國內激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法

由於激光增材製造技術採用的熱源是激光，成形件的最終質量與激光和粉末的耦合效應密切相關。

關於粉末顆粒的大小、球形度與流動性，有一種形象的比喻，像麵粉一樣，當粉末越均勻，細膩的時候，加工出來的金屬產品的表面質量通常越高，但粉末越細膩帶來的一個挑戰是流動性不高，容易發生「燒糊」了的現象。

如何通過演算法從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔化、傳熱傳質過程，而不是憑著經驗來判斷加工參數應該如何設置？本期3D科學谷與谷友一起來學習南京航空航天大學顧冬冬教授團隊在微觀層面上如何實現激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬。

視頻：LLNL激融化金屬粉末的熱傳導過程

金屬粉末凝固熔化

傳熱傳質的微觀世界

一直以來，圍繞激光和粉層的作用機理和過程式控制制的研究並不多見，雖然許多關於熔池的模擬也取得了一定的研究成果，但市場上的研究大多集中在溫度場和應力場的模擬，是通過改變加工參數來觀察溫度場和應力場的變化，從而分析預測不同加工參數對成形件最終質量的影響，並且建立的模型都是宏觀層面的。這些研究將粉層視為連續均勻的介質，即相當於把粉末層視為塊體，並未考慮粉末顆粒堆垛的特殊結構所帶來的影響。

圖：激光點和鄰近被加熱的材料

現實中，由於粉末顆粒之間存在大量的孔隙，因而粉體對激光的吸收不同於塊體，空隙對激光的吸收類似於黑體，激光經過穿透和反射可以進入粉層更深處，這就大大提高了材料對激光的吸收率。並且，粉末顆粒的外表面多為球體或者其他不規則多面體，大大增加了表面積，也提高了粉層表面的受光面積，這也與塊體材料所不同。所以從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔化、傳熱傳質過程是有必要的。

南京航空航天大學顧冬冬教授團隊針對上述市場上技術的不足，提供了激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法。考慮到粉末顆粒堆垛結構對激光吸收率的影響，在介觀尺度下模擬粉末顆粒與激光耦合的過程，對耦合過程的溫度進行數值模擬以記錄粉末顆粒熔化過程，無需改變加工參數後觀察溫度場和的變化，解決了現有技術在宏觀層面建立熔池模型且未考慮粉末顆粒堆垛結構對光固耦合過程的影響的技術問題。

包括如下步驟：

- 在介觀尺度下建立粉床的三維隨機分布顆粒堆積模型，所述三維隨機分布顆粒堆積模型通過向介觀尺度下粉床部分及其上方空氣區域組成的計算區域內隨機填充粉末顆粒形成；

- 構建所述三維隨機分布顆粒堆積模型的控制方程；

- 採用多相流演算法在控制方程約束下解算所述三維隨機分布顆粒堆積模型以獲取熔化流動過程。

圖：介觀尺度的粉床模型原理圖

來源南京航空航天大學

圖：純AlSi10Mg顆粒模型網格劃分圖

來源南京航空航天大學

圖：AlSi10Mg+TiC增強相複合材料模型網格劃分圖

來源南京航空航天大學

圖：AlSi10Mg顆粒與激光耦合過程溫度分布雲圖

來源南京航空航天大學

圖：AlSi10Mg顆粒受激光輻射熔化過程動態演變截面圖

來源南京航空航天大學

圖：顆粒在激光輻射下燒結頸形成的過程演變圖

來源南京航空航天大學

南京航空航天大學顧冬冬教授團隊的技術方案，具有以下優點：

優點一：考慮了粉層中不同材料顆粒的大小，顆粒間隙中氣相的存在等因素，不再將粉塵視為連續性均勻介質，從介觀尺度採用離散元法生成三維空間顆粒隨機分布的堆垛模型，建立的隨機分布堆垛模型更加接近粉末顆粒的物理模型，為模擬激光束與粉末顆粒光固耦合提供了基礎；

優點二：構建隨機分布堆垛模型的控制方程並建立多相流計算模型，由採用求解壓力耦合的質量、能量、動量傳遞方程進行迭代求解光固耦合過程中的溫度；

優點三：通過對光固耦合溫度的數值模擬得到粉塵顆粒熔化記錄，觀察到不同時刻由顆粒熔化坍塌流動形成三維熔池的具體過程，獲得了沿著某一橫截面和縱截面的溫度分布圖、速度矢量圖以及燒結頸形成圖，並可根據模擬結果初步預測出燒結成形件的緻密度和孔隙有可能出現的位置。

激光點加熱金屬粉末，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。南京航空航天大學的研究對現有技術做出的貢獻在於可以以軟體產品的形式體現出來，從而使高質量的製造更加具有一致性，可控性和可追溯性。

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