国内激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法

Original 2017-02-20 3D科学谷 3D科学谷

在激光加工环境下，金属熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥着作用，此前，美国国家标准与技术研究院-NIST计划建立一个增材制造测试平台，用于评估过程测量和控制技术，使他们能够观察金属粉末的熔融和凝固过程、整合过程计量工具，并开发出基于数据获取的过程测量/测试的控制算法和软件。

除了国际上研究的融化过程前、中、后变量之间的相互作用，在复合材料激光加工过程中，又发生了什么呢？复合材料中的增强颗粒与熔体间是如何相互影响的呢？我国是否在研究金属融化过程中的变量相关性上有关键进展呢？本期，3D科学谷与谷友一起来学习下南京航空航天大学顾冬冬教授团队的“新得”，看一下他们的创新是如何填补了国际上的空白。

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视频：LLNL激融化金属粉末的热传导过程

增强颗粒

的运动

激光加工过程中，熔池内增强颗粒与熔体界面间的传热传质过程对颗粒的运动行为有重要影响，进而影响组织的均匀性；尤其对比重悬殊的材料体系，激光导致的非平衡熔池将加速颗粒的上浮或下沉；同时，增强颗粒的分布形态还与熔体的流动与液固前沿有密切联系。

增强颗粒与熔体界面传热传质的数值模拟是涉及三维空间尺度和多物理场的复杂研究工作，以往的研究工作侧重于整个熔池的温度场与速度场，包括粉体熔化界面、凝固界面和气-液界面，但都基本没有涉及熔体与增强颗粒间的相互作用，尤其是定量地分析增强颗粒与熔体间传热传质过程。与增强颗粒毗邻的金属熔体具有较大温度梯度和变化较为明显的动力粘度，即存在着流体力学中的热边界层。

增强颗粒在激光作用下，其表面会发生熔化并伴随着元素扩散，进而颗粒/熔体界面附近会形成化学成分梯度。在化学成分梯度和温度梯度共同作用下，颗粒/熔体界面处流体的流变特性将极为复杂，目前只能依靠一些经验值和不完善的数学模型进行解析计算，不能定量且动态地反应增强颗粒与熔体界面间的冶金行为。

同时，激光加工具有高温过热熔化粉体并伴随着熔池快速冷却的特点，实验观察是不现实的。但熔体的增强颗粒在凝固基体中的分布情况直接影响其服役性能，均匀分布的增强颗粒可有效地传递和承载基体所受载荷，避免早期失效。目前，还没有工程可用的激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面传热传质模拟操作软件。

为此，南京航空航天大学发明了激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法。

步骤包括：

第一步：建立包括颗粒和熔体复合熔池三维温度场与流场模型

在Gambit软件中建立零件计算几何模型，并对零件计算几何模型进行网格划分：先将零件计算几何模型分割成规则区域与不规则区域，其中，规则区域划分为六面体网格，而不规则区域则利用四面体网格进行划分；颗粒的周围加大网格密度，远离颗粒的区域疏化网格，当计算结果不随网格精度的增加而变化时，表明模型的计算精度与效率达到了合理化；

第二步：针对第一步建立的物理几何模型建立主控方程

主控方程由质量方程、动量方程和能量守恒方程构成。

第三步：基于计算流体力学软件，进行颗粒与熔体间传热传质的计算

将建立的物理几何模型导入计算流体力学软件，并设置好初始和边界条件，定义熔体流动为层流，采用压力耦合和隐式方法求解质量、动量和能量控制方程，并使其计算迭代直到计算收敛，得到激光加工过程中熔池内颗粒与熔体间温度场、速度场、液相体积分数、受力情况与最终分布形态，导出数据并进行后处理。

图：激光加工过程熔池上表面温度场分布

来源：南京航空航天大学

图:激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面速度场分布

来源：南京航空航天大学

图:激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面压强分布

来源：南京航空航天大学

图:激光加工后凝固基体中增强颗粒体积分布云图

来源：南京航空航天大学

图:激光加工熔池内增强颗粒与熔体界面附近流场分布及受力示意图

来源：南京航空航天大学

图:激光实验加工增强颗粒在凝固基体分布SEM图

来源：南京航空航天大学

南京航空航天大学发明的激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法具有如下好处：

一、利用计算机模拟激光加工过程，采用激光加工过程中熔池内增强颗粒与熔体界面间传热传质的数学物理模型，实现了激光加工凝固后增强颗粒在基体分布状态的模拟，能够动态且定量地研究增强颗粒与熔体界面的温度场、速度场和压力场等，进而预测增强颗粒在凝固基体中的分布状态，从而建立了工艺-界面传热传质过程-组织之间的映射关系，为制定复合材料激光加工工艺，改善增强颗粒在基体中的分布状态和获得均匀的显微组织提供理论指导。因此，南京航空航天大学解决了激光加工过程基于经验或半经验的确定性模型或解析计算问题，实现了增强颗粒与熔体界面间传热传质的定量研究，准确预测增强颗粒在凝固基体中的分布状态。

二、以增强颗粒与熔体界面传热传质为桥梁建立与宏观温度场之间的联系，实现了微观-宏观的多尺度耦合模拟，揭示了增强颗粒与熔体界面间的传热传质规律，即增强颗粒在熔体作用下的运动机制和最终在凝固组织中的分布状态。

三、利用数值模拟、流体动力学和材料热力学等多学科结合，在不同尺度和位置上再现增强颗粒与熔体界面间的传热传质过程，定量研究增强颗粒冶金热力学和动力学机制，并且可预测增强颗粒分布状态，计算结果和实验结果相吻合。

除了研究激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的相关性，南京航空航天大学还研究了基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法等等。

参考资料：CN105868434A

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