文图片
图1 三光束同轴激光Ti-6Al-4V合金送丝熔覆实验装置
图2 三光束激光同轴送丝熔覆原理图：(a) 送丝与激光束的空间位置，(b) 熔覆过程示意，(c) 能量分布示意
图3 Ti-6Al-4V 激光送丝熔覆单道熔覆层几何形貌
图4 按标准顺序排列的熔覆层横截面形貌
图5 熔覆层学生化残差的正态概率图：(a) 熔宽，(b) 熔高，(c) 宽高比
图6熔覆层的模型预测值与实测值对比：(a) 熔宽，(b) 熔高，(c) 宽高比
图7 工艺参数对熔覆层宽度影响的扰动图
图8恒定激光扫描速度 5 mm/s、送丝速度 20 mm/s 时，不同激光功率下的熔覆过程：(a) 1400 W，(b) 1600 W，(c) 1800 W
图9恒定激光功率 1.6 kW、送丝速度 20 mm/s 时，不同激光扫描速度下的熔覆过程：(a) 4 mm/s，(b) 5 mm/s，(c) 6 mm/s
图10 激光功率与送丝速度对熔覆层宽度的交互影响：(a)三维表面图，(b)等高线图
图11 工艺参数对熔覆层高度影响的扰动图
图12 激光功率与送丝速度对熔覆层高度的交互影响：(a) 三维表面图，(b) 等高线图
图13 工艺参数对熔覆层宽高比（W/H）影响的扰动图
图14 激光功率与送丝速度对宽高比（W/H）的交互影响：(a) 三维表面图，(b) 等高线图
图15不同扫描速度下熔覆层宏观形貌：(a) Vs = 6 mm/s，(b) Vs = 9 mm/s
图16Ti-6Al-4V 激光同轴送丝熔覆层微观组织的 SEM 图像：(a) 基材区，(b) 熔覆层底部，(c) 熔覆层顶部
关键结论
1. 采用响应面法建立了熔覆层几何特征（包括熔覆层宽度、高度及宽高比）与主要工艺参数的数学模型，模型预测结果与实验测量结果吻合良好。
2. 研究了各参数及其交互作用对熔覆层几何特征的影响。激光功率对熔覆层宽度和宽高比的正向影响最为显著；随着送丝速度的增加，熔覆层宽度略有增大；激光扫描速度对熔覆层宽度和高度呈负向影响，对宽高比呈正向影响；送丝速度对熔覆层高度的正向影响最为显著。
3. 熔覆过程（包括熔池形状和丝材熔化位置）随工艺参数的变化而变化。较高的激光功率会产生更宽的熔池；较低的激光扫描速度会形成更大的熔池；较低的送丝速度和较高的激光功率会导致丝材熔化位置更高。
4. 熔覆层横截面以晶团状和篮网状分布的细小针状马氏体晶粒为主。熔覆层的宏观组织受工艺参数影响，随着激光扫描速度的增加，柱状原始β晶粒的宽度减小。
通讯作者
石拓，工学博士，副研究员，硕士生导师，高级工程师，兼职中国机械工程学会高级会员、增材制造分委会委员。主要从事激光熔覆增材制造核心器件、过程工艺与智能控制的研究。研究领域包括测控技术与自动控制原理；金属增材制造（3D打印）核心光学元件设计；激光熔覆增材制造/再制造工艺研究；激光增材制造过程智能测控系统。
论文引用
Fan Liu, Shaoshan Ji, Tuo Shi, Shihong Shi and Geyan Fu, Statistical and experimental study of effects of process parameters on Ti-6Al-4V coaxial wire-feed laser cladding, Chinese Journal of Mechanical Engineering, (2025)
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来源：江苏激光联盟