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　　原標(biāo)題：新加坡國(guó)立大學(xué)&清華大學(xué)重磅Acta：激光粉末增材制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

　　導(dǎo)讀：了解復(fù)雜的多相相互作用對(duì)于減少金屬基復(fù)合材料增材制造 (AM) 中的缺陷是至關(guān)重要的。在這項(xiàng)研究中，研究者們提出了一個(gè)高保真模型，使用求解計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和離散元方法 (CFD-DEM) 以及雙向動(dòng)量和能量交換來(lái)揭示AM 過(guò)程中熔池和增強(qiáng)固體顆粒的動(dòng)態(tài)。用單質(zhì)粉末共混制的鎢銅復(fù)合材料的電子束熔化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。結(jié)果表明，包括動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕現(xiàn)象和拉普拉斯壓力在內(nèi)的界面效應(yīng)在固相顆粒增強(qiáng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中起著重要作用。另一方面，熔池中強(qiáng)化固體顆粒的存在改變了熔池尺寸，也改變了熔化過(guò)程中的流場(chǎng)。雖然界面效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鎢顆粒在單軌表面團(tuán)聚，但適當(dāng)層厚的分層沉積方案消除了團(tuán)簇，促進(jìn)鎢顆粒在致密體試樣中的均勻分布，這表明AM能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)固體顆粒在金屬基體中的自發(fā)分散。這項(xiàng)工作為金屬基復(fù)合材料AM過(guò)程中的多相動(dòng)力學(xué)提供了的細(xì)節(jié)。

　　金屬基復(fù)合材料 (MMC) 包括金屬基體的特性（延展性和韌性）和增強(qiáng)相（高強(qiáng)度和剛度），它具有優(yōu)異的機(jī)械和功能特性，例如出色的耐磨性、可控的熱膨脹系數(shù)和良好的抗侵蝕性。由于所展示的好處，近幾十年來(lái)，MMCs 在航空航天、電子和其他高附加值行業(yè)中蓬勃發(fā)展。MMCs的傳統(tǒng)加工工藝主要有液態(tài)（如鑄造、滲液）和固態(tài)（如粉末冶金）加工。然而，這些傳統(tǒng)方法仍然難以制造出經(jīng)濟(jì)且高質(zhì)量的MMC產(chǎn)品。例如，如何解決增強(qiáng)微粒含量與其在基體中的均勻分布之間的沖突是主要瓶頸之一，這阻礙了廣泛應(yīng)用的高性能輕質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)。大含量增強(qiáng)顆粒的團(tuán)聚顯著提高了材料變形過(guò)程中的應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致早期損壞和失效。此外，由于需要昂貴的模具和專用的前后處理程序，制造復(fù)雜形狀或小尺寸的組件仍然具有很大挑戰(zhàn)性。

　　粉末熔融金屬增材制造 (AM) 技術(shù)，如選擇性激光熔化 (SLM)、電子束熔化 (EBM) 和直接能量沉積 (DED)等，已成為有效制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和用戶定義性質(zhì)的金屬產(chǎn)品的有力工具。這些優(yōu)勢(shì)引起人們更多的對(duì)通過(guò)AM技術(shù)制造高性能和近凈形 MMC 零件的關(guān)注。然而，制造過(guò)程中復(fù)雜的多相動(dòng)力學(xué)，直接影響著已建成零件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，目前的實(shí)驗(yàn)研究還沒(méi)有很好的解釋。例如，基于MMC產(chǎn)品的后處理表征分析了增強(qiáng)顆粒分散的機(jī)理。不能再現(xiàn)熔池中的粒子運(yùn)動(dòng)，可能導(dǎo)致結(jié)論不正確。此外，由于增材制造材料經(jīng)歷了獨(dú)特的熔化/凝固行為（例如，熔池劇烈流動(dòng)并快速凝固），增材制造工藝中的顆粒分散機(jī)制可能不同于與傳統(tǒng)加工技術(shù)。因此，必須了解MMC、AM過(guò)程中的多相動(dòng)力學(xué)。

　　近，超快成像技術(shù)，如高速光學(xué)成像和超快X射線成像已經(jīng)被應(yīng)用于觀察熔化過(guò)程中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)。然而，由于成像系統(tǒng)的限制，增強(qiáng)粒子的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仍然難以捉摸。另一方面，數(shù)值模擬正成為揭示增材制造多相動(dòng)力學(xué)的有力工具。在各種數(shù)值方法中，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 和離散元方法 (DEM) 在再現(xiàn)增材制造過(guò)程中的中尺度現(xiàn)象方面特別成功。以往的研究主要應(yīng)用 DEM 來(lái)研究粉末擴(kuò)散過(guò)程并將生成的粉末層進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到CFD模型中以模擬粉末床融合過(guò)程。許多現(xiàn)象已成功被重現(xiàn)，如熔池流動(dòng)、未融合、成球效應(yīng)、小孔生成和液體濺射等. 然而，CFD和DEM都不能獨(dú)立闡明熔融過(guò)程中的多相相互作用，這促進(jìn)了 AM 的 CFD-DEM 耦合模型的發(fā)展。近，一些研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā) CFD-DEM 耦合模型，以重現(xiàn)單材料 AM 過(guò)程中的多相動(dòng)力學(xué)。提出了一個(gè)未解決的 CFD-DEM 模型來(lái)模擬氣體 - 粉末相互作用，揭示了粉末飛濺和剝落的機(jī)制。又提出了一個(gè)半耦合解析 CFD-DEM 模型來(lái)研究激光熔化過(guò)程中粉末顆粒和熔池的耦合運(yùn)動(dòng)。還開(kāi)發(fā)了一種半耦合解析 CFD-DEM 模型，以揭示不同環(huán)境壓力下的液-氣-粉末相互作用。到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于MMC AM 過(guò)程中多相動(dòng)力學(xué)建模的研究報(bào)道。

　　新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系閆文韜教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)手清華大學(xué)在研究中提出了一種結(jié)合了雙向動(dòng)量和能量交換的解析CFD-DEM 耦合模型，以揭示增強(qiáng)固體顆粒與熔池的耦合運(yùn)動(dòng)。此模型通過(guò)鎢銅元素粉末混合物的 EBM 實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。通過(guò)模擬和理論分析，以的細(xì)節(jié)闡明了增強(qiáng)固體顆粒和熔池流動(dòng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)?；趯?duì)熔池-固體顆粒相互作用的理解，提出了一種實(shí)用的制造策略來(lái)消除鎢顆粒的團(tuán)聚并獲得致密的大塊樣品。此篇報(bào)告中清晰再現(xiàn)了強(qiáng)化固體顆粒和熔池動(dòng)力學(xué)在 MMC AM 工藝。相關(guān)研究成果以Dispersion of reinforcing micro-particles in the powder bed fusion additive manufacturing of metal matrix composites為題發(fā)表在材料學(xué)頂刊Acta Materialia上。

　　圖 1. 增強(qiáng)型固體顆粒動(dòng)力學(xué)示意圖。(a) 黃色波浪和黑色圓圈分別代表熔體和增強(qiáng)固體顆粒。{XYZ}和{XYZ}分別是全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系。(b) 當(dāng)固體顆粒漂浮在熔池表面時(shí)，有效浸入力Fim和曲率力Fr是固體顆粒的主要驅(qū)動(dòng)力。Fim和Fr分別等于線張力的積分fim和拉普拉斯壓力PSL

　　所有樣品都是用鎢-銅(W-Cu)元素粉末混合60 wt. %W和40 wt. %Cu制的。W粉采用鎢絲電爆法制，銅粉采用氣體霧化法制。W和Cu粉末的直徑均在45 μm (D10) ~ 105 μm (D90)之間，中位直徑約為75 μm (D50)。W粉、Cu粉及其共混物的形貌如圖2所示。

　　圖 3。單軌模擬（左）和實(shí)驗(yàn)（右）結(jié)果的俯視圖。(a1-a2) 電子束功率為 225 W，掃描速度為 0.5 m/s。(b1-b2) 電子束功率為 425 W，掃描速度為 0.5 m/s。(c1-c2) 電子束功率為 425 W，掃描速度為 0.25 m/s。模擬中從 0 到 1 的熔合區(qū)彩條將完全熔化區(qū)域描繪為 1，將非熔化區(qū)域描繪為 0。

　　圖 4。模擬的橫截面視圖（左）和單軌道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 SEM 成像（右）。(a1-a2) 電子束功率：425 W，掃描速度：0.5 m/s。(b1-b2) 電子束功率：425 W，掃描速度：0.25 m/s。模擬中從 0 到 1 的熔合區(qū)彩條將完全熔化區(qū)域描繪為 1，將非熔化區(qū)域描繪為 0。

　　圖 5。(a) 不同力引起的加速度與增強(qiáng)固體顆粒直徑之間的關(guān)系。(b) 顆粒臨界速度與顆粒直徑（黑線）與 AM 過(guò)程中凝固前沿速度的常見(jiàn)范圍（紅橙色條）之間的關(guān)系。

　　圖 6。圖6所示。曲率力和有效浸入力對(duì)固相顆粒力學(xué)增強(qiáng)的影響。電子束功率為425 W，掃描速度為0.25 m/s。

　　圖 7。W粒子淹沒(méi)的兩種機(jī)制。(a) 種機(jī)制是用棕色標(biāo)記的 W 粒子的行為表示。(b) 第二種機(jī)制以黑綠色標(biāo)記的 W 粒子的行為為代表。W 粒子的平移速度由白色箭頭標(biāo)記。

　　圖 8。以 1500 W 的電子束功率和 0.5 m/s 的掃描速度進(jìn)行模擬。(a) 熔化過(guò)程中溫度圖的 XZ 截面圖。(b) 熔化過(guò)程中速度圖的 YZ 截面圖。整體流體速度隨著電子束功率的增加而增加（與圖 9 d 相比），這會(huì)拖動(dòng)粒子以更大的平移速度移動(dòng)。

　　圖 10。通過(guò)分層沉積方案消除 W 顆粒團(tuán)聚。(ab) 分別用于模擬的橫截面和頂視圖中的初始粉末分布。（cd）案例3中工藝參數(shù)模擬結(jié)果的橫截面和俯視圖。（e1-e4）W粒子團(tuán)聚的分散過(guò)程。(e1)中的黑色虛線圓圈表示上一層形成的粒子簇，(e2)中的白色箭頭表示粒子簇上方的流體流動(dòng)，(e2)和(e3)中的黑色虛線圓圈表示W(wǎng)粒子分別漂浮在熔池表面和在熔池內(nèi)循環(huán)。

　　在這項(xiàng)研究中，我們研究了顆粒增強(qiáng) MMC 在 AM 過(guò)程中增強(qiáng)顆粒的分散。通過(guò)建立完全耦合的解析 CFD-DEM 模型，明確再現(xiàn)了熔池和增強(qiáng)固體顆粒之間的多相相互作用，揭示了潛在的物理機(jī)制，與 EBM 實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。粉末基金屬增材制造的獨(dú)特制造策略在克服增強(qiáng)顆粒含量與其在基體中的均勻分布之間的沖突方面顯示出誘人的潛力。返回搜狐，查看更多
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