在开放环境中，对用于TC4合金镀层的激光-粉末同通道喷嘴的大气保护机制进行研究

《Optics & Laser Technology》：Investigation of the atmosphere protection Mechanism of Laser-Powder same channel nozzle for TC4 cladding in open environments

提出激光-粉末同通道（LPSC）喷嘴，集成激光、粉末输送和保护气体通道，在开放环境中实现TC4钛合金的高效修复，减少氧氮吸收，保持沉积效率，微观结构均匀，力学性能优异，为复杂工况下的部件修复提供新方案。

　　本研究提出了一种新型的激光粉同通道（LPSC）喷嘴设计，该设计将激光主通道、保护气体通道和粉末输送通道整合为一个统一的出口，从而在开放环境下实现TC4钛合金的高效沉积与修复。TC4钛合金因其优异的强度与重量比、抗腐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空航天、海洋工程和生物医学领域。然而，在长期服役过程中，TC4部件容易受到疲劳裂纹和表面损伤的影响，这会显著降低其结构完整性和安全性。传统修复方法如焊接和机械加工虽然在一定程度上能够修复损伤，但存在诸如热影响区大、修复精度低以及容易引入裂纹等问题，同时还需要对部件进行拆卸，增加了修复成本和时间。

近年来，激光熔覆技术作为一种先进的表面修复手段，逐渐成为TC4钛合金修复的重要方法。该技术具有高精度、热影响区小以及与基材良好的冶金结合等优势。然而，在高温熔覆过程中，TC4合金容易吸收间隙元素，如氧、氮和氢。为了防止这些元素的侵入，通常采用惰性气体封闭的环境。但受限于封闭空间的尺寸，这种方法在修复大型部件时并不总是可行。例如，Bermingham等人在薄壁TC4部件的增材制造过程中使用了半开放的同轴尾罩，并结合氩气以减少高温金属与大气的反应。Ruiz等人提出了一种不对称同轴喷嘴设计，相较于全覆盖对称喷嘴，减少了75%的气体消耗同时保持了类似的保护效果。然而，由于保护气体的定向限制，这类喷嘴的沉积角度相对固定，限制了其在复杂结构修复中的应用。

此外，直接在喷嘴上安装同轴保护罩并利用惰性气体形成气幕进行保护，也是一种主流方法。Fan等人和Cheng等人开发了一种同轴双层保护气体喷嘴，用于在熔池周围生成局部惰性气氛，从而防止熔池受到大气污染。Zhang等人则设计了一种双结构保护喷嘴，用于环形激光熔覆（ALMD）工艺。该双结构喷嘴的设计提高了有效保护直径，使大型部件能够实现多方向沉积。Peijie Lyu设计了一种三层环形同轴罩（TLS），通过多层气体通道形成稳定的气体屏障。尽管这些喷嘴设计在保护性和灵活性方面有所提升，但外部多流场结构增加了喷嘴的复杂性，使其体积更大，容易在复杂结构修复过程中干扰工件。此外，在高热流密度下，外部结构的气流冷却效率低于水冷，从而使得喷嘴更容易受到热侵蚀。因此，开发一种结构简单、能够实现一体化制造的喷嘴设计对于在开放环境下进行复杂形状表面部件的现场修复具有迫切需求。

本研究提出的LPSC喷嘴设计通过将激光通道、粉末输送通道和保护气体通道整合为一个统一的出口，有效解决了传统喷嘴在开放环境下难以实现良好保护的问题。在实验中，使用LPSC喷嘴在开放环境中制备了TC4沉积层，结果表明该沉积层无裂纹和气孔等缺陷，并具有良好的表面质量。通过计算流体动力学（CFD）模拟，研究了LPSC喷嘴的保护机制，并探讨了喷嘴涡流场与保护性能之间的关系。实验和模拟结果表明，在相同的气体流动条件下，圆孔喷嘴的直径直接影响冲击喷流的芯部尺寸。通过将粉末输送通道与保护气体通道结合，LPSC喷嘴能够有效减少氮和氧的吸收率，同时保持沉积效率。具体而言，与传统同轴喷嘴相比，在水平和垂直方向上，LPSC喷嘴的氮吸收率降低了约0.948%，氧吸收率降低了约上百分比。此外，沉积层的微观结构分析显示，LPSC喷嘴处理后的试样中α相（9）的分布较为均匀，且晶格畸变较小，从而实现了78%的基材延伸率，并超过了基材的抗拉强度。

本研究不仅为TC4合金在开放环境下的现场修复提供了新的解决方案，还为航空航天和海洋工程中复杂工况下的功能涂层制备提供了理论支持。LPSC喷嘴设计的引入使得在不依赖封闭保护气体的情况下，仍能够实现高质量的沉积层，为现场修复和复杂结构制造带来了新的可能性。通过优化喷嘴内部流场，研究团队成功提升了沉积效率和保护性能，同时简化了喷嘴结构，降低了对工件的干扰。这种创新设计在实际应用中具有显著的优势，特别是在需要快速修复和现场制造的场景下，能够有效提升生产效率和产品质量。

在材料准备方面，本研究使用了一种光纤耦合二极管激光系统（DAC4000），其波长为1060 nm，用于TC4合金的增材制造实验。为确保沉积过程的稳定性，研究团队专门开发了一种喷嘴，并将其与激光熔覆头结合使用。整个运动过程由六轴数控系统（QJR20-1600）进行控制，以实现精确的沉积路径和均匀的粉末分布。此外，实验中使用的保护气体为高纯度氩气，以确保熔池在开放环境下不受外界污染。实验装置的示意图如图1a所示，其中详细展示了喷嘴的结构和工作原理。

在沉积外观和特性方面进行了系统研究。图3展示了LPSC喷嘴在垂直和水平平面以及传统同轴粉末输送喷嘴在平面表面上沉积层的外观。表面形貌通过共聚焦测量图像和金属显微截面进行分析。对于LPSC喷嘴沉积的层，由于TC的银白色表面在共聚焦成像时会反射镜头颜色导致图像呈现黑色。图3a展示了沉积层的横截面，进一步揭示了其微观结构和沉积质量。通过对比分析，可以发现LPSC喷嘴在沉积层的均匀性和致密性方面优于传统喷嘴，从而提升了整体的修复效果。

在LPSC喷嘴的保护机制方面，研究团队通过CFD模拟进一步探讨了其工作原理。对于直径在2–6 mm之间的喷嘴，可以通过雷诺数公式计算其流动特性。雷诺数的计算涉及流体密度、动态粘度、特征速度和特征长度。其中，特征长度为喷嘴孔径的直径，并且计算得到的雷诺数均远大于临界值2000，表明在喷嘴出口处的流动状态为湍流。图示显示，对于圆形孔喷嘴的冲击喷流，其涡流场的分布对保护性能具有重要影响，并且通过优化喷嘴内部流场，可以有效提升保护效果。通过实验和模拟，研究团队进一步验证了LPSC喷嘴在开放环境下的保护能力，并发现其在减少氮和氧的吸收方面具有显著优势的同时，并未牺牲沉积效率和表面质量。

在结论部分，研究团队总结了实验和模拟结果，指出LPSC喷嘴设计在开放环境下实现了TC4钛合金的高效沉积与修复。通过对比传统喷嘴，LPSC喷嘴在减少元素吸收率、保持沉积效率以及提升微观结构和机械性能方面表现出色。此外，该喷嘴设计在不依赖封闭保护气体的情况下，仍能够实现良好的保护效果，并且通过简化喷嘴结构，降低了对工件的干扰。研究结果表明，LPSC喷嘴在复杂结构修复和现场制造中具有显著的优势，为未来TC4合金的应用提供了新的思路和方法。

在作者贡献方面，研究团队明确了各成员在项目中的具体职责。Quanhang Zheng负责项目管理、资金获取、数据管理和概念设计；Gaolin Yang和Zhao Yong负责数据管理和概念设计；Tanlia Liu也参与了数据管理和概念设计；Hubert Danielewski负责监督和项目管理；Ming Song、Yong Hu、Zhehe Yao和Xiaoyu Ding都参与了数据管理和概念设计；Jianhua Yao则负责数据管理和概念设计。各成员在项目中分工明确，共同推动了LPSC喷嘴设计的研究与应用。

在利益冲突声明中提到，作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的报告。研究团队在实验和模拟过程中保持了高度的独立性和客观性，确保研究结果的可靠性和有效性。此外，研究团队还对代码可用性、伦理审批、参与同意和出版同意等方面进行了说明，以确保研究的透明性和合规性。

本研究的成果得到了多项基金的支持，包括中国国家重点研发计划（Grant No. 2023YFB4604300）、浙江省重点研发计划（Award Number: ZZGB2）、以及浙江省自然科学基金（Award Number: LQ24E0500）。这些资金的投入为研究提供了必要的资源和保障，使得LPSC喷嘴设计能够顺利进行实验和模拟。通过这些研究，团队进一步验证了LPSC喷嘴在开放环境下的适用性，并为其在实际应用中的推广奠定了基础。

综上所述，本研究提出的LPSP喷嘴设计在TC4钛合金的现场修复和功能涂层制备中具有重要价值。通过整合激光、粉末和保护气体通道，该喷嘴在开放环境下实现了良好的保护性能，同时保持了较高的沉积效率和表面质量。实验和模拟结果表明，在相同的气体流动条件下，圆孔喷嘴的直径直接影响冲击喷流的芯部尺寸，并且通过优化喷嘴内部流场，可以有效提升保护效果。此外，LPSC喷嘴在减少氮和氧的吸收率方面表现出色，同时未牺牲沉积效率和机械性能。这种创新设计不仅为TC4合金的现场修复提供了新的解决方案，也为未来在复杂工作条件下的制造和修复技术发展提供了重要的理论支持和实践指导。
这一研究对于推动TC4合金在开放环境下的应用具有重要意义，特别是在航空航天和海洋工程领域，需要在复杂工况下进行现场修复和功能涂层制备。通过优化喷嘴设计，研究团队成功解决了传统方法在开放环境下保护性能不足的问题，同时提高了沉积效率和表面质量。LPSC喷嘴的引入为现场制造和修复技术的发展提供了新的思路，使得在不依赖封闭保护气体的情况下，仍能够实现高质量的沉积层。这一成果不仅有助于提高TC4合金的修复效率和质量，还为未来在复杂结构和环境下的制造和修复技术提供了重要的参考价值。