激光熔覆（Laser Cladding）是一種表面改性技術，是金屬增材制造中廣泛使用的一種技術。激光熔覆通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結合的熔覆層。

激光熔覆技術是一種經濟效益高的技術，它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質，降低成本，節約貴重稀有金屬材料。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，而且可控性好，可實現三維自動加工，加工質量高。但是在激光熔覆的制造過程中仍存在一些不可預測的失敗的情況。

根據3D科學谷的了解，日前有研究人員發表了題為“On the role of capillary and thermo capillary phenomena on microstructure at laser cladding.” (激光熔覆微結構中毛細和熱毛細現象的作用) 的論文，提出了一種可用以優化和規劃激光熔覆工藝的方法。 

一種預估熔覆層微觀結構的模型

研究人員認為激光熔覆過程中熱質傳遞的直接數值模擬（DNS）是該技術中尋求最佳加工參數的經濟有效的方法。應用DNS，可以在工藝規劃階段就識別失敗區域，提高激光熔覆增材制造的質量和靈活性。

研究人員開發了一種耦合的熔覆模型，可以幫助他們模擬出熔覆層的微觀結構，充分研究激光作用后的流體動力學現象，同時研究熔體和基底的已知接觸角對其的影響。

根據Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami（KJMA）方程，動力學過程具有不均勻的成核和生長速率，該模型研究了熔融粉末在具有不同接觸角度的基底上的擴散，進而優化激光熔覆工藝。模型也研究了接觸角對軌跡寬度，高度和平均晶體尺寸等主要參數的影響。該模型可以解釋氧化和基底粗糙度。

接觸角度分別為10°(a)和30(b)°時，熔覆液滴橫截面的微晶分布情況

為了研究接觸角對微結構的影響，研究人員用同軸鎳粉進料的非掃描光束模擬激光熔覆，同時使用了具有不同潤濕角的基材。粉末隨著激光輻射以50ms的速度在冷基底上進料，形成單滴。激光輻射消失，液滴冷卻并發生結晶。

 

兩個接觸角度下熔覆軌道橫截面中微晶平均尺寸的分布

研究人員得出結論，所開發的模型能夠使他們預估熔覆層微觀結構，同時考慮到軌跡和基底的接觸角。在模型中，應考慮到影響接觸角的基底參數。

幾種情況下粉末噴射的橫截面：

高掃描速度（a，c）和低掃描速度（b，d）; 寬粉末射流（a，b）和窄粉末射流（c，d）。

在該研究中，研究人員對于各種加工條件，展示了熔覆軌跡的擴散行為。熔池寬度不同，粉末噴射半徑不同，對接觸角的變化表現出不同的狀態。在寬粉末噴射的情況下，接觸角的增加減小了軌跡寬度和集流效率，但高度保持恒定。在窄粉末射流的情況下，軌跡寬度減小同時高度增加。確定了具有相同幾何參數、不同微觀結構的激光熔覆軌跡的可能性。研究論文中指出，熔體接觸角度的增加導致沉積層中微晶平均尺寸的增加，該結果可用以規劃和優化激光熔覆的工藝方案。