图7 W粒子浸没的两种机制 。 （a）第一种机制由棕色标记的W粒子的行为表示 。 （b）第二种机制由以黑绿色标记的W粒子的行为表示 。 W粒子的平移速度由白色箭头标记 。
第二种浸没机制表明 ， 随着电子束功率的增加 ， W粒子更有可能浸没在熔池中 ， 其中由于熔池波动剧烈 ， 粒子的平移速度更大 。 功率为1500 W、扫描速度为0.5 m/s的附加模拟（图8）表明 ， 与情况2参数的单轨模拟相比 ， 更多的W颗粒被捕获并均匀分散在熔池中 。 随着电子束功率的增加 ， 固体颗粒上施加了更大的附加流体动力 ， 导致固体颗粒的平移速度更大 。 因此 ， 固体颗粒更有可能克服表面“能量屏障”并浸入熔池中 。 然而 ， 由于克服表面“能量屏障”所需的动能远大于较小颗粒的动能 ， 因此直径较大的颗粒仍打算漂浮在熔池表面（图8a） 。 虽然较高的功率可以在一定程度上分散增强固体颗粒 ， 但在高能量密度下剧烈的熔池波动可能会导致额外的缺陷 ， 例如基体材料的严重飞溅和蒸发 。 因此 ， 在EBM过程中 ， 通过调整扫描速度和功率 ， 很难在单个轨迹中实现均匀的粒子分布 。
图8 电子束功率为1500 W ， 扫描速度为0.5 m/s的模拟 。 （a）熔化过程中温度图的X-Z截面图 。 （b）熔融过程中速度图的Y-Z横截面图 。 整体流体速度随着电子束功率的增加而增加（与图9d相比） ， 这会拖动粒子以更大的平移速度移动 。
另一方面 ， 熔池的演变也受到W颗粒的影响 。 从具有相同功率和扫描速度的纯Cu（图9a）和Cu-W共混物（图9b）的模拟结果来看 ， 随着W颗粒的加入 ， 蒸汽抑制几乎消失 ， 熔池尺寸显著减小 。 这是因为部分电子束照射在W粒子上 ， 而在纯铜的情况下 ， 它全部被铜粉吸收 。 换句话说 ， W颗粒在熔化过程中充当“蓄热器” 。 图9b中的黑色虚线圆圈显示了铜基体中随机缺乏熔合缺陷 ， 这是由W粒子的“蓄热”效应引起的 。 固体颗粒在流场中充当障碍物 ， 迫使流体绕过固体颗粒（图9d） 。 因此 ， 由于随机分布的增强固体颗粒 ， 熔池流场更加混乱 。
图9 在相同功率（425 W）和扫描速度（0.5 m/s）下 ， 对纯铜和铜钨情况进行熔池比较 。 （a）纯铜熔池温度图 。 黑色虚线圆圈表示由表面张力梯度和蒸发引起的蒸汽降 。 （b） Cu-60 wt.%W情况下的温度图 。 黑色虚线圆圈表示铜基体的随机未熔合缺陷 ， 这是由随机分布的W粒子的“蓄热”效应引起的 。 （c）和（d）是分别位于（a）和（b）中垂直黑色虚线处的Y-Z横截面的速度图 ， 其中黑色箭头是流体速度矢量 。
3.3. 消除大块样品中的W颗粒团聚
在大多数情况下 ， 最终产品中不优选增强颗粒团聚 。 W颗粒的浸没机理表明 ， 具有适当层厚的分层沉积方案可以自然消除W颗粒的团聚 。 在逐层制造过程中 ， 先前固化层表面的大多数W颗粒被当前粉末层中的粉末颗粒完全覆盖（图7a） 。 因此 ， 前一层表面的W颗粒很容易被当前层中新熔化的Cu覆盖 ， 然后浸入熔池 。
进行另一个单轨模拟 ， 其中W颗粒最初位于基板表面和粉末层内（图10a和b） ， 以验证分层沉积方案对增强颗粒分散的影响 。 该模拟类似于先前凝固层上方的熔化过程 ， 代表了大块样品的逐层制造过程 。 图10c和d中的W颗粒分布表明 ， 沉积当前层后 ， 前一层表面的大多数W颗粒位于熔体轨迹内 。 此外 ， 尽管W颗粒仍在熔体轨道表面聚集 ， 但在重新熔化过程中 ， 在前一层中形成的W团簇通过熔池流分散 ， 如图10d和e系列所示 。
图10 通过分层沉积方案消除W颗粒团聚 。 （a-b）分别模拟横截面和顶视图中的初始粉末分布 。 （c-d）模拟结果的横截面和俯视图 ， 以及案例3中的工艺参数 。 （e1–e4）W颗粒团聚的分散过程 。 （e1）中的黑色虚线圆圈表示前一层中形成的颗粒团 ， （e2）中的白色箭头表示颗粒团上方的流体流动 ， （e2）和（e3）中的黑色虚线圆圈分别表示漂浮在熔池表面和在熔池内循环的W颗粒 。
低能流是破坏W粒子团的关键因素之一 。 在凹陷流中 ， 表面熔池中心的铜流体被快速驱动到熔池边界 ， 形成凹陷区（图9a） 。 因此 ， 如图10e2所示 ， 颗粒团上方的流体被推到周围（由白色箭头标记） ， 导致一些W颗粒漂浮在熔池表面（由黑色虚线圆圈标记） 。 另一方面 ， 团簇中的其他W颗粒被熔融铜拖曳 ， 在熔池内循环（图10e3中的黑色虚线圆圈） 。 因此 ， 洼地流的“推动效应”打破了前一层中的颗粒团 ， 促进了W颗粒的均匀分布 。
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