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增强微粒在金属基复合材料粉末床熔合增材制造中的分散( 二 )

Nature 动力学


2、方法
2.1. 熔池动力学
应用Hirt和Sicilian提出的孔隙度技术来计算由复杂固体几何形状约束的流体流动 。 该方法利用矩形网格中的开放体积/面积分数来表示计算域中的固体障碍物 。 在本研究中 ， 假设液相为层流不可压缩牛顿流体 。
2.2. 增强固体颗粒动力学
在本研究中 ， 将增强固体颗粒视为刚体 。 为了计算方便 ， 局部坐标系的原点是刚体的质心 ， 即球形粒子的中心 。 平移和旋转运动分别在全局坐标系和局部坐标系中求解 ， 如图1a所示 。

图1 强化固体颗粒动力学示意图 。
2.3. 实验和模拟装置
所有样品均采用钨-铜（W-Cu）元素粉末与60 wt.%W和40 wt.%Cu的混合物制成 。 钨粉是通过钨丝电爆炸制造的 ， 铜粉是通过气体雾化制造的 。 钨和铜粉的直径都在45μm（D10）到105μm（D90）之间 ， 中间直径约为75μm（D50） 。 钨粉、铜粉及其混合物的形态如图2所示 。

图2 粉末形态 。 （a） W-60 wt%和Cu-40 wt%粉末混合物的显微镜图像 ， 未显示出明显的团聚 。 （b）铜粉的扫描电子显微镜（SEM）图像 。 （c） W粉末的SEM图像 。
在本研究的工艺参数下 ， W颗粒保持未熔化 ， 而铜颗粒部分或完全熔化 。
3、结果与讨论
3.1. W粒子在单轨中的分布
图3显示了单轨模拟和实验结果的俯视图 ， 其中X、Y和Z分别是扫描方向、横向和样本构建方向 。 在单轨模拟情况1至3中 ， 工艺参数分别与实验参数相同 。 如图3a系列所示 ， 当能量密度不足以熔化粉末层下方的铜基板时 ， 熔化的铜粉颗粒打算合并在一起并形成孤立的球 ， 这可以最小化表面能 。 同时 ， 在实验和模拟结果中 ， 钨粒子镶嵌在铜球表面 。 在情况2和3中 ， 随着能量密度的增加 ， 铜基板被熔化 ， 形成连续的熔体轨迹 ， 并且球化现象消失 ， 如图3b和c系列所示 。 与情况1类似 ， W颗粒仍在熔体轨道表面聚集 ， 且现象不随扫描速度和电子束功率而变化 。

图3 单轨模拟（左）和实验（右）结果的俯视图 。 （a1-a2）电子束功率为225 W ， 扫描速度为0.5 m/s 。 （b1-b2）电子束功率为425 W ， 扫描速度为0.5 m/s 。 （c1-c2）电子束功率为425 W ， 扫描速度为0.25 m/s 。 模拟中从0到1的熔合区色条表示完全熔化区为1 ， 非熔化区为0 。
进一步比较横截面以检查W粒子分布 。 如案例2（图4a系列）和案例3（图4b系列）结果所示 ， 大多数W颗粒在熔体轨道表面聚集 ， 只有少数颗粒浸入熔体轨道内 。 对于情况2和3的模拟结果 ， 熔体轨迹深度分别约为160和195μm ， 熔体轨迹宽度分别约为476和504μm ， 与实验测量结果吻合良好 。 此外 ， 模拟结果中的W粒子分布与实验观察结果一致 ， 这进一步证明了我们模型的准确性 。

图4 单轨的模拟横截面图（左）和实验结果的SEM成像（右） 。 （a1-a2）电子束功率：425 W ， 扫描速度：0.5 m/s 。 （b1-b2）电子束功率：425 W ， 扫描速度：0.25 m/s 。 模拟中从0到1的熔合区色条将完全熔化区描述为1 ， 非熔化区描述为0 。
3.2. W粒子-熔池相互作用
通过理论讨论和数值验证 ， 阐明了增强固体颗粒与熔池之间的相互作用 。 在熔化过程中 ， W颗粒从粉末床移动到熔池 ， 周围介质从气体变为液体 。 在本研究中 ， 在增强固体颗粒的动力学中考虑了曲率力、水动力阻力、有效浸入力、范德华力和重力 。
图5a中的结果表明 ， 在熔融过程中 ， 即使相对速度为0.1 m/s ， 颗粒靠近凝固前沿 ， 颗粒之间的范德华力也比流体动力阻力低一个数量级 。

图5 （a）不同力引起的加速度和增强固体颗粒直径之间的关系 。 （b） AM过程中颗粒临界速度和颗粒直径（黑线）之间的关系以及凝固前沿速度的共同范围（红橙色条） 。
在没有对固体颗粒施加曲率力或有效浸入力的情况下 ， 进行了额外的模拟 ， 以验证上述讨论 。 如图6b系列所示 ， 当不考虑有效浸入力（无润湿效应）时 ， 固液界面处的曲率力将W颗粒推出熔池 ， 凝固后没有W颗粒镶嵌在铜基体上 。 如果不包括曲率力（不包括固体颗粒运动对流体流动的影响） ， 大多数W颗粒会快速浸入熔池 ， 很少颗粒嵌入熔体轨迹表面 ， 如图6c系列所示 。

图6曲率力和有效浸入力对固相颗粒力学增强的影响 。
通过跟踪模拟情况3中的粒子运动 ， 我们发现浸没来自以下两种机制 。 图7a系列显示了第一种机制 。 最初 ， W颗粒（以棕色标记）被铜粉颗粒（或其他W颗粒）完全包围 。 在电子束扫描过程中 ， W颗粒直接被熔化的铜覆盖 ， 然后在熔池内移动 。 第二种机构如图7b系列所示 。 当漂浮的W颗粒（标记为黑绿色）与其他W颗粒碰撞时 ， 颗粒速度方向突然改变到熔池的内部区域 。 如果动能足以克服曲率力的作用 ， 则W粒子会移动到熔池中 。 在所有示踪W颗粒中 ， 86.5%的颗粒在凝固后镶嵌在熔体轨迹表面 ， 11.3%的颗粒因第一种机制而沉入 ， 2.2%的颗粒因第二种机制而沉入 。 由于粉末直径与本研究中的粉末层厚度相当 ， 因此很少有W颗粒完全被铜粉覆盖 ， 尤其是对于直径较大的W颗粒 。 因此 ， 大多数W颗粒留在熔池表面 ， 少数颗粒浸入熔池内 。

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