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非晶合金具有高硬度、高强度和高耐蚀性等优异性能,采用激光熔覆制备非晶合金涂层具有广阔的应用前景。激光熔覆时,熔池存在传热、对流、传质、扩散和固-液、气-液界面反应等复杂物理现象,影响非晶组织的形成。激光熔覆熔池监测困难,数值模拟已经成为了追踪激光熔覆温度场和流场的重要手段。本文利用FLUENT软件建立了激光熔覆物理模型和数学模型,并通过用户自定义函数(UDF)编写了移动热源、材料热物性参数等计算模块。根据粉末预置式激光熔覆熔覆层是上厚下薄的双椭圆形状,提出了用于矩形光斑热源的椭圆平面热源模型。激光熔覆温度场模拟结果标明,当激光功率3500W、扫描速度400mm/min时,激光熔池0.5s达到准稳态后温度场分布具有明显的拖尾现象。凝固过程中,从熔池底部到表面,温度梯度从3.6×10~5K/m减小到1.3×10~4K/m,最高冷却速率从9.7×10~3K/s逐渐上升到9.4×10~4K/s。随着激光功率增大,最高温度和稀释率逐渐增大,激光熔池边缘节点的温度梯度和冷却速率逐渐减小。随着扫描速度的增大,最高温度和稀释率逐渐减小,激光熔池边缘节点的温度梯度和冷却速率逐渐增大。由快速凝固理论知,熔体的凝固方式及凝固后的组织形貌由形状控制因子G/R决定,凝固后的组织尺寸由冷却速率ε_c决定。从熔池底部到顶部,G/R由7×10~8K·s/m~2降低到9×10~6K·s/m~2,降低幅度慢慢变小,而ε_c从9.7×10~3K/s增长到9.4×10~4K/s,增长幅度越来越大。随着G/R的下降和ε_c的增大,激光熔覆非晶涂层凝固显微组织依次出现了平面晶、树枝晶、无组织特征区域和细小等轴晶区。激光熔覆流场模拟结果标明,当激光功率为3500W、扫描速度为400mm/min时,熔池内流体流动主要分布在纵截面内,形成对流机制,熔池后端涡流明显较大。激光熔池内熔体流动速度在熔池下部z=0.04mm处出现了一个峰值0.18m/s,最大速度0.46m/s出现在熔池表面。随着激光功率的增大,激光熔池下部流体最大流动速度由0.13m/s逐渐增大到0.21m/s。随着扫描速度的增大,激光熔池下部流体最大流动速度由0.13m/s逐渐增大到0.19m/s。熔池下部流体最大流速位置距底端的距离随扫描速度的增大而减小,与外延生长层实测距离基本吻合。外延生长层的冷却速率随厚度的减小而增大。由此可知,当熔覆材料成分一定时,熔池底部外延生长层的突然中断是熔体流动和冷却速率综合作用的结果。