在激光加工環(huán)境下，金屬熔融過程中有超過50種不同的因素在發(fā)揮著作用，此前，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院-NIST計劃建立一個增材制造測試平臺，用于評估過程測量和控制技術(shù)，使他們能夠觀察金屬粉末的熔融和凝固過程、整合過程計量工具，并開發(fā)出基于數(shù)據(jù)獲取的過程測量/測試的控制算法和軟件。

除了國際上研究的融化過程前、中、后變量之間的相互作用，在復(fù)合材料激光加工過程中，又發(fā)生了什么呢？復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒與熔體間是如何相互影響的呢？我國是否在研究金屬融化過程中的變量相關(guān)性上有關(guān)鍵進(jìn)展呢？本期，小編和大家一起來學(xué)習(xí)下南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊的“新得”，看一下他們的創(chuàng)新是如何填補(bǔ)了國際上的空白。

激光加工過程中，熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面間的傳熱傳質(zhì)過程對顆粒的運(yùn)動行為有重要影響，進(jìn)而影響組織的均勻性；尤其對比重懸殊的材料體系，激光導(dǎo)致的非平衡熔池將加速顆粒的上浮或下沉；同時，增強(qiáng)顆粒的分布形態(tài)還與熔體的流動與液固前沿有密切聯(lián)系。

增強(qiáng)顆粒與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的數(shù)值模擬是涉及三維空間尺度和多物理場的復(fù)雜研究工作，以往的研究工作側(cè)重于整個熔池的溫度場與速度場，包括粉體熔化界面、凝固界面和氣-液界面，但都基本沒有涉及熔體與增強(qiáng)顆粒間的相互作用，尤其是定量地分析增強(qiáng)顆粒與熔體間傳熱傳質(zhì)過程。與增強(qiáng)顆粒毗鄰的金屬熔體具有較大溫度梯度和變化較為明顯的動力粘度，即存在著流體力學(xué)中的熱邊界層。

增強(qiáng)顆粒在激光作用下，其表面會發(fā)生熔化并伴隨著元素擴(kuò)散，進(jìn)而顆粒/熔體界面附近會形成化學(xué)成分梯度。在化學(xué)成分梯度和溫度梯度共同作用下，顆粒/熔體界面處流體的流變特性將極為復(fù)雜，目前只能依靠一些經(jīng)驗(yàn)值和不完善的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解析計算，不能定量且動態(tài)地反應(yīng)增強(qiáng)顆粒與熔體界面間的冶金行為。

同時，激光加工具有高溫過熱熔化粉體并伴隨著熔池快速冷卻的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)觀察是不現(xiàn)實(shí)的。但熔體的增強(qiáng)顆粒在凝固基體中的分布情況直接影響其服役性能，均勻分布的增強(qiáng)顆粒可有效地傳遞和承載基體所受載荷，避免早期失效。目前，還沒有工程可用的激光加工過程熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)模擬操作軟件。

為此，南京航空航天大學(xué)發(fā)明了激光3D打印復(fù)合材料熔池內(nèi)增強(qiáng)相與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的模擬方法。

步驟包括：

第一步：建立包括顆粒和熔體復(fù)合熔池三維溫度場與流場模型

在Gambit軟件中建立零件計算幾何模型，并對零件計算幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：先將零件計算幾何模型分割成規(guī)則區(qū)域與不規(guī)則區(qū)域，其中，規(guī)則區(qū)域劃分為六面體網(wǎng)格，而不規(guī)則區(qū)域則利用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分；顆粒的周圍加大網(wǎng)格密度，遠(yuǎn)離顆粒的區(qū)域疏化網(wǎng)格，當(dāng)計算結(jié)果不隨網(wǎng)格精度的增加而變化時，表明模型的計算精度與效率達(dá)到了合理化；

第二步：針對第一步建立的物理幾何模型建立主控方程

主控方程由質(zhì)量方程、動量方程和能量守恒方程構(gòu)成。

第三步：基于計算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行顆粒與熔體間傳熱傳質(zhì)的計算

將建立的物理幾何模型導(dǎo)入計算流體力學(xué)軟件，并設(shè)置好初始和邊界條件，定義熔體流動為層流，采用壓力耦合和隱式方法求解質(zhì)量、動量和能量控制方程，并使其計算迭代直到計算收斂，得到激光加工過程中熔池內(nèi)顆粒與熔體間溫度場、速度場、液相體積分?jǐn)?shù)、受力情況與最終分布形態(tài)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理。

    圖：激光加工過程熔池上表面溫度場分布，來源：南京航空航天大學(xué)

   

    圖:激光加工過程熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面速度場分布，來源：南京航空航天大學(xué)

    

    圖:激光加工過程熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面壓強(qiáng)分布，來源：南京航空航天大學(xué)

 

    圖:激光加工后凝固基體中增強(qiáng)顆粒體積分布云圖，來源：南京航空航天大學(xué)

    圖:激光加工熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面附近流場分布及受力示意圖，來源：南京航空航天大學(xué)

    圖:激光實(shí)驗(yàn)加工增強(qiáng)顆粒在凝固基體分布SEM圖，來源：南京航空航天大學(xué)

南京航空航天大學(xué)發(fā)明的激光3D打印復(fù)合材料熔池內(nèi)增強(qiáng)相與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的模擬方法具有如下好處：

 一、利用計算機(jī)模擬激光加工過程，采用激光加工過程中熔池內(nèi)增強(qiáng)顆粒與熔體界面間傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)物理模型，實(shí)現(xiàn)了激光加工凝固后增強(qiáng)顆粒在基體分布狀態(tài)的模擬，能夠動態(tài)且定量地研究增強(qiáng)顆粒與熔體界面的溫度場、速度場和壓力場等，進(jìn)而預(yù)測增強(qiáng)顆粒在凝固基體中的分布狀態(tài)，從而建立了工藝-界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)過程-組織之間的映射關(guān)系，為制定復(fù)合材料激光加工工藝，改善增強(qiáng)顆粒在基體中的分布狀態(tài)和獲得均勻的顯微組織提供理論指導(dǎo)。因此，南京航空航天大學(xué)解決了激光加工過程基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的確定性模型或解析計算問題，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)顆粒與熔體界面間傳熱傳質(zhì)的定量研究，準(zhǔn)確預(yù)測增強(qiáng)顆粒在凝固基體中的分布狀態(tài)。

 二、以增強(qiáng)顆粒與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)為橋梁建立與宏觀溫度場之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了微觀-宏觀的多尺度耦合模擬，揭示了增強(qiáng)顆粒與熔體界面間的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，即增強(qiáng)顆粒在熔體作用下的運(yùn)動機(jī)制和最終在凝固組織中的分布狀態(tài)。

三、利用數(shù)值模擬、流體動力學(xué)和材料熱力學(xué)等多學(xué)科結(jié)合，在不同尺度和位置上再現(xiàn)增強(qiáng)顆粒與熔體界面間的傳熱傳質(zhì)過程，定量研究增強(qiáng)顆粒冶金熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)制，并且可預(yù)測增強(qiáng)顆粒分布狀態(tài)，計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

 除了研究激光3D打印復(fù)合材料熔池內(nèi)增強(qiáng)相與熔體界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的相關(guān)性，南京航空航天大學(xué)還研究了基于時間和空間主動跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法，激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法等等。