国内激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法

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国内激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法

Original 2017-02-21 3D科学谷 3D科学谷

由于激光增材制造技术采用的热源是激光，成形件的最终质量与激光和粉末的耦合效应密切相关。

关于粉末颗粒的大小、球形度与流动性，有一种形象的比喻，像面粉一样，当粉末越均匀，细腻的时候，加工出来的金属产品的表面质量通常越高，但粉末越细腻带来的一个挑战是流动性不高，容易发生“烧糊”了的现象。

如何通过算法从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程，而不是凭着经验来判断加工参数应该如何设置？本期3D科学谷与谷友一起来学习南京航空航天大学顾冬冬教授团队在微观层面上如何实现激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟。

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视频：LLNL激融化金属粉末的热传导过程

金属粉末凝固熔化

传热传质的微观世界

一直以来，围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见，虽然许多关于熔池的模拟也取得了一定的研究成果，但市场上的研究大多集中在温度场和应力场的模拟，是通过改变加工参数来观察温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形件最终质量的影响，并且建立的模型都是宏观层面的。这些研究将粉层视为连续均匀的介质，即相当于把粉末层视为块体，并未考虑粉末颗粒堆垛的特殊结构所带来的影响。

图：激光点和邻近被加热的材料

现实中，由于粉末颗粒之间存在大量的孔隙，因而粉体对激光的吸收不同于块体，空隙对激光的吸收类似于黑体，激光经过穿透和反射可以进入粉层更深处，这就大大提高了材料对激光的吸收率。并且，粉末颗粒的外表面多为球体或者其他不规则多面体，大大增加了表面积，也提高了粉层表面的受光面积，这也与块体材料所不同。所以从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程是有必要的。

南京航空航天大学顾冬冬教授团队针对上述市场上技术的不足，提供了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法。考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟以记录粉末颗粒熔化过程，无需改变加工参数后观察温度场和的变化，解决了现有技术在宏观层面建立熔池模型且未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响的技术问题。

包括如下步骤：

- 在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆积模型，所述三维随机分布颗粒堆积模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末颗粒形成；

- 构建所述三维随机分布颗粒堆积模型的控制方程；

- 采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆积模型以获取熔化流动过程。

图：介观尺度的粉床模型原理图

来源南京航空航天大学

图：纯AlSi10Mg颗粒模型网格划分图

来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg+TiC增强相复合材料模型网格划分图

来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程温度分布云图

来源南京航空航天大学