激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)80年代后興起的一種新的表面處理技術(shù)，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經(jīng)送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復(fù)合材料的工藝方法。這種工藝可以改善基體材料表面的耐磨，耐熱，耐腐蝕的特性。因此，此技術(shù)有很高的經(jīng)濟(jì)效益，目前在制造和修復(fù)金屬零件方面已得到廣泛應(yīng)用，而且在航空航天，機(jī)械電子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的應(yīng)用前景。

此外，傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，雙金屬?gòu)?fù)合界面的結(jié)合方式多采用機(jī)械結(jié)合型復(fù)合或冶金結(jié)合型。激光熔覆技術(shù)在雙金屬的加工方面相比于傳統(tǒng)加工工藝具有著突出的優(yōu)勢(shì)。

粉末控制的學(xué)問

     在激光熔覆過程中，粉末材料的運(yùn)輸非常重要。好的輸送可以減少粉末浪費(fèi)，提高粉末利用率等，故送粉系統(tǒng)成為激光熔覆技術(shù)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，而送粉噴嘴作為送粉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，會(huì)直接影響熔覆零件的質(zhì)量，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)送粉噴嘴進(jìn)行了一系列研究，并取得了一定的成果。

目前激光熔覆技術(shù)中主要有預(yù)置粉末法和同步送粉法。預(yù)置粉末的熔覆層有氣孔，變形，開裂和脫落等缺陷，而且能耗較大，故同步送粉法受到更大程度的青睞。同步送粉法又分為側(cè)向送粉與同軸送粉。側(cè)向送粉是指在激光束的一側(cè)安置送粉噴嘴，這種送粉方式不適用于復(fù)雜三維軌跡，故在3D打印技術(shù)中，主要考慮同軸送粉的方式。

       同軸送粉又分為自重式送粉和載氣式送粉，自重式送粉是依靠粉末的重力進(jìn)行輸送，這種送粉方式粉末利用率高，但輸送的粉末連續(xù)性差，水平方向動(dòng)力不足，影響粉末匯聚，降低利用率造成較大浪費(fèi)。載氣式送粉是基于固氣兩相流原理，依靠氣體的動(dòng)力輸送粉末，這種方式粉末混合均勻可以連續(xù)輸送。但由于受氣體影響較大，難以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。目前3D打印技術(shù)中的噴頭主要運(yùn)用載氣式送粉來實(shí)現(xiàn)打印過程?；谝陨贤S送粉的一系列問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和工程師都致力于同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)和改進(jìn)來克服送粉時(shí)的缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)分析

數(shù)值模擬在對(duì)送粉的控制中發(fā)揮了重要的作用，本文通過對(duì)不同文獻(xiàn)的研究方向進(jìn)行了組略的概括。

這里的文獻(xiàn)中存在以下簡(jiǎn)化：

1. 經(jīng)分析在同軸送粉的所有模型中，粉末與總氣體的體積比值遠(yuǎn)小于0.1，在此情況下粉末為流體中的非連續(xù)性介質(zhì)，故可以運(yùn)用離散相定義其性質(zhì)并模擬。

2. 打印料材粉末在固體基底上的相變凝固時(shí)一個(gè)復(fù)雜多變的過程，為簡(jiǎn)化噴頭附近的粉末流流場(chǎng)，以下文獻(xiàn)均沒有對(duì)此階段模擬計(jì)算。

3. 以下文獻(xiàn)均采用穩(wěn)態(tài)模擬，考慮計(jì)算精度要求及計(jì)算成本，文獻(xiàn)中的模型均為RANS模型。

- 同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場(chǎng)的數(shù)值模擬

    西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張安峰教授對(duì)載氣式同軸送粉模型進(jìn)行了二維數(shù)值模擬（2008）。主要探究其打印噴頭的錐環(huán)間隙和錐角大小與粉末噴出后的濃度分布關(guān)系。該研究應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值分析，僅為二維軸對(duì)稱計(jì)算，沒有進(jìn)行物理校核試驗(yàn)。計(jì)算的定義域截取噴嘴出口至底部固體基底的流體區(qū)域，但并沒有考慮基底對(duì)粉末流場(chǎng)的影響。

圖1粉末流計(jì)算域（張安峰等）

圖1左側(cè)顯示的時(shí)噴嘴處的二維側(cè)視圖（簡(jiǎn)化圖）右側(cè)顯示為其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格處理圖。該計(jì)算重點(diǎn)探究顆粒流流出噴嘴后的濃度及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。流體區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格區(qū)域，空白區(qū)域?yàn)楣腆w區(qū)域。由左圖可知整個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)關(guān)于中軸線對(duì)稱，為減小計(jì)算成本，該模擬采用軸對(duì)稱建立2D模型。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型，對(duì)于近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。劃分網(wǎng)格時(shí)沒有對(duì)近壁面區(qū)域加密但第一個(gè)節(jié)點(diǎn)不是在log區(qū)域內(nèi)。對(duì)顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡(jiǎn)化為理想氣體。

計(jì)算過程沒有進(jìn)行熱耦合計(jì)算，即沒有開啟能量計(jì)算功能。

文章中并沒有對(duì)粉末的特性（例如粉末大小分布）做詳細(xì)描述。

默認(rèn)氣粉具有相同速度,u=6m/s。

-Numerical simulation of the focused powder streams incoaxial laser cladding

      臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院的Lin教授在2000年發(fā)表的文獻(xiàn)： Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding奠定了早期同軸送粉數(shù)值模型的基礎(chǔ)。這篇文章中的數(shù)值模型構(gòu)建同樣應(yīng)用FLUENT，對(duì)噴嘴出口至底部固體基底的流體區(qū)域（未考慮基底）計(jì)算（圖2）。主要探討內(nèi)部噴嘴出口相對(duì)于外部錐形區(qū)域的位置（內(nèi)置或外凸）。

圖2 粉末流計(jì)算域（Lin.J）

如上文提到，這篇文章為后續(xù)一系列研究奠定了基礎(chǔ)。其設(shè)置條件如下：

由于不規(guī)則的幾何模型限制，此計(jì)算中的坐標(biāo)系選擇BFC（mapped mesh）。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型。

對(duì)顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡(jiǎn)化為理想氣體。

能量方程開啟但沒有考慮因?yàn)榧す廨椛渌a(chǎn)生的能量變化。

計(jì)算粉末流動(dòng)路徑時(shí)，僅考慮拉力、重力和自身慣性力，不考慮周圍氣體對(duì)粉末的影響。

粉末直徑大小分布符合Rossin-Rammler分布（直徑范圍45um-105um/30組）。

入口均勻速度分布。

邊界條件設(shè)置：

速度入口：Uo=4m/sU1=8m/s。

粉末速率：0.04g/s（不銹鋼粉末）

壓強(qiáng)出口（底部為出口）：P0=1atm。

壁面（右側(cè)為壁面）：陷落無滑動(dòng)。

軸對(duì)稱（左側(cè)為軸對(duì)稱）。

- Modeling of coaxial powder flow for the laser direct deposition process

    考慮到激光熔覆的復(fù)雜性，以上所有的文獻(xiàn)在研究粉末濃度分布時(shí)均未考慮激光輻射所產(chǎn)生的熱變化，更沒有涉及到打印料材粉末的相變過程。Wen（2009）在其研究中在模擬粉末流的同時(shí)考慮到了因?yàn)榧す廨椛渌斐傻哪芰孔兓Ｗ拥南嘧冞^程。并且在模擬粒子流的過程中考慮到了不同的粒子形狀對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

     Wen將整個(gè)熔覆過程分為三個(gè)模型：1.紊流的模擬，2.粒子流的模擬，3.粒子加熱的模擬。該模型的計(jì)算域包括粒子流噴出后至熔融基底（不包括基底）的流場(chǎng)，以及部分輸送粒子管道的流場(chǎng)（圖3）。

      在模擬紊流的模型中，Wen同樣選擇了RANS中最常用的標(biāo)準(zhǔn)模型的穩(wěn)態(tài)模擬過程，而在定義粒子時(shí)，他將粒子直徑范圍設(shè)定在45um-150um，與此同時(shí)，形狀參數(shù)也被引進(jìn)來定義不同的粒子形狀。除此之外，這篇文獻(xiàn)也運(yùn)用DPM對(duì)粒子流進(jìn)行模擬。本文最大的亮點(diǎn)在于將激光輻射以及粒子熔融相變考慮在內(nèi)。通過開啟FLUENT中融化與凝固模型（melting& solidification）實(shí)現(xiàn)對(duì)相變過程的模擬，而應(yīng)用UFD來定義激光密度來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的考慮。

該模擬計(jì)算的模型經(jīng)過對(duì)應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)的校核，最終展示了流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)狀態(tài)。邊界條件設(shè)定如圖3。

圖3粉末流計(jì)算域（Wen. S.Y, etc.）

對(duì)比與總結(jié)

     考慮到計(jì)算精度與計(jì)算成本，對(duì)激光熔覆技術(shù)的仿真模擬計(jì)算均采用RANS模型中最常用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。文章中列舉的研究文獻(xiàn)均運(yùn)用FLUENT求解打印粉末的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。經(jīng)預(yù)估3D打印同軸送粉的激光熔覆技術(shù)中粉末流的斯托克數(shù)，得知絕大多數(shù)情況下，此流場(chǎng)的斯托克數(shù)遠(yuǎn)大于1，故流場(chǎng)內(nèi)粉末的運(yùn)動(dòng)主要取決于自身的慣性力或重力，外部流場(chǎng)對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。

    根據(jù)計(jì)算的目的，以上的幾篇文獻(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的熱力學(xué)計(jì)算均作了不同程度的簡(jiǎn)化與假設(shè)。其中西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2008）沒有考慮任何熱力學(xué)方程，而Lin（2000）的模擬計(jì)算中僅考慮了除激光輻射之外的熱量計(jì)算。Wen（2009）通過FLUENT中的UDF實(shí)現(xiàn)了對(duì)離散型粒子流的激光輻射模擬。

      以上的幾篇文獻(xiàn)中，只有Wen的計(jì)算中考慮到了粒子形狀對(duì)流場(chǎng)的影響，其他的研究均假設(shè)粒子為球形。Lin與Wen在模擬粉末流中粒子大小時(shí)均采用Rossin-Rammler分布，而其他文獻(xiàn)中認(rèn)為粒子為大小相同的球體。

通過模擬仿真在針對(duì)DMD激光熔覆3D打印過程中的應(yīng)用，可以對(duì)我國(guó)自主研發(fā)打印機(jī)結(jié)構(gòu)起到指導(dǎo)作用，也使我們更加了解此打印方法的技術(shù)壁壘進(jìn)而深入學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、提升對(duì)3D打印的控制能力。

參考文獻(xiàn)：

張安峰等，同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場(chǎng)的數(shù)值模擬，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，42l9Sep.2008

Lin. J, Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding, Journal of Materials Processing Technology, 105 (2000) 17±23, 2000

Wen. S.Y, etc., Modeling of coaxial powderflow for the laser direct deposition process,International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (2009)5867–5877, 2009

張亦舒

     安世亞太增材設(shè)計(jì)仿真部流體咨詢工程師，美國(guó)Colorado State University環(huán)境工程學(xué)士，環(huán)境流體力學(xué)碩士。參與國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程項(xiàng)目，專長(zhǎng)紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機(jī)機(jī)型方面，對(duì)FDM與DMD機(jī)型均有仿真計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。