2017年由德国提出的超高速激光熔覆技术,突破了传统熔覆的效率瓶颈,通过对熔覆头的精巧设计,调整粉末焦平面与激光焦平面的相对位置以实现激光与粉末路径的最佳耦合,使得在一定线能量输入下,粉末在飞行空间熔化的同时仅在基体表面形成微溶池,在保障冶金结合的基础上,实现粉末利用率85%以上的均匀薄涂层的高效制备。在超高速激光熔覆装备引起广泛关注与跟踪仿制的同时,超高速激光熔覆与传统激光熔覆的沉积行为差异,尤其是超高速激光熔覆准二维熔池的非平衡凝固行为尚不明确。本文基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件,对超高速激光熔覆铁基合金涂层的熔覆过程进行了研究,建立了基于自主研发的环形同轴送粉喷嘴的粉气两相流模型,计算了超高速激光熔覆瞬态温度场和流场。(1)使用多种惰性气体分别作为送粉气气体进行对比。发现氦气的流动速度最快,但喷出送粉口后发散迅速。氮气作为激光器保护气性价比最高。氩气作为载粉气综合性能最优,能够有效覆盖熔覆区域形成抗氧化环境,减少熔覆过程熔覆材料的氧化与过烧现象。载粉气气流量为4-8L/min及粉末颗粒粒径为150-250目左右时,粉末流在送粉头喷嘴垂直向下距离11-13mm位置形成密度较高截面近似菱形汇聚区。(2)超高速激光熔覆在0.015s时,激光的能量输入与基体和熔覆涂层内的能量消耗达到平衡状态。熔池移动前端温度分布较为密集,移动后端随着远离热源中心温度梯度逐渐舒缓,界面生长速度逐渐减小。熔池大小、深度及熔池内最高温度随着激光功率的增大而增长。随着扫描速度的增大熔覆涂层高度降低明显。送粉率越大熔覆层越厚,熔池体积越大,深度也越深。但激光功率大小对熔覆层和基体的穿透效果不明显,稀释率基本保持在基体/熔覆层界面以下30-50μm处。(3)熔池表面流体流动速度较大,整体上呈环流,转流状态在0.007s后呈现前端紧密后端松散的状态。熔池内部的流体流动分布受进入流体内的第五主族活性元素的影响,过多的活性元素会使温度表面张力系数为正时,熔池表面流体由熔池边缘向温度最高处的中心处汇聚,在温度最高处产生自上而下的流动循环。相反,温度张力系数为负,熔池表面流体则由温度最高的中心处向熔池四周发散,在温度最高处产生自下而上的流动循环。受超高速激光熔覆快热急冷的特点影响,熔池深度较浅,阻滞了部分马兰戈尼效应产生的流体回流。