专栏 l 上海交大特种材料研究所增材制造团队提出气雾化制粉工艺粉末缺陷产生机理

上海交通大学特种材料研究所增材制造团队题为“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a newcoupled simulation model”的论文在材料加工领域高水平期刊Materials Design上发表。

该研究建立了多相流与离散相耦合模型，将数值模拟技术和粉末表征实验相结合，解释了气雾化制粉工艺过程中空心粉、卫星粉以及异形粉的形成机理，并基于此提出了相应的气雾化工艺及装备优化策略。本期谷.专栏，将推这一研究成果进行分享。

论文链接：doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110264

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研究成果解析

论文主要使用ANSYS-FLUENT流体仿真软件中的多相流模型（VOF）和离散相颗粒模型（DPM），基于耦合的方式对气雾化工艺进行全过程模拟，分析了金属熔体的剪切、初次破碎、二次破碎、冷却凝固等过程（图1）。

图1.论文的图形摘要

由于研究对象是粉末缺陷，缺陷的尺度在微米级别，所以计算网格必须足够细。为了解决以上问题，论文采用了基于金属相体积分数梯度的自适应网格方法，在保证计算精度的同时提高了计算效率。通过模拟，解析了金属粉末以及缺陷的形成过程，结合运动学和动力学分析给出了各类缺陷形成的原因。研究表明，空心粉可以形成于初次破碎和二次破碎阶段。

图2.初次破碎空心粉形成过程

初次破碎阶段，气液交互作用使得界面处出现了开尔文-霍姆赫兹不稳定效应，产生卷气行为，形成了大量的气泡，该气泡部分进入到破碎的液滴中，导致空心粉产生（图2）；二次破碎阶段液滴的行为和韦伯系数相关，不同韦伯系数下液滴将会产生不同的的破碎行为，当韦伯系数在175到375之间时，其剪切破碎中极易产生空心粉，仿真和粉末表征实验验证了这一现象（图3）。

图3.二次破碎空心粉形成过程

仿真结果表明，不规则形状粉末主要产生在液滴冷却与凝固阶段。这个过程中，液滴被充分加速，气液的速度差导致了作用于液滴的曳力，和液滴自身的表面张力综合作用使得液滴发生变形，从而最终凝固形成不规则粉末（图4）。

图4.异形粉形成过程

在卫星粉形成机理方面，论文通过数值仿真和理论推导发现：二次破碎后不同粒径液滴的飞行速度不同，大液滴飞行速度小于小液滴；小液滴的冷却速度更快。当小液滴撞上大液滴时，并，会发生粘附，形成卫星粉（图5）。

图5.卫星粉形成过程

基于以上分析结果，论文最后给出了抑制缺陷的工艺措施，包括合理使用二级雾化喷嘴，合理布置喷嘴位置，以及控制气体温度等。研究结果对于指导气雾化制粉工艺优化、提升增材制造粉末质量具有重要意义。论文受到国家自然科学基金 (52075327，52004160)、上海市自然科学基金(20ZR1427500)、上海市扬帆计划（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大专项(Z2020001)等经费的资助。

来源：上海交通大学特种材料研究所

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