鈦合金依靠其優異的比強度與耐腐蝕性，廣泛應用于航空發動機葉片、飛機框架等關鍵部件[1]，而激光熔覆技術作為增材制造領域的重要技術分支，能通過高能量密度激光，實現金屬粉末的原位熔化與沉積，所以在鈦合金構件的修復和直接制造中，優勢顯著[2]。然而，該工藝中鈦合金粉末效率(定義為沉積體積與送粉體積的比值)存在顯著波動，不同鈦合金體系的效率范圍為77.5%~85%，這一現象嚴重制約了工藝穩定性與材料利用率，成為阻礙其工程化應用的關鍵瓶頸[3]。研究表明，粉末效率的波動與粉斑直徑、熔池溫度場及流動行為的協同作用密切相關，其中熔池流速作為連接激光能量、材料行為與工藝參數的核心媒介，對粉末熔化效率與沉積均勻性起決定性作用[4]。例如,Ti60在5.79mm/s的熔池流速下可實現85%的粉末效率，而TC4(Ti-6Al-4V)因熔池流速僅4.91mm/s,效率降至77.5%，但目前針對鈦合金體系中熔池流場的多尺度調控機制仍缺乏系統性認知,亟需從材料本征屬性角度展開深入研究[5]。

激光熔覆中，熔池流動的主導驅動力為Marangoni對流，其強度由表面張力溫度系數(dT與馬蘭戈尼對流數(Ma)共同決定[6]。Kou[7]的研究發現，流體流動在焊接過程中扮演關鍵角色，尤其是Marangoni對流對熔池流場和材料行為具有顯著影響。這一觀點與本研究的發現高度一致，即鈦合金激光熔覆中熔池流速(如純Ti5.88mm/s、Ti605.79mm/s)和粉末效率的差異直接受Marangoni對流強度調控。此外，Kou強調了合金元素對表面張力溫度系數的抑制作用，與本研究中TC4因含Al、V元素導致熔池流速最低(4.91mm/s)的結論相呼應,共同印證了材料本征屬性對熔池流動行為的決定性作用。

DebRoy[8]研究發現,金屬增材制造過程中,工藝參數與材料特性共同影響熔池的熱-流耦合行為,進而決定沉積組織的結構與性能。強調了熔體粘度和表面張力梯度對流動行為的關鍵作用，揭示了材料本征屬性在多因素協同機制中的基礎性地位。

Zhao[9]揭示了熔池動態行為的多物理場耦合機制,在空心激光定向能量沉積中,熔池溫度場和流場受工藝參數顯著影響。Marangoni對流強度與表面張力溫度系數正相關，熔體粘度主導流動阻力。激光功率從1500W增至2000W時，熔池最高溫度提升12%,中心流速從4.2增至6.8mm/s。合金元素(如Al、V)會降低表面張力梯度，使流速減少15%~20%。此外，熔池長度超過8mm時會引發渦流分離，增加粉末飛濺風險。

本研究中，純Ti熔池呈現強環形對流，而TC4表現出低流速特征，進一步說明材料本征屬性對熔池流場的調控作用[10]。基于當前對鈦合金激光熔覆中多因素耦合機制研究的不足，本文以純Ti、TC4及Ti603種鈦合金粉末為對象，結合高速攝影、紅外測溫和示蹤粒子法，探究粉斑直徑、熔池溫度、熔池流速及送粉體積對粉末效率的影響機制，揭示各因素協同作用規律，為提升激光熔覆鈦合金工藝穩定性與材料利用率提供理論支撐。

1、實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗選用3種鈦合金粉末作為研究對象,分別為純Ti、TC4(Ti-6Al-4V)和Ti60,均通過氣霧化法制備,粒度分布范圍為53~106μm。3種粉末的化學成分(質量分數)如表1所示,其中TC4主要含6.0%Al和4.0%V,Ti60則含5.6%Al、3.8%Sn、3.2%Zr及少量Ta、Mo、Nb、Si元素，純Ti不含合金元素。

本實驗用的基材是TC4鈦合金板材，尺寸規格是70mmx40mmx10mm。要確保后續熔覆實驗的質量,實驗開始前需要對基材及粉末做預處理,具體步驟如下，基材表面處理:第一步先用NaOH溶液去除表面的油污，然后用酸性溶液清除掉表面的氧化層,之后再用砂紙把基材表面打磨平整,最后用丙酮或乙醇清洗一遍，將殘留的雜質清理干凈。粉末處理:將3種粉末放進真空干燥箱中,在120℃的條件下干燥8h,主要是為了消除粉末中的水分,防止后續熔覆過程中，因為水汽產生氣孔，影響實驗效果。

表1 純Ti、TC4和Ti60合金粉末的化學成分(質量分數，%)

1.2 實驗設備及參數

實驗采用HLAAM10紅/藍激光-CMT電弧復合3D打印系統作為核心激光熔覆設備,該系統可實現金屬粉末送粉、激光熔化沉積過程的一體化控制(示意圖見圖1)。為觀測熔覆過程中的動態行為，配備以下輔助設備:高速攝影系統(Acuteye V4.0):用于捕捉粉斑形態及熔池動態變化;紅外測溫系統(VICTEKNIX·Weld Master 3 Pro):用于實時監測熔池溫度場分布。

激光熔覆過程的工藝參數設定如下:激光功率為1800 W、激光光斑直徑為2mm、掃描速度為4mm/s、送粉速率為1.2g/min,保護氣體采用純Ar氣體進行惰性保護，氣流量為18L/min。

1.3 測量方法

粉斑直徑測量:利用高速攝影系統(幀率4000幀/秒,曝光時間25μs)拍攝粉末流匯聚后的形態，通過圖像分析軟件測量粉斑直徑,表征粉末流的聚焦性與穩定性。

熔池溫度測量:采用紅外測溫系統(VICTEKNIX·Weld Master 3 Pro)記錄熔覆過程中熔池的溫度分布,采集熔池最高平均溫度及溫度梯度數據。

熔池流動行為觀測:通過示蹤粒子法(在粉末中混入微量高熔點惰性示蹤粒子),結合高速攝影系統追蹤粒子在熔池內的運動軌跡，計算熔池前部、中部的平均熔池流速分析熔池流場特性。

粉末效率(Powder efficiency,PE)計算:通過測量熔覆層的幾何尺寸(長度、寬度、高度)計算沉積體積(V沉積=LxS,其中L為熔覆層長度,S為熔覆層橫截面積),結合送粉體積(V送粉=mxt/p,其中m為送粉質量,t為送粉時間,ρ為粉末密度),按公式PE=(V沉積/V送粉)x100%計算。

2、結果

2.1 粉末動態行為

粉末流動的高速攝影結果如圖2所示。3種粉末的匯聚性均較好。純Ti、TC4和Ti60的粉斑直徑分別為1.83、1.75和1.90mm。其中,TC4粉斑直徑最小,邊緣模糊,存在粉末飛濺或偏離中心現象;Ti60粉斑直徑最大，粉末流穩定性好，形狀規則，邊界清晰。

2.2 熔池溫度場和流場

激光熔覆過程中熔池溫度紅外測溫結果如圖3所示。純Ti、TC4和Ti603種材料的熔池長度分別為7.38、7.06和7.21mm;純Ti、TC4和Ti603種材料的熔池高度分別為4.46、4.75和4.70mm。TC4的高溫區域最小而純Ti的高溫區域最大。3種材料的熔池最高溫度的平均值排序為純Ti(2037℃)>Ti60(2002℃)>TC4(1957℃)。

熔池流動示蹤粒子結果如圖4所示。熔池內的示蹤粒子均從高溫區域流向低溫區域，呈現明顯的Marangoni對流。純Ti、TC4和Ti603種材料熔池前部的平均熔池流速分別為6.98、6.86和7.31mm/s。純Ti、TC4和Ti603種材料熔池中部的平均熔池流速分別為5.88、4.91和5.79mm/s。

2.3 熔覆成型與粉末效率

熔覆實驗中,粉末效率(Powder efficiency,PE)是衡量粉末利用率的重要指標,其計算方法為沉積體積與送粉體積的比值。3種材料的粉末效率計算結果如圖5所示，Ti60的粉末效率最高，為85.0%，TC4的粉末效率最低，為77.5%。實驗結果表明，3種材料粉末在粉末流動、熔池對流和粉末利用率方面存在明顯差異。

沉積層俯視圖與橫截面圖如圖6所示,3種材料成型良好，無缺陷產生。純Ti、TC4和Ti603種材料沉積層的高度分別為1.97、1.46和1.23mm,寬度分別為6.56、6.54和6.71mm，結果如圖7所示。

3、討論

3.1 粉末特性對熔池熱對流的影響機制

合金元素對鈦合金激光能量吸收的影響與元素自身的光學特性密切相關，合金元素對紅外激光1064 nm的反射率存在顯著差異(如圖8a),其中Al是典型的高反射金屬，對該波長激光的反射率可達85%以上,遠高于Ti的65%~70%;V元素的反射率略低于Al,但仍高于Ti,而Sn、Zr的反射率與Ti接近[11]。因此，合金中高反射元素的含量越高，整體反射率越高，激光能量的吸收率越低。

3種鈦合金中,TC4含6.0%Al(如表1所示),是高反射元素含量最高的體系,Ti60含5.6%的Al及低反射的Sn、Zr,純Ti無合金元素干擾。因此,激光能量的有效吸收率排序為:純Ti>Ti60>TC4,這直接導致熔池溫度呈現純Ti(2037℃)>Ti60(2002℃)>TC4(1957℃)的差異。

比熱容是另一關鍵熱學屬性,TC4因含Al、V元素,比熱容達544J/(kg·K),較純Ti高出4.6%。3種鈦合金的比熱容大小趨勢為TC4>Ti60>純Ti(如圖8b),熔池峰值溫度呈現純Ti(2037℃)>Ti60(2002℃)>TC4(1957℃)的排序,兩者高度吻合[12]。所以比熱容對熔池熱積累起決定性作用。純Ti的比熱容 520 J/(kg·K)和 Ti60的比熱容 530 J/(kg·K)相對較低,激光能量更易轉化為熔池熱能。純Ti無合金元素干擾,熱吸收效率最高,熔池溫度達到最高;Ti60雖比熱容略高于純Ti,但 Sn、Zr元素優化了熱傳導路徑,部分抵消了比熱容的微弱劣勢,使熔池溫度僅比純 Ti低 35℃,仍顯著高于 TC4。這種溫度差異直接影響了熔池的熱狀態,進而對Marangoni對流強度產生影響[13]。

Marangoni對流的驅動力可通過公式(1)定量描述:

式中: τ_ma 為 Marangoni剪切應力(單位: N/m²), γ 為表面張力(單位:N/m), T為溫度(單位:K), s為沿界面的坐標(單位:m)。公式(1)表明, Marangoni剪切應力由表面張力的溫度梯度(?γ/?T)與溫度沿界面的梯度(?T/?s)共同決定。

對于鈦合金體系, (?γ/?T) 為負值(表面張力隨溫度升高而降低),溫度沿界面的梯度越大, τ_ma 的絕對值越高, Marangoni對流驅動力越強。 3種鈦合金的 (?γ/?T) 存在顯著差異:純 Ti無合金元素干擾, (?γ/?T) 絕對值最大(約-0.32 mN/(m·K)),且其熔池溫度分布不均,溫度沿界面的梯度大; Ti60因含 Sn、 Zr元素, (?γ/?T) 絕對值略低于純 Ti(約-0.28 mN/(m·K)),溫度沿界面梯度也次之;TC4因Al、V元素抑制 (?γ/?T) (絕對值降至-0.19 mN/(m·K)),同時熔池溫度相對均勻,溫度沿界面梯度小。雙重因素作用下,純 Ti的 τ_ma 絕對值最大, Marangoni對流驅動力最強;TC4的 τ_ma 絕對值最小,驅動力顯著降低。

3.2 溫度梯度與表面張力特性對馬蘭戈尼對流及粉末效率的影響

表面張力(σ)的溫度依賴性是驅動 Mangani對流的核心,其關系可通過表面張力與溫度的線性擬合方程(2)描述。

式中: σ₀ 為參考溫度 T₀ (本研究取熔點溫度)下的表面張力(單位: mN/m), (?σ/?T) 為表面張力溫度系數(單位: mN/(m·K)), T為熔池的溫度(單位:K)。對于鈦合金體系, (?σ/?T) 為負值 (?σ/?T < 0),表明表面張力隨溫度升高而降低,這是形成高溫區向低溫區流動的Marangoni對流的前提[14]。 3種鈦合金的表面張力結果如圖9(a)所示。

Marangoni對流的強度本質由溫度梯度(ΔT,熔池最高溫度與熔點的差值)決定。結合馬蘭戈尼數公式如式(3)所示:

由式(3)可知,當 (?σ/?T)、X(熔池特征長度)、μ(動態粘度)、α(熱擴散系數)等參數相對穩定時,溫度梯度 ΔT 成為影響 Ma值的主導變量: ΔT 越大, Ma值越高, Marangoni對流越強。

本實驗中, 3種鈦合金的溫度梯度 ΔT 差異顯著:純 Ti熔池最高溫度 2037℃,與鈦合金熔點 1668℃的 ΔT 為 369℃;Ti60熔池最高溫度 2002℃,ΔT 為 334℃;TC4熔池最高溫度 1957℃,ΔT 僅為 289℃。代入公式(3)計算,當 (?σ/?T)、L等參數相近時,純 Ti因 ΔT 最大, Ma值達 76.8; Ti60 ΔT 次之, Ma值為 54.7;TC4 ΔT 最小, Ma值僅 34.8。結果如圖9(b)所示。這一結果直接證明:溫度梯度越大, Ma值越高,熔池流速越快:純 Ti的 ΔT 最大,熔池中部流速 5.88 mm/s;TC4的 ΔT 最小,流速僅 4.91 mm/s,充分體現溫度梯度對 Marangoni對流的決定性影響[15]。

不同鈦合金的 Ma值差異會進一步導致對流模式與粉末效率的分化。純 Ti的 Ma值最高,強驅動力使其形成"中心下降-邊緣上升"的閉合環形對流,熔池流速達 5.88 mm/s,能夠保證粉末顆粒充分混合與熔化,粉末效率達 84%; Ti60的 Ma值雖低于純 Ti,但因含 Sn、 Zr元素降低了熔體粘度、減少流動阻力,對流呈現均勻放射狀,邊緣與中心流速差異小,整體流速達 5.79 mm/s,且粉斑直徑最大,粉末效率達 85%[16];TC4的 Ma值最低,且因 Al、V元素使熔體粘度升高 25%~30%,雙重作用導致對流強度顯著減弱,形成"左側渦旋-右側滯流"的不對稱模式,流速僅4.91 mm/s,粉末捕獲與熔化不充分,效率降至 77.5%[17]。

此外,溫度梯度通過調控 Marangoni對流,進一步影響粉末效率。純Ti與Ti60較高的 ΔT,使熔池形成強對流循環,不僅能快速將激光能量傳遞至粉末顆粒,確保粉末充分熔化,還能減少熔池內溫度分布不均導致的飛濺;而TC4較低的 ΔT,使對流強度減弱,熔池內局部溫度不足,部分粉末因熔化不充分難以沉積,同時低溫區域易形成氣流漩渦,加劇粉末飛濺,最終導致其粉末效率最低。

綜上,溫度梯度是影響 Marangoni對流與粉末效率的核心因素,馬蘭戈尼數與粉末效率的正相關,本質是溫度梯度與表面張力梯度耦合作用的結果,充分證明其調控作用[18]。

3.3 熔池特性與粉末飛濺對粉末效率的影響

粉末效率的高低由粉斑直徑與熔池的尺寸匹配度、熔池溫度、材料熔點與比熱容的熱學適配性及粉末飛濺共同決定。Ti60粉斑直徑最大為1.9mm,其熔池長度7.21mm和高度4.70mm處于中等水平，粉斑直徑與熔池尺寸的匹配性最好，絕大多數顆粒能夠精準落入熔池區域[19];純Ti粉斑直徑為1.83mm，熔池長度最大為7.38mm、高度最小為4.46mm,粉斑直徑與熔池的橫向匹配性較好，仍然能夠保證大部分粉末進入熔池;TC4粉斑直徑最小為1.75mm,其熔池長度7.06mm和高度4.75mm與純Ti、Ti60接近，總體來講對粉末效率影響較小[20]。

在粉末進入熔池后，熔池溫度、材料熔點與比熱容的協同作用直接影響粉末的熔化與沉積效率[21-22]。純Ti的熔池溫度最高，為2037℃，且比熱容最低，為520 J·kg^-1·K^-1，激光能量更容易轉化為熔池熱能，能夠確保進入熔池的粉末快速、充分的熔化，減少未熔顆粒殘留;Ti60與TC4的熔點相近，均為1600~1660℃,但是兩者熱學特性差異顯著,Ti60的比熱容為530 J·kg^-1·K^-1,介于純Ti與TC4之間,熱積累效率適中，熔池溫度為2002℃，雖然低于純Ti，但也能滿足粉末完全熔化的需求;TC4的比熱容最高,為544 J·kg-1·K-1,在相同激光能量輸入下熱積累速度最慢，而且其熔池溫度最低，為1957℃，二者結合作用導致部分粉末因熔化不充分難以沉積,直接降低效率[23]。

粉末飛濺也是導致效率損失的重要因素。根據高速攝影(如圖2)顯示，TC4因粉斑邊緣模糊，存在明顯的粉末飛濺現象(如圖10),低溫熔池對粉末的捕獲力較弱，飛濺容易導致已進入熔池邊緣的粉末被氣流或表面張力波動帶出，進一步降低效率;而Ti60粉斑穩定、熔池溫度適宜，飛濺現象極少，粉末在熔池內的留存率更高[24]。

綜合來看，Ti60因粉斑-熔池的匹配性較好、熔池溫度與熔點-比熱容的適配性好且飛濺較少，粉末效率最高;TC4因粉斑直徑小、熔池溫度低、比熱容高而且飛濺嚴重的多因素影響，導致效率最低;純Ti雖熔池溫度高、熔化充分，但粉斑匹配性不如Ti60，且較高熔點抵消部分高溫優勢的影響，效率介于兩者之間[25]。

4、結論

1)材料特性決定熔池熱狀態差異，合金元素的光學與熱學屬性顯著影響激光能量吸收與熱積累，TC4因含高反射率的Al和V,激光吸收率最低,且比熱容最高(544 J·kg^-1·K^-1),導致熔池平均最高溫度最低(1957℃);純Ti無合金元素干擾，吸收率最高，比熱容最低(520 J·kg-1·K-1),熔池溫度最高達2037℃;Ti60含低反射的Sn、Zr,平衡了Al的高反射影響,熔池溫度居中(2002℃);

2)熔池流場受材料特性影響,表面張力溫度系數與熔體粘度共同決定Marangoni對流強度，且該強度可通過馬蘭戈尼數(Ma)定量表征，純Ti的馬蘭戈尼數(Ma≈76.8)最高，形成強環形對流，熔池中部流速達5.88 mm/s,Ti60因Sn、Zr降低熔體粘度,Ma≈54.7,對流呈均勻放射狀,流速5.79 mm/s與純Ti接近且流場均勻性更優;TC4因Al、V抑制且粘度升高25%~30%,Ma≈34.8,對流最弱且呈不對稱模式,流速僅4.91 mm/s;

3)粉斑行為與熔池特性協同影響粉末效率，Ti60粉斑直徑最大(1.9 mm)且穩定性好，與熔池尺寸匹配性最優,結合適宜的溫度(2002℃)與高流速(5.79 mm/s),粉末捕獲與熔化充分,效率最高(85%);TC4粉斑最小(1.75 mm)且易飛濺,疊加低溫(1957℃)與低流速(4.91 mm/s),導致效率最低(77.5%);純Ti雖熔池溫度最高,但粉斑穩定性與流場均勻性略遜于Ti60,效率介于兩者之間。

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（注，原文標題：激光熔覆鈦合金粉末效率的多因素協同作用分析_秦子藝）

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