陳 輝 閆文韜 ,?,

* (新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系,新加坡 117575)? (新加坡國(guó)立大學(xué)蘇州研究院,江蘇蘇州 215123)

引言

激光選區(qū)熔化(SLM)采用高能束激光熔化細(xì)微金屬粉末,通過(guò)逐道、逐層熔融堆積的方式成形三維零件.SLM 可以成形近全致密、性能接近鍛件且具有精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件,是增材制造(3D 打印)領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)技術(shù)[1-2].近年來(lái),SLM 技術(shù)開(kāi)始在航空航天、國(guó)防科技、定制化生物醫(yī)療等領(lǐng)域關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的制造方面獲得應(yīng)用,成為極具發(fā)展?jié)摿脱芯績(jī)r(jià)值的增材制造技術(shù)[3].

自然界的物質(zhì)按照其存在形態(tài)可以分為3 類:流體、固體和顆粒[4-5].其中,顆粒物質(zhì)是指由大量粉末顆粒集群而形成的物質(zhì)體系.由于體系內(nèi)粉末顆粒的離散性和結(jié)構(gòu)各項(xiàng)異性,顆粒物質(zhì)的力學(xué)行為無(wú)法用流體力學(xué)等經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行描述,成為21 世紀(jì)的百個(gè)自然科學(xué)難題之一[6].SLM 制造工藝采用的金屬粉末是典型的顆粒物質(zhì).成形過(guò)程中,鋪粉器首先將微米級(jí)散狀粉末鋪設(shè)成薄層粉末床,然后激光熱源對(duì)粉末床進(jìn)行掃描與熔融.粉末在鋪設(shè)與熔融兩個(gè)工藝過(guò)程中,可呈現(xiàn)出分層、團(tuán)聚、擠壓、飛濺和剝蝕等典型的顆粒物質(zhì)復(fù)雜熱/動(dòng)力學(xué)行為[7],與零件的孔隙、球化、裂紋等成形缺陷及最終力學(xué)性能緊密相關(guān)[8].因此,深入研究SLM成形過(guò)程中的粉體熱/動(dòng)力學(xué)行為,對(duì)SLM 零件成形性能的提升和顆粒物質(zhì)力學(xué)理論的探索均具有重要工程及科學(xué)意義[9].

目前,關(guān)于SLM 粉體熱/動(dòng)力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究方法主要有高倍高速光學(xué)成像[10]、紋影成像[11]和X 射線同步輻射成像[12]等在線監(jiān)測(cè)手段,而理論研究方法比較主流的分別是離散單元法(DEM)[13]和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)[14]建模仿真計(jì)算.

針對(duì)SLM 的粉末鋪設(shè)工藝環(huán)節(jié),Parteli 和Poschel[15]提出了DEM 軟球計(jì)算模型,考慮粉末的彈塑性接觸力和范德華黏結(jié)力,對(duì)非球形粉末的輥筒式鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算模擬.Chen 等[13]通過(guò)DEM 建模仿真,從顆粒尺度較系統(tǒng)地分析了316L粉末在刮板式鋪設(shè)過(guò)程中的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)等動(dòng)力學(xué)信息演變規(guī)律.隨后,學(xué)者們基于DEM數(shù)值模擬,分別研究了粉末形貌尺寸和粒度分布[16]、鋪設(shè)機(jī)構(gòu)幾何形狀[17]、鋪設(shè)層厚[18]、鋪設(shè)速度[19]等工藝參數(shù)對(duì)粉末床致密度、粗糙度、均勻度等鋪設(shè)質(zhì)量的影響規(guī)律.通常認(rèn)為[13,20-21]: 輥筒式粉末鋪設(shè)對(duì)粉末具有擠壓效應(yīng),比刮板式更容易獲得致密的粉末床;鋪粉速度的提升和層厚的減少不利于粉末流動(dòng)的均勻性和連續(xù)性,將降低粉末床鋪設(shè)致密度;由于范德華力導(dǎo)致的團(tuán)聚效應(yīng),超細(xì)粉末容易引起堵塞現(xiàn)象,也不利于粉末的鋪設(shè).粉末鋪設(shè)的顆粒尺度實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少.Chen 等[13]基于光學(xué)成像對(duì)金屬粉末鋪設(shè)過(guò)程中的宏觀動(dòng)態(tài)形態(tài)進(jìn)行了標(biāo)定與測(cè)試,另外,還采用激光輪廓儀測(cè)試了粉末床的表面形貌質(zhì)量[21].美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室[22]通過(guò)高能X 射線同步輻射儀觀測(cè)了微米粉末顆粒在鋪設(shè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡.這些實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)基于DEM 數(shù)值模擬研究的驗(yàn)證具有積極意義.

SLM 粉末床熔融過(guò)程中,粉末床的剝蝕[10]與飛濺[23]是兩個(gè)重要且復(fù)雜的熱/動(dòng)力學(xué)行為.基于高倍高速光學(xué)攝像在線監(jiān)測(cè),Matthews 等[10]研究了SLM 粉末床的熔化損耗情況,發(fā)現(xiàn)激光掃描過(guò)程中,熔池?zé)嵊绊憛^(qū)域外圍的粉末顆粒會(huì)被吸入熔池,從而沿著熔化道在粉末床上形成剝蝕區(qū)域.剝蝕會(huì)在熔化道中引起更多的氣孔,并影響粉末熔融的連續(xù)性和穩(wěn)定性.Bidare 等[11]采用紋影成像法觀測(cè)了SLM 粉末床熔融過(guò)程,發(fā)現(xiàn)了熔池中噴射出來(lái)的高速金屬蒸汽羽流,并分析了不同激光參數(shù)作用下粉末床整體的剝蝕與飛濺運(yùn)動(dòng).Cunningham 等[24]采用X 射線同步輻射成像法觀測(cè)了熔池深孔、蒸汽噴射及粉末運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分析了粉末運(yùn)動(dòng)與熔池?zé)釀?dòng)力學(xué)行為直接的關(guān)系.基于上述實(shí)驗(yàn)觀測(cè),通常推測(cè):高能束激光作用下,熔池內(nèi)部噴發(fā)的高速蒸汽羽流帶動(dòng)環(huán)境保護(hù)氣體形成內(nèi)旋渦流,渦流驅(qū)動(dòng)散體粉末從而形成剝蝕和飛濺現(xiàn)象[10];粉末剝蝕與飛濺隨著環(huán)境壓力的降低而加劇[25];羽流噴射方向?qū)す鈷呙杷俣鹊脑黾幼顬槊舾?依次出現(xiàn)前噴、垂直和后噴3 種典型狀態(tài)[11].現(xiàn)有的SLM 粉末床熔融模型主要能模擬熔池熔融的固-液態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程[8,26–30],計(jì)算過(guò)程中將散體粉末床視作連續(xù)的塊體介質(zhì),因此無(wú)法針對(duì)粉末床剝蝕與飛濺的熱/動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行仿真模擬.雖然Bidare 等[11]基于有限元理論實(shí)現(xiàn)了熔池金屬羽流與環(huán)境氣體流場(chǎng)的計(jì)算,但散體粉末顆粒仍未被包含在模型中.近期,Chen 和Yan[31]針對(duì)SLM 粉末床的熱力運(yùn)動(dòng),提出了基于DEM 和FVM 耦合理論的多相流仿真模型,為SLM 剝蝕與飛濺的理論計(jì)算預(yù)測(cè)提供了新的思路.另外,關(guān)于如何消除SLM 剝蝕與飛濺運(yùn)動(dòng)對(duì)成形過(guò)程的負(fù)面影響,目前主要采用添加側(cè)向風(fēng)進(jìn)行粉末清除[23,32-33]的被動(dòng)方法.如何從源頭控制粉末床的熱/力運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制和消除SLM 剝蝕與飛濺現(xiàn)象,有待進(jìn)一步研究.

本文介紹了DEM 與CFD 聯(lián)合建模仿真在SLM 粉體熱/動(dòng)力學(xué)行為研究中的應(yīng)用.結(jié)合光學(xué)監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)SLM 粉末鋪設(shè)工藝環(huán)節(jié)的粉體動(dòng)力學(xué)及粉末床熔融的粉體熱/動(dòng)力學(xué)行為規(guī)律進(jìn)行了探討.研究對(duì)加深理解SLM 工藝中散體粉末介質(zhì)熱/動(dòng)力學(xué)行為機(jī)制及改善SLM 成形工藝具有重要科學(xué)及工程意義.

1 研究方法

1.1 DEM/CFD 聯(lián)合建模

1.1.1 粉末鋪設(shè)模型

粉末鋪設(shè)工藝過(guò)程采用軟球DEM 理論[34]構(gòu)建.考慮粉末鋪設(shè)過(guò)程中單個(gè)粉末顆粒的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和溫度變化,根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律與傅里葉傳熱定律建立粉末顆粒的狀態(tài)方程

式中,mP,1,IP,1,TP,1,RP,1和cP,1分別為粉末顆粒的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、溫度、半徑和比熱容;uP,1和ωP,1分別為粉末顆粒自身的速度和角速度;Fg,1為粉末自身重力;Fn,12和Ft,12為粉末顆粒之間的法向和切向彈塑性接觸力,采用標(biāo)準(zhǔn)的Hertz-Mindlin 接觸方程[13]計(jì)算;Fc,12為粉末顆粒之間范德華黏結(jié)力,采用JKR 經(jīng)驗(yàn)公式[35]計(jì)算;QP,12為粉末顆粒之間的熱流量,遵循傅里葉接觸傳熱定律;FP-E和QP-E分別為外界環(huán)境對(duì)粉末顆粒的作用力和熱量傳輸.如圖1(a)所示,分別建立了刮板式和滾筒式兩種典型的SLM 粉末鋪設(shè)模型.其中w為滾筒轉(zhuǎn)速;V和H分別為粉末鋪設(shè)速度與層厚.

1.1.2 粉末熔融模型

粉末鋪設(shè)計(jì)算完成后,將DEM 模型中粉末床的顆粒位置與幾何信息導(dǎo)入至CFD 模型,進(jìn)行SLM粉末床熔融的計(jì)算.熔體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒N-S 方程

式中ρM,uM,P和TM分別為熔體的密度、速度、壓強(qiáng)和溫度狀態(tài)變量;μ和k分別為熔體黏度和導(dǎo)熱系數(shù);Sm為動(dòng)量源項(xiàng);Sh為熱源項(xiàng).其中,熔體界面采用VOF 界面追蹤法描述[14].Sh中的高斯激光熱源以面熱源的形式加載[36].

1.1.3 粉末-氣體的流-固驅(qū)動(dòng)建模

如圖1(b)所示,為模擬氣相(熔池蒸汽和環(huán)境氣體)熱力驅(qū)動(dòng)作用下粉末的動(dòng)力學(xué)行為,首先,根據(jù)Knudsen-layer 法則[37]計(jì)算熔池界面的羽流氣體速度uG

圖1 SLM 粉體熱/動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Thermal dynamic model of SLM

式中,Mn為馬赫數(shù);γ為單原子氣體熱容比;B0為波爾茲莫常數(shù);Tsur為熔池界面的溫度;m1和m2分別熔池蒸汽和環(huán)境氣體的摩爾質(zhì)量;φ1和φ2分別為氣體體積分?jǐn)?shù).

然后,基于Euler-Lagrange 耦合原理[31],計(jì)算式(1)～ 式(3)中氣相對(duì)粉末顆粒的熱力驅(qū)動(dòng)作用力

式中,ReP為球形粉末顆粒的雷諾數(shù);uG,ρG和μG分別為氣相速度、密度和動(dòng)黏度;AP為球形顆粒表面積;hP-E為粉末與氣相之間的對(duì)流傳熱系數(shù),由Gunn’s 法則[38]確定.

依據(jù)動(dòng)量守恒、能量守恒原理,粉末顆粒對(duì)氣相的熱力反作用為

其中,Vmesh為計(jì)算域中有限單元的的體積.

以SLM 工藝中常用的316L 不銹鋼粉末為對(duì)象,分別對(duì)SLM 粉末鋪設(shè)及粉末床熔融過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬.DEM 模型中,粉末顆粒密度、摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)的設(shè)置詳細(xì)見(jiàn)文獻(xiàn)[13,31],其中: 粉末的摩擦系數(shù)通過(guò)“安息角標(biāo)定法”校準(zhǔn);恢復(fù)系數(shù)通過(guò)“自由落體回彈法”校準(zhǔn);粉末的楊氏模量通常采用真實(shí)值的10%～ 20%,用以增加迭代時(shí)間步長(zhǎng)而降低模型計(jì)算量.熔池模型中,熔池金屬蒸汽(Fe)和環(huán)境氣體(Ar)熱物性參數(shù)主要參考于焊接熔池的蒸汽與保護(hù)氣體物理參數(shù),詳細(xì)見(jiàn)文獻(xiàn)[39].為降低計(jì)算量: 粉末鋪設(shè)模型中,鋪粉器方向(Y方向) 采用2 mm 的循環(huán)邊界計(jì)算域;粉末床熔融模型中,采用2 mm × 3 mm × 4 mm 計(jì)算域.在計(jì)算粉末與氣相耦合運(yùn)動(dòng)中: 僅考慮“粉末熔融模型”中熔池羽流(金屬蒸汽與環(huán)境氣體)與散體粉末顆粒之間熱物性參數(shù)的動(dòng)態(tài)耦合,以獲得粉末床的熱/動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律[31];熔體的液-固相變過(guò)程不包含與耦合模塊之中.目前,用于粉末運(yùn)動(dòng)建模的DEM 軟件平臺(tái)有LIGGGTS,PFC,ROCKY-DEM 等;用于熔池建模的CFD 軟件平臺(tái)主要有OPENFORM,FLOW-3D 和FLUENT 等;基于上述耦合原理搭建數(shù)據(jù)交互模塊,可以實(shí)現(xiàn)SLM 粉體熱/動(dòng)力學(xué)行為計(jì)算預(yù)測(cè).

1.2 SLM 成形過(guò)程監(jiān)測(cè)

粉末鋪設(shè)及熔融實(shí)驗(yàn)分別在課題組自行開(kāi)發(fā)的SLM 增材制造裝備(YLR-200-SM-AC: 光纖激光器波長(zhǎng)、功率和光斑直徑分別為1070 nm 和200 W和100 μm)上開(kāi)展,如圖2 所示.粉末材料為粒徑0～100 μm 的SLM 專用316L 不銹鋼粉末,且粉末粒徑可根據(jù)需求進(jìn)行篩分配置.

如圖2(a)所示,粉末鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)在裝備的鋪粉機(jī)構(gòu)上進(jìn)行.鋪粉機(jī)構(gòu)分別配置直角刮板式和輥筒式兩種典型的鋪粉模塊.輥筒直徑及轉(zhuǎn)動(dòng)速度分為10 mm 和2π rad/s.當(dāng)粉末顆粒被鋪設(shè)在基板上之后,采用0.1 mg 精密天平(mettler-toledo ME104)測(cè)量基板上的粉末質(zhì)量mT,然后可計(jì)算粉末床的相對(duì)致密度

其中,S和ρP分別基板表面積和粉末顆粒的材料密度.

圖2(b)所示為SLM 成形過(guò)程原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn).如圖所示,在成形腔體外安裝一臺(tái)高速光學(xué)相機(jī)(photron fastcam mini AX200,最大采樣率為每秒5000 幀).在相機(jī)鏡頭前配置一個(gè)截止波長(zhǎng)為250～800 nm 的濾光片,以降低羽流亮度,增強(qiáng)圖像對(duì)比度.相機(jī)與建筑基底距離約400 mm,視場(chǎng)12 mm ×5 mm,采集圖像1024 × 428 像素.通過(guò)我們改進(jìn)的圖像處理方法(支持向量機(jī)(SVM)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)[40]),提取并量化激光掃描過(guò)程中粉末層的特征.激光掃描后的粉末床形貌可通過(guò)SEM 成像法觀測(cè).

圖2 SLM 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.2 Experimental monitor on SLM

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末鋪設(shè)動(dòng)力學(xué)行為

2.1.1 粉末流動(dòng)物理機(jī)制

SLM 粉末鋪設(shè)過(guò)程中存在3 種基本的流動(dòng)物理機(jī)制: 粉末黏結(jié)、壁面邊界和粉末滲流效應(yīng).以刮板式粉末鋪設(shè)為例,圖3(a)所示為粉末黏結(jié)機(jī)制,其中,粉末為不同尺寸的單一粒徑.分子范德華力引起的黏結(jié)力是散體粉末顆粒間存在的固有作用力,其在球形粉末間的作用大小可用黏結(jié)系數(shù)B表示,定義為范德華力與重力的比值

式中,ψ為粉末顆粒的表面能.由式(14)可知,對(duì)于給定粉末材料,粉末粒徑越小,黏結(jié)效應(yīng)越大.如圖3(a)所示,隨著粉末粒徑從60 μm 至10 μm 變小,由范德華力引起的黏結(jié)作用變強(qiáng),因而粉末在鋪設(shè)過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重,越不利于形成致密均勻的粉末床.

圖3 SLM 粉末鋪設(shè)的粉末流動(dòng)數(shù)值模擬Fig.3 Simulated powder flowing in powder spreading process of SLM

圖3(b)為壁面邊界機(jī)制.在漏斗送料、谷倉(cāng)送料、渠道送料等流道顆粒流情況中[41],由于流道特征尺寸與粉末顆粒尺寸接近同一量級(jí),流道壁面與顆粒之間容易形成瞬態(tài)“力鏈拱橋”[42],降低粉末流動(dòng)連續(xù)性.SLM 粉末鋪設(shè)過(guò)程中,如圖所示,由于刮板與基板之間的間隙通道接近粉末尺寸,這種壁面效應(yīng)同樣存在,會(huì)降低粉末流動(dòng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性,導(dǎo)致粉末床致密性和均勻性下降.并且,層厚越小(通道越小)、粉末粒徑越大,則這種壁面阻隔作用越明顯.

圖3(c)為滲流機(jī)制.滲流是顆粒物質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中的另一固有現(xiàn)象[43]: 流動(dòng)過(guò)程中,由于粉末顆粒之間存在尺寸和密度等物性差異,密度大的顆粒和尺寸小的顆粒會(huì)逐漸下層,出現(xiàn)顆粒分流.圖3(c)中,粗粉末(50～ 80 μm) 與細(xì)粉末(0～ 20 μm) 按1:3 質(zhì)量比均勻混合.如圖所示,在粉末鋪設(shè)過(guò)程中,由于滲流作用,初始均勻混合的粉末出現(xiàn)分流/分離.細(xì)粉末在流動(dòng)中更傾向于下沉,導(dǎo)致粉末床出現(xiàn)了一定的分層現(xiàn)象,從而降低其均勻性.并且,粗粉末之間的空隙也導(dǎo)致粉床的致密性下降.

如上所述,這3 種主要物理機(jī)制均與粉末粒徑等工藝參數(shù)緊密相關(guān),因此,3 種物理機(jī)制同時(shí)支配SLM 的粉末鋪設(shè)過(guò)程,并決定粉末床最終的致密度等鋪設(shè)質(zhì)量.以刮板式粉末鋪設(shè)為例,圖4 為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中粉末床致密度隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律.對(duì)于給定工況,如圖4(a)所示,隨著粉末床鋪設(shè)層厚的增加,壁面邊界效應(yīng)導(dǎo)致的粉末堵塞效果變?nèi)?粉末鋪設(shè)過(guò)程中流動(dòng)更順暢,因而粉末床的致密度逐漸增大.如圖4(b)所示,隨著粉末粒徑逐漸變小,壁面邊界效應(yīng)的削弱有利于粉末床致密度的提升,然而,黏結(jié)效應(yīng)同時(shí)也增強(qiáng)且不利于粉末床致密度提升.在大于約50 μm 范圍內(nèi),壁面邊界機(jī)制占主導(dǎo),因此致密度隨粉末粒徑減少而增大.在小于50 μm范圍內(nèi),粉末黏結(jié)機(jī)制逐漸占主導(dǎo)作用,因此致密度隨粉末粒徑減少而減小.圖4(c)為雙峰粒徑混合粉末的鋪設(shè)致密度,其中,粗粉末與細(xì)粉末按1:3 質(zhì)量比均勻混合.如圖,由于鋪設(shè)過(guò)程的滲流分層,鋪設(shè)后的致密度遠(yuǎn)小于其初始致密度.

圖4 粉末床致密度測(cè)試與模擬結(jié)果Fig.4 Experiment and simulation results showing the evolutions of packing density of powder layer with

圖4 粉末床致密度測(cè)試與模擬結(jié)果 (續(xù))Fig.4 Experiment and simulation results showing the evolutions of packing density of powder layer with (continued)

2.1.2 粉末床擠壓效應(yīng)

目前,刮板式和輥筒式是兩種典型的SLM 粉末鋪設(shè)方案.通常直觀地認(rèn)為,輥筒在鋪設(shè)過(guò)程中對(duì)散體粉末具有擠壓和緊實(shí)作用,因此所獲得的粉末床比刮板式更加致密.圖5 為兩種粉末鋪設(shè)模式的對(duì)比.如圖所示,在粉末粒徑、鋪粉速度、層厚等參數(shù)一致的情況下,輥筒式的基板壓力遠(yuǎn)大于刮板式(圖5(a)),其通過(guò)底部的粉末質(zhì)量流也更高.如圖5(b)所示,隨著鋪粉速度的增加,兩種模式的粉末床致密度均降低,但是由于輥筒式的粉末壓實(shí)效應(yīng),其粉末床致密度均大于同等工藝參數(shù)條件下的刮板式鋪粉.值得注意的是,雖然輥筒式可以獲得更致密的粉末床,但粉末對(duì)基板(或前一層熔融粉床)的壓力更大,由此導(dǎo)致的刮擦和碰撞也可能更嚴(yán)重.在某些粉末床增材制造工藝中,如文獻(xiàn)[44],輥筒嚴(yán)重的擠壓和刮擦有可能中斷或直接破壞整個(gè)零件的制造.

圖5 刮板式與輥筒式粉末鋪設(shè)對(duì)比Fig.5 Comparison between scraping type and counter-rolling type powder spreading

2.2 粉末床熔融熱/動(dòng)力學(xué)行為

2.2.1 飛濺與剝蝕運(yùn)動(dòng)

SLM 激光對(duì)粉末床熔融過(guò)程中,粉末床的飛濺與剝蝕是兩個(gè)緊密相關(guān)的熱/動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象.如圖6(a)所示,高能束激光作用在粉末床并高速移動(dòng).在激光作用范圍內(nèi),粉末顆粒在激光熱作用下發(fā)生熔化與凝固.但是,激光作用范圍之外,即靠近熔池外圍區(qū)域的粉末顆粒并非靜止,而是不停地向熔池區(qū)域移動(dòng).最終,沿著熔化道周圍的粉末床形成了剝蝕[10]現(xiàn)象.剝蝕區(qū)域的粉末顆粒變得更少,因而不利于下一道激光熔融.另外,粉末顆粒在進(jìn)入熔池的同時(shí),隨著熔池蒸汽一起噴發(fā),形成飛濺[23]現(xiàn)象.飛濺的粉末在重力下回落,可能對(duì)粉末床造成撞擊破壞,也可能對(duì)沖擊和破壞熔融的粉末床區(qū)域.圖6(b)的數(shù)值模擬較好地復(fù)現(xiàn)了粉末床飛濺和剝蝕運(yùn)動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果,表明DEM/CFD 聯(lián)合建模仿真是計(jì)算和預(yù)測(cè)SLM 粉末床熱/動(dòng)力學(xué)行為的有效手段.

圖6 粉末床熔融過(guò)程中的飛濺與剝蝕運(yùn)動(dòng)Fig.6 Spattering and denudation in powder bed fusion process

2.2.2 多相耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)制

SLM 粉末床的剝蝕和飛濺現(xiàn)象本質(zhì)上是一個(gè)流-固熱力耦合驅(qū)動(dòng)的物理過(guò)程.如圖7(a)計(jì)算結(jié)果顯示: 激光對(duì)粉末床熔融過(guò)程中,金屬蒸汽(Fe)從熔池中高速噴發(fā),并且由于能量的湍流耗損和擴(kuò)散,形成輻射狀的羽流;噴發(fā)的金屬蒸汽帶動(dòng)周圍的環(huán)境保護(hù)氣體(Ar),從而在熔池周圍形成了內(nèi)旋的渦流;內(nèi)旋的渦流在粉末顆粒上產(chǎn)生流-固驅(qū)動(dòng)力.如圖7(b)所示,當(dāng)渦流對(duì)粉末的在流-固拖拽力超過(guò)粉末之間的摩擦阻力情況下,內(nèi)旋的環(huán)境氣體渦流驅(qū)動(dòng)熔池周圍的粉末顆粒向熔池內(nèi)運(yùn)動(dòng),形成剝蝕現(xiàn)象.另外,粉末顆粒被吸卷進(jìn)入熔池之后,一部分顆粒又被高速噴發(fā)的金屬蒸汽驅(qū)動(dòng),順著羽流向外噴射而形成飛濺現(xiàn)象.由于高速金屬蒸汽的驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于粉末本身重力,粉末的飛濺速度往往可以達(dá)到數(shù)米每秒.

圖7 粉末顆粒-氣相耦合流動(dòng)Fig.7 Gas-solid coupled driving force on powder particles

根據(jù)上述分析,通過(guò)以下幾種方法可削弱或消除粉末剝蝕和飛濺對(duì)SLM 成形的負(fù)面影響.首先,可以在成形腔體內(nèi)安裝內(nèi)循環(huán)的側(cè)向風(fēng),將飛濺粉末顆粒吹除清理,以達(dá)削弱飛濺負(fù)面影響的效果.這種方法目前在SLM 成形裝備普遍使用[33].另外,還可以從源頭上消除粉末剝蝕和飛濺運(yùn)動(dòng).比如,可以通過(guò)預(yù)燒結(jié)將準(zhǔn)備熔融區(qū)域的粉末固定,用以抵抗內(nèi)旋渦流和羽流的驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而消除剝蝕和飛濺運(yùn)動(dòng).或者,可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量的分布狀態(tài),使熔池溫度保持在沸點(diǎn)以下,從源頭上消除羽流和環(huán)境氣體流動(dòng),進(jìn)而達(dá)到消除粉末剝蝕與飛濺運(yùn)動(dòng).以上方法值得進(jìn)一步探索和研究.

2.2.3 熱浮力驅(qū)動(dòng)機(jī)制

除了羽流引起的驅(qū)動(dòng)力,部分學(xué)者認(rèn)為環(huán)境氣體受熱膨脹的熱浮力(thermal buoyancy force[11])也是引發(fā)粉末床顆粒運(yùn)動(dòng)的因素.為驗(yàn)證此推測(cè),將DEM/CFD 模型中的金屬蒸汽模塊去除后重新計(jì)算了SLM 粉末床的掃描過(guò)程.正常情況下,金屬蒸汽從熔池噴發(fā),引起環(huán)境氣體內(nèi)旋渦流,并由此帶動(dòng)粉末顆粒運(yùn)動(dòng)而形成剝蝕和飛濺現(xiàn)象.當(dāng)金屬蒸汽從模型中去除之后,如圖8 所示,環(huán)境氣體(Ar)在激光熱量作用下發(fā)生膨脹并形成熱浮力流動(dòng).但是,與羽流引起的內(nèi)旋渦流不同,熱浮力流動(dòng)是以激光光斑為中心,形成由內(nèi)向外的輻射式流動(dòng).另外,如圖所示,熱浮力引發(fā)的氣體流動(dòng)速度約為2 m/s,遠(yuǎn)小于羽流的噴射速度(約150 m/s,如圖7).因此,雖然熱浮力流動(dòng)對(duì)粉末有一定加熱和拖拽作用,但流動(dòng)強(qiáng)度不足以驅(qū)動(dòng)粉末顆粒運(yùn)動(dòng).如圖8 所示,顆粒在粉末床中的運(yùn)動(dòng)速度及形態(tài)變化可忽略不計(jì).由此可見(jiàn),環(huán)境氣體的熱浮力不是粉末床剝蝕和飛濺運(yùn)動(dòng)的主要引發(fā)因素.

圖8 環(huán)境氣體熱浮力作用下的顆粒行為演變計(jì)算.其中,金屬蒸汽羽流被去除Fig.8 Evolutions of trajectory and temperature of powder particles under the thermal buoyancy effects without the metal vapor

3 結(jié)論

針對(duì)金屬粉末介質(zhì)在SLM 成形過(guò)程中的熱/動(dòng)力學(xué)行為,介紹了DEM 與CFD 聯(lián)合建模仿真在SLM 建模仿真方面的應(yīng)用.結(jié)合光學(xué)監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)手段,從顆粒尺度探討了SLM 的粉末鋪設(shè)和粉末熔融過(guò)程的物理行為機(jī)制,主要結(jié)論如下.

(1) SLM 粉末鋪設(shè)存在3 種物理機(jī)制: 粉末黏結(jié)、壁面邊界和粉末滲流.其中,粉末黏結(jié)效應(yīng)由粉末顆粒間的范德華黏結(jié)力導(dǎo)致,在鋪粉過(guò)程中容易引起粉末顆粒的團(tuán)聚,不利于形成致密的粉末床.壁面邊界效應(yīng)由顆粒介質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致,在鋪粉過(guò)程中可引起粉末堵塞.粉末滲流主要由粉末顆粒間的尺寸/密度差異導(dǎo)致,容易引發(fā)顆粒流分離和分層,不利于形成均勻的粉末床.3 種機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng),共同決定粉末床的致密度等鋪設(shè)質(zhì)量.

(2)輥筒式鋪粉由于對(duì)粉末的擠壓作用,其粉末流量更大、所得粉末床也比刮板式更致密.但是,輥筒式鋪粉的基板/熔融層所受壓力也更強(qiáng),更容易對(duì)已成形層面造成擠壓或者刮擦損傷.

(3)激光對(duì)粉末床熔融過(guò)程中,金屬蒸汽從沸騰的熔池中高速噴射而出,形成輻射狀羽流.羽流帶動(dòng)環(huán)境保護(hù)氣體流動(dòng),在熔池周圍形成內(nèi)旋的渦流.在流-固熱力耦合作用力下,內(nèi)旋的渦流驅(qū)動(dòng)熔池周圍的粉末顆粒運(yùn)動(dòng),形成剝蝕現(xiàn)象.同時(shí),吸卷進(jìn)入熔池的部分粉末顆粒又被高速噴射的羽流驅(qū)動(dòng),形成粉末飛濺現(xiàn)象.因此,SLM 粉末床的剝蝕和飛濺本質(zhì)上是流-固熱力耦合的多相流行為.

(4) 由于熱浮力效應(yīng),環(huán)境保護(hù)氣體受熱后膨脹、并在熔池周圍形成向外輻射的流場(chǎng).但是,熱浮力引起的環(huán)境氣體流動(dòng)沒(méi)有內(nèi)旋的渦流,并且,其流動(dòng)速度遠(yuǎn)小于熔池羽流引發(fā)的流動(dòng)速度.因此,熱浮力引起的環(huán)境氣體流動(dòng)不足以驅(qū)動(dòng)粉末床顆粒,在剝蝕和飛濺行為中不起主導(dǎo)作用.

基于DEM 與CFD 耦合建模,可以計(jì)算和預(yù)測(cè)SLM 中粉末顆粒的溫度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài).結(jié)合光學(xué)在線監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)方法,可以對(duì)SLM 成形過(guò)程中粉末顆粒物質(zhì)的熱/動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行有效探索.