劉 偉，張永軍，甘代偉

( 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710302)

金屬熔體重熔性分析

劉 偉，張永軍，甘代偉

( 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710302)

采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，深入研究了金屬熔體的斷裂、鋪展過(guò)程及與基體重熔性，結(jié)果表明：熔體受自身重力、金屬表面張力以及脈沖氣壓向下壓力作用，其中重力和脈沖氣壓力是促使熔體斷裂，脫離噴嘴的作用力，而金屬表面張力使得斷裂后的熔體逐漸形成圓球形。金屬熔體沉積過(guò)程依據(jù)金屬熔體形態(tài)特征變化，將整個(gè)沉積過(guò)程劃分為三個(gè)階段：運(yùn)動(dòng)、沉積鋪展和平衡階段。當(dāng)金屬熔體沉積在基體上，如果界面溫度超過(guò)基體的熔點(diǎn)，基體會(huì)熔化，形成很好的冶金結(jié)合。

金屬熔體；基體；重熔性；斷裂；鋪展。

0 引言

由于早期的3D打印技術(shù)采用非金屬材料，無(wú)法直接制作金屬零件，故在生產(chǎn)中通過(guò)先制作非金屬原型件，再用原型件充當(dāng)工具、模具的方法來(lái)批量制造金屬零件[1-3]。這種方法雖然也能對(duì)縮短生產(chǎn)周期和降低制造成本一定的作用，但由于較復(fù)雜的后續(xù)工藝，會(huì)造成一定的精度損失。而采用金屬材料直接成形金屬零件，則可以直接完成CAD模型到金屬零件的轉(zhuǎn)換，不受工、模具等的限制，使零件的設(shè)計(jì)、制造有更好的靈活性[4]。

1 金屬熔體斷裂過(guò)程數(shù)值計(jì)算模型的建立

圖1為位于噴嘴末端部金屬熔體的簡(jiǎn)化受力模型，在此模型中假設(shè)熔體的形狀為理想球形。熔體受自身重力Fg、金屬表面張力Fδ以及脈沖氣壓向下壓力FQ作用，其中重力Fg和脈沖氣壓力FQ是促使熔體斷裂，脫離噴嘴的作用力，而金屬表面張力Fδ使得斷裂后的熔體逐漸形成圓球形[5]。

圖1 金屬熔體受力模型

在熔體受自身重力Fg及脈沖氣壓向下壓力FQ的作用下，聚集在噴嘴端部熔體的尺寸會(huì)不斷增大，直到等于表面張力Fδ產(chǎn)生的阻力時(shí)，熔體的直徑達(dá)到了其最大臨界直徑，繼而從噴嘴端部脫落。其中噴嘴直徑不同時(shí)，形成熔體直徑是不同的[6]。

2 金屬熔體成形數(shù)值計(jì)算模型過(guò)程分析

金屬熔體沉積過(guò)程中形態(tài)變化復(fù)雜，鋪展半徑R（t）（圖2基板上液固接觸線的半徑）不斷變化，依據(jù)金屬熔體形態(tài)特征變化，將整個(gè)沉積過(guò)程劃分為三個(gè)階段：運(yùn)動(dòng)、沉積鋪展和平衡階段[7]。

圖2 金屬熔體變形示意圖

1）運(yùn)動(dòng)階段

運(yùn)動(dòng)階段由于液體表面張力和粘性的作用，金屬熔體仍能保持如圖2（a）所示的球面性質(zhì)。金屬熔體與基板發(fā)生碰撞形成激波，以激波波面（圖2虛線）為界，上面是低壓區(qū)，而受到壓縮形成高壓區(qū)。激波波面未突破金屬熔體表面而保持圖2.a所示形狀。

2）沉積鋪展階段

激波突破金屬熔體表面帶動(dòng)液體逐漸沉積，圖2.b金屬熔體變形生成薄層H是沉積鋪展階段開始的標(biāo)志，隨著噴射的繼續(xù)薄層不斷變大，液固接觸線速度為零時(shí)金屬熔體的半徑達(dá)到最大。由能量守恒可以推導(dǎo)出最大鋪展半徑Rmax和R0之間的關(guān)系。

式中,

式中，D為 碰撞前金屬熔體直徑；σ為表面張力；α為前進(jìn)接觸角；1-cosα和分別表征毛細(xì)力和碰撞動(dòng)壓力對(duì)Rmax的影響。

3）平衡階段

金屬熔體在沉積鋪展過(guò)程中逐漸凝固，由能量最低原理知金屬熔體將趨于平衡。耗散作用使金屬熔體的動(dòng)能和勢(shì)能變?yōu)榱?，表面能則處于最低的狀態(tài)。若基板光滑且金屬熔體是基板材料的可濕性液體，金屬熔體會(huì)鋪展形成一個(gè)等厚液膜，即完全浸潤(rùn)；若基板表而粗糙或者不干凈等因素，形成的是不完全浸潤(rùn)，即得到如圖2.c所小的形狀。平衡態(tài)時(shí)液固接觸線的半徑Requ可由下式求得：

式中，θequ為平衡態(tài)時(shí)的液固接觸角。

3 金屬熔體與基體重熔性分析

金屬熔體良好的冶金結(jié) 合是制件獲得良好強(qiáng)度的前提，其關(guān)鍵取決 于金屬熔體的溫度和基板的溫度。當(dāng)金屬熔體沉積在基體上，如圖3所示?；w的材料屬性很重要，如果界面溫度超過(guò)基體的熔點(diǎn)，基體會(huì)熔化，形成很好的冶金結(jié)合[8-10]。

圖3 基體重熔分析模型

假定熔體溫度為Td，基板溫度T，熔化溫度Tm。流體區(qū)域熱傳導(dǎo)：

固體區(qū)域熱傳導(dǎo)：

界面溫度：

Stefa n條件：

式中：X（t）為固液界面（移動(dòng)邊界）。

該解析解可預(yù)測(cè)初始金屬熔體與基板界面的溫度。產(chǎn)生融化的溫度條件是位移與時(shí)間的平方根成正比，獲得融化界面的表達(dá)式為：

金屬熔體與基體的熱傳遞模型可視為兩相Ste fan模型，如圖4所示。顯示了在與基體有良好熔合時(shí)，熔體溫度的變化情況。當(dāng)基體和熔體溫度在曲線之上，可以確保有良好的熔合，反之，在曲線之下，基體和熔體不會(huì)發(fā)生重熔[11-12]。

圖4 Stefan模型

圖5顯示了不同基體溫度下，金屬熔體與基體的重熔性。從金屬熔體在不同基體溫度時(shí)的成形形貌可以看出：基體溫度高時(shí)（稍低于金屬熔點(diǎn)），金屬熔體鋪展程度較大，鋪展后接觸角較小，重熔性較好；反正基板溫度較低時(shí)（室溫），金屬熔體在基板上鋪展程度小，鋪展后的接觸角較大，重熔性較差。這是因?yàn)榛鍦囟仍礁撸ń饘偃垠w和基板之間的熱量傳遞較少），傳熱速率越低，而反過(guò)來(lái)，基板溫度較低，金屬熔體的熱量很快的的傳遞給基板，致使熔體還沒有鋪展很大就凝固，因此鋪展程度較小。

當(dāng)基體溫度較高時(shí)，其相同熔覆層不同放大倍數(shù)SEM圖可以看到，當(dāng)基體加熱到一定溫度時(shí)，與金屬熔體已經(jīng)完全熔合。放大40倍時(shí)，金屬熔體和基板微觀組織一致，放大120倍時(shí)，金屬熔體和基板之間沒有裂紋?？梢娭灰w加熱到一定溫度，金屬熔體和基體可以很好的熔合。

圖5 熔體和基體的重熔

4 結(jié)語(yǔ)

在熔體受自身重力及脈沖氣壓向下壓力作用下，聚集在噴嘴端部熔體的尺寸會(huì)不斷增大，直到等于表面張力產(chǎn)生的阻力時(shí)，熔體的直徑達(dá)到了其最大臨界直徑，繼而從噴嘴端部脫落。金屬熔體沉積過(guò)程中形態(tài)變化復(fù)雜，鋪展半徑不斷變化，依據(jù)金屬熔體形態(tài)特征變化，將整個(gè)沉積過(guò)程劃分為三個(gè)階段：運(yùn)動(dòng)、沉積鋪展和平衡階段。金屬熔體良好的冶金結(jié)合是制件獲得良好強(qiáng)度的前提，其關(guān)鍵取決于金屬熔體的溫度和基板的溫度。當(dāng)金屬熔體沉積在基體上。基體的材料屬性很重要，如果界面溫度超過(guò)基體的熔點(diǎn)，基體會(huì)熔化，形成很好的冶金結(jié)合。

[1] J. Luo, L. H. Qi, X. S. Jiang. Numerical simulation of jet breakup due to amplitude-modulated (A-M) disturbance [J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2008, 18: 686-690.

[2] Suli Li, Zhengying Wei, Jun Du, et,al. The fusion process of successive droplets impinging onto a substrate surface [J]. Journal of Appl. Phys. A. 2015. 120:35–42.

[3] Suli Li, Zhengying Wei, Jun Du et,al. A numerical analysis on the metal droplets impacting and spreading out on the substrate [J]. Journal of Rare Metal Materials and Engineering. 2015. 3:44-18.

[4] Pei W ei, Zhengying Wei, Suli Li, Chao Tan, Jun Du. Splat formation during plasma spraying for 8 mol% yttria-stabilized zirconia droplets impinging on stainless steel substrate [J]. Applied surface science. 2014. 538–547.

[5] DU Jun, WEI Zhengying, CHENZhen, LI Suli, TANG Yiping. Numerical Investigation of P- ileup Process in Metal Microdroplet Deposition Manufacture [J]. Micromachines. 2014. 31(2):021601-1.

[6] 晁艷普, 齊樂(lè)華, 羅俊, 等. 金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數(shù)據(jù)的獲取與試驗(yàn)驗(yàn)證 [J]. 中國(guó)機(jī)械工程. 2009, 20(22): 2701-2705.

[7] X.-H. Zeng, L.-H. Qi, H. Huang, X.-S. Jiang, Y. Xiao. Experimental research of pneumatic drop-on-demand high temperature droplet deposition for rapid prototyping [J]. Key Engineering Materials. 2010, 419-420: 405-408.

[8] 徐林峰. 均勻液滴噴射微制造技術(shù)基礎(chǔ)研究 [D]. 西北工業(yè)大學(xué), 碩士學(xué)位論文, 2005: 12-16.

[9] 楊觀, 齊樂(lè)華, 羅俊, 等. 均勻液滴噴射成形中微熔滴關(guān)鍵參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng) [J]. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2009, 30(3): 590-595.

[10] 李莉. 均勻液滴噴射過(guò)程的理論建模與數(shù)值模擬 [D]. 西北工業(yè)大學(xué), 碩士學(xué)位論文, 2006: 10-50.

[11] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD 軟件原理與應(yīng)用 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 15-40.

[12] E. Ricci, A. Passerone. Review: Surface tension and its relations with adsorption, vapourization and surface reactivity of liquid metals [J]. Materials Science and Engineering: A. 1993, 161(1): 31-40.

Analysis of molten metal remelting

LIU Wei, ZHANG YongJun, GAN DaiWei
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710302,Shaanxi, China)

Adopt the method of numerical calculation and experimental analysis, further study of the fracture, the spreading process of metallic melts and remelting and substrates, the results showed that the melt under its own gravity, metal surface tension and pulse pressure downward pressure, gravity and gas pressure pulse is melt fracture, from the reaction between the nozzle and the metal surface tension makes melt gradually formed round ball after fracture. Metal melt deposition process on the basis of morphological changes of metal melt, will the whole process is divided into three stages: sedimentary stage movement, sedimentary spreading and balance. When the metal melt deposition on the substrate, if interface temperature above the melting point of matrix, and the substrate can melt, forming a good metallurgical bonding.

metallic melts; substrate; remelting; fracture；spreading

TG249.9；

A；

1006-9658（2017）01-0023-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.007

項(xiàng)目來(lái)源：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（編號(hào)：Gfy16-06）

2016-11-18

稿件編號(hào):1611-1579

劉偉（1982—），男，講師，主要從事機(jī)械加工及3D打印方面的工作.