激光选区熔化增材制造中的粉体热动力学行为

激光选区熔化(SLM)可以直接成形近全致密、性能接近锻件的复杂结构金属零件,是金属增材制造(3D打印)领域的热点技术之一.SLM成形过程中粉末颗粒的热/动力学行为复杂,与零件成形缺陷及力学性能紧密相关.本文介绍了离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)联合建模在SLM中的创新应用,结合粉末床原位测试及成形在线监测,探索SLM粉末铺设和粉末床熔融两个工艺环节的复杂粉体热/动力学行为机制.研究发现,粉末铺设过程中:粉体的黏结效应、壁面效应和渗流效应3种机制相互竞争、共同支配粉末动力学行为并最终决定粉末床铺设质量.粉末床熔融过程中:熔池喷发的高温金属蒸汽带动环境保护气体形成内旋涡流,由此驱动散体粉末形成复杂流固耦合运动,导致粉末床飞溅与剥蚀现象;热浮力效应对粉末运动不起主导作用.文中提出了DEM-CFD双向动态耦合模型,可以充分考虑离散粉末与熔池蒸发气体之间的热力耦合作用,为SLM粉体熔融热/动力学行为的仿真模拟提供了一种新途径.