激光熔覆多物理场耦合仿真研究：模型构建与工艺优化分析

    在增材制造技术快速发展的背景下，激光熔覆作为核心工艺之一，其过程涉及传热、流体流动、相变等多物理场的复杂耦合作用。通过数值仿真揭示这些物理场的作用规律，对优化工艺参数、提升熔覆质量具有重要理论与实践意义。本文基于COMSOLMultiphysics平台，系统解析激光熔覆多物理场耦合仿真的实现路径及应用价值。

    仿真背景与核心目标
    激光熔覆技术通过高能激光束使合金粉末与基体表面同步熔化，形成冶金结合的功能涂层，广泛应用于零部件修复及表面强化领域。该过程中，激光热源的局部加热引发熔池内剧烈的热对流与物质扩散，伴随固液相变及熔池自由表面变形，多物理场的耦合机制直接影响熔覆层的成分均匀性与成型精度。
    数值仿真的核心目标在于：通过构建多场耦合模型，量化分析温度场分布、浓度场演化、熔池动态特征及网格变形规律，为激光功率、扫描速度等关键工艺参数的优化提供可量化的理论支撑。

    精细化模型构建策略
    几何建模与网格设计
    仿真采用长方体基体几何模型，激光沿上表面预设路径扫描。为平衡计算精度与效率，网格划分采用“区域差异化”设计策略：整体采用四面体网格，对激光作用区域（上表面）进行局部细化，确保熔池边界及温度梯度剧烈区域的计算准确性。经网格独立性验证，当细化网格对结果影响小于5%时，可判定网格精度满足仿真需求。

    多物理场耦合体系
    构建涵盖动网格、传热、流体流动与物质传递的耦合体系，各物理场的作用机制具体如下：
    动网格（ALE方法）：通过自由变形算法及网格位移控制，动态追踪熔池自由表面的形态变化，避免因熔池流动导致的网格过度扭曲，保障计算稳定性。
    流体传热模块：耦合热传导、对流与相变潜热效应，采用液相率模型描述固液转变过程。边界条件设置中，上表面施加高斯分布激光热通量，侧面及底部设置为热绝缘边界，以减少环境热损失。
    湍流模型（kε）：模拟熔池内由表面张力梯度（马兰戈尼效应）与浮力驱动的湍流流动，精准捕捉熔池内的速度场分布。
    稀物质传递模块：求解合金元素的对流扩散方程，通过设置固体区无通量边界，聚焦熔池内的物质迁移规律，揭示浓度偏析机制。

    仿真结果的关键发现
    温度场与熔池特征
    仿真结果表明，激光作用区形成局部高温熔池，峰值温度可达2500K以上，热影响区呈现显著的温度梯度。从三维视角观察，高温区域沿激光扫描路径呈狭长分布，验证了热源局部加热的特征。温度梯度的空间差异直接影响凝固组织形态，快速冷却区域易形成细晶组织，而缓冷区域可能出现粗大晶粒。
    浓度场与偏析现象
    熔池内浓度分布呈现显著的非均匀性：湍流对流使合金元素在熔池边缘富集，形成由蓝到红的浓度梯度。该偏析现象与温度场存在强耦合——高温区扩散系数增大，加速元素迁移，而熔池边缘的快速凝固则抑制了元素均匀化。仿真结果为通过调整扫描速度控制冷却速率、减轻偏析现象提供了量化参考。
    熔池动态演化规律
    基于液相率分布的瞬态分析结果表明，熔池在激光作用下经历“快速扩展稳定维持逐步凝固”的动态过程。在346ms时刻，液相率=1的熔融区域与周边固相区形成清晰边界，其形态参数（宽度、深度）与激光功率呈正相关关系，与扫描速度呈负相关关系。这一发现为通过参数匹配控制熔覆层几何尺寸提供了直接依据。

    工艺优化与模型展望
    仿真结果证实，多物理场耦合模型可有效预测激光熔覆过程中的关键特征参数。通过调整激光功率密度与扫描速度的匹配关系，可实现对熔池温度场、浓度场的主动调控：例如降低激光功率或提高扫描速度，可缩小热影响区范围，减轻基体性能劣化；优化扫描路径则能改善浓度偏析，提高熔覆层成分均匀性。
    未来模型改进可聚焦于三个方向：一是引入焓法相变模型与大涡模拟（LES）湍流模型，提升瞬态过程的预测精度；二是结合红外测温、电子探针等实验手段，实现温度场及浓度场的定量验证，增强模型可靠性；三是拓展至多道次熔覆仿真，模拟层间热力耦合效应，更贴合实际生产场景。
    激光熔覆多物理场耦合仿真的价值，在于将复杂的物理过程转化为可量化的参数关系，为从“经验试错”到“精准调控”的工艺升级提供坚实的理论支撑。