傳熱和流體流動建模

激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造涉及復(fù)雜的物理過程。特別是，吸收的激光束能量熔化顆粒并形成熔池，在熔池中主要由表面張力梯度（或馬蘭戈尼剪切應(yīng)力）驅(qū)動發(fā)生強(qiáng)烈的流體流動。傳熱和流體流動受粉末床中粉末顆粒的局部排列的顯著影響，這些排列可能因位置而異。由于高度瞬態(tài)的流體流動，熔池表面（自由表面）的形狀不斷演變，影響最終的表面質(zhì)量。

數(shù)值建模方法

為了定量了解粉末堆積特性、工藝參數(shù)和熔池動力學(xué)對表面質(zhì)量的影響，本研究使用了兩個模型。第一個模型是基于 Yade開發(fā)的粉末顆粒堆積模型，Yade是一種開源的離散元方法 (DEM) 代碼。它提供粒子堆疊信息（例如，單個粒子的位置和半徑）。然后將此類信息輸入到第二個模型中，即基于FLOW-3D的 3D 瞬態(tài)熔池模型。兩種模型的詳細(xì)信息可在文獻(xiàn) [1] 中找到?；贔LOW-3D的熔池模型的顯著特征，總結(jié)如下。

瞬態(tài)流體流動模擬在尺寸為 1000 μm（長度）、270 μm（寬度）和 190 μm（高度）的 3D 計算域中執(zhí)行，如圖 1 所示。該域包含 50 μm 厚的層粉末顆粒鋪設(shè)在 90 微米厚的基板上。域的提示最初是用空白填充的。使用 DEM 模擬的結(jié)果初始化粉末層幾何形狀。為了在減少細(xì)胞總數(shù)的同時最大化空間分辨率，使用偏置網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格尺寸在基板中從 9 μm 連續(xù)減小到 3 μm 到基板/粉末層界面。粉末層及其上方的空隙中的網(wǎng)格尺寸保持恒定為 3 μm。細(xì)胞總數(shù)為143萬個。

對于邊界條件，基于高斯分布的指定熱通量施加在粉末層的頂面上，以表示沿 X 方向移動的激光的熱輸入。使用FLOW-3D中可用的改進(jìn)表面張力模型包括與溫度相關(guān)的表面張力 。對于其他熱物理特性，使用 FLOW-3D 數(shù)據(jù)庫中可用的 IN718 合金數(shù)據(jù)。

在配備 Intel? Xeon? 處理器 E5335 和 4 GB RAM 的中等功率工作站中，大約 600 微秒長的 L-PBF 的瞬態(tài)仿真需要大約 40 小時的時鐘時間才能完成。

結(jié)果與討論

圖 2 繪制了時間 = 55 μs 時熔池中的溫度等值面和速度矢量的縱向截面圖（即，平行于激光行進(jìn)方向的截面）。熔池邊界由 1608.15 K 處的等溫線表示，這是 IN718 的液相線溫度。如圖右側(cè)所示，顆粒部分熔化到熔池中。在熔池表面附近，熔融金屬從激光束正下方的中心位置被拉到池的后端。熔池表面附近熔融金屬的這種回流產(chǎn)生了在激光束下方凹陷的表面輪廓，同時它形成了朝向池后端的隆起。正如下面所討論的，隆起的形狀會導(dǎo)致球化缺陷的形成。

如圖 3 所示，當(dāng)熔池變得不連續(xù)并破裂成分離的島時，可能會出現(xiàn)球化缺陷。如?Flow-3D AM?模擬所示，激光束正下方的熔池不穩(wěn)定，后端迅速破裂從正面形成一個獨(dú)立的島嶼。分離從熔池中間的空隙開始，如圖 3（c）所示。隨著激光繼續(xù)向前行進(jìn)，這個空隙會擴(kuò)大，最終將熔池分成兩部分，如圖 1 和 2 所示。3(e) 和 (f)?？障兜男纬杉捌渑蛎浛赡苁怯杀砻鎻埩μ荻龋R蘭戈尼效應(yīng)）驅(qū)動的強(qiáng)烈回流引起的。

總結(jié)

Flow-3D AM?對 L-PBF 中的傳熱和流體流動進(jìn)行 3D 瞬態(tài)模擬，以定量了解球化缺陷的形成。雖然只模擬了一個簡單的線性軌道，但本模型顯示了粉末水平模擬在研究熔池表面輪廓和球化缺陷形成方面的重要性，這是最終構(gòu)建質(zhì)量的重要屬性。

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