激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)80年代后興起的一種新的表面處理技術(shù)，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經(jīng)送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復(fù)合材料的工藝方法。這種工藝可以改善基體材料表面的耐磨，耐熱，耐腐蝕的特性。因此，此技術(shù)有很高的經(jīng)濟(jì)效益，目前在制造和修復(fù)金屬零件方面已得到廣泛應(yīng)用，而且在航空航天，機(jī)械電子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的應(yīng)用前景。

此外，傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，雙金屬復(fù)合界面的結(jié)合方式多采用機(jī)械結(jié)合型復(fù)合或冶金結(jié)合型。激光熔覆技術(shù)在雙金屬的加工方面相比于傳統(tǒng)加工工藝具有著突出的優(yōu)勢。

粉末控制的學(xué)問

     在激光熔覆過程中，粉末材料的運(yùn)輸非常重要。好的輸送可以減少粉末浪費(fèi)，提高粉末利用率等，故送粉系統(tǒng)成為激光熔覆技術(shù)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，而送粉噴嘴作為送粉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，會直接影響熔覆零件的質(zhì)量，因此國內(nèi)外學(xué)者對送粉噴嘴進(jìn)行了一系列研究，并取得了一定的成果。

目前激光熔覆技術(shù)中主要有預(yù)置粉末法和同步送粉法。預(yù)置粉末的熔覆層有氣孔，變形，開裂和脫落等缺陷，而且能耗較大，故同步送粉法受到更大程度的青睞。同步送粉法又分為側(cè)向送粉與同軸送粉。側(cè)向送粉是指在激光束的一側(cè)安置送粉噴嘴，這種送粉方式不適用于復(fù)雜三維軌跡，故在3D打印技術(shù)中，主要考慮同軸送粉的方式。

       同軸送粉又分為自重式送粉和載氣式送粉，自重式送粉是依靠粉末的重力進(jìn)行輸送，這種送粉方式粉末利用率高，但輸送的粉末連續(xù)性差，水平方向動力不足，影響粉末匯聚，降低利用率造成較大浪費(fèi)。載氣式送粉是基于固氣兩相流原理，依靠氣體的動力輸送粉末，這種方式粉末混合均勻可以連續(xù)輸送。但由于受氣體影響較大，難以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。目前3D打印技術(shù)中的噴頭主要運(yùn)用載氣式送粉來實現(xiàn)打印過程?；谝陨贤S送粉的一系列問題，國內(nèi)外許多學(xué)者和工程師都致力于同軸送粉噴嘴的設(shè)計和改進(jìn)來克服送粉時的缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)分析

數(shù)值模擬在對送粉的控制中發(fā)揮了重要的作用，本文通過對不同文獻(xiàn)的研究方向進(jìn)行了組略的概括。

這里的文獻(xiàn)中存在以下簡化：

1. 經(jīng)分析在同軸送粉的所有模型中，粉末與總氣體的體積比值遠(yuǎn)小于0.1，在此情況下粉末為流體中的非連續(xù)性介質(zhì)，故可以運(yùn)用離散相定義其性質(zhì)并模擬。

2. 打印料材粉末在固體基底上的相變凝固時一個復(fù)雜多變的過程，為簡化噴頭附近的粉末流流場，以下文獻(xiàn)均沒有對此階段模擬計算。

3. 以下文獻(xiàn)均采用穩(wěn)態(tài)模擬，考慮計算精度要求及計算成本，文獻(xiàn)中的模型均為RANS模型。

- 同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場的數(shù)值模擬

    西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室的張安峰教授對載氣式同軸送粉模型進(jìn)行了二維數(shù)值模擬（2008）。主要探究其打印噴頭的錐環(huán)間隙和錐角大小與粉末噴出后的濃度分布關(guān)系。該研究應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值分析，僅為二維軸對稱計算，沒有進(jìn)行物理校核試驗。計算的定義域截取噴嘴出口至底部固體基底的流體區(qū)域，但并沒有考慮基底對粉末流場的影響。

圖1粉末流計算域（張安峰等）

圖1左側(cè)顯示的時噴嘴處的二維側(cè)視圖（簡化圖）右側(cè)顯示為其對應(yīng)的網(wǎng)格處理圖。該計算重點(diǎn)探究顆粒流流出噴嘴后的濃度及流場結(jié)構(gòu)。流體區(qū)域為網(wǎng)格區(qū)域，空白區(qū)域為固體區(qū)域。由左圖可知整個計算結(jié)構(gòu)關(guān)于中軸線對稱，為減小計算成本，該模擬采用軸對稱建立2D模型。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型，對于近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法進(jìn)行計算。劃分網(wǎng)格時沒有對近壁面區(qū)域加密但第一個節(jié)點(diǎn)不是在log區(qū)域內(nèi)。對顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡化為理想氣體。

計算過程沒有進(jìn)行熱耦合計算，即沒有開啟能量計算功能。

文章中并沒有對粉末的特性（例如粉末大小分布）做詳細(xì)描述。

默認(rèn)氣粉具有相同速度,u=6m/s。

-Numerical simulation of the focused powder streams incoaxial laser cladding

      臺灣國立成功大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院的Lin教授在2000年發(fā)表的文獻(xiàn)： Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding奠定了早期同軸送粉數(shù)值模型的基礎(chǔ)。這篇文章中的數(shù)值模型構(gòu)建同樣應(yīng)用FLUENT，對噴嘴出口至底部固體基底的流體區(qū)域（未考慮基底）計算（圖2）。主要探討內(nèi)部噴嘴出口相對于外部錐形區(qū)域的位置（內(nèi)置或外凸）。

圖2 粉末流計算域（Lin.J）

如上文提到，這篇文章為后續(xù)一系列研究奠定了基礎(chǔ)。其設(shè)置條件如下：

由于不規(guī)則的幾何模型限制，此計算中的坐標(biāo)系選擇BFC（mapped mesh）。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型。

對顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡化為理想氣體。

能量方程開啟但沒有考慮因為激光輻射所產(chǎn)生的能量變化。

計算粉末流動路徑時，僅考慮拉力、重力和自身慣性力，不考慮周圍氣體對粉末的影響。

粉末直徑大小分布符合Rossin-Rammler分布（直徑范圍45um-105um/30組）。

入口均勻速度分布。

邊界條件設(shè)置：

速度入口：Uo=4m/sU1=8m/s。

粉末速率：0.04g/s（不銹鋼粉末）

壓強(qiáng)出口（底部為出口）：P0=1atm。

壁面（右側(cè)為壁面）：陷落無滑動。

軸對稱（左側(cè)為軸對稱）。

- Modeling of coaxial powder flow for the laser direct deposition process

    考慮到激光熔覆的復(fù)雜性，以上所有的文獻(xiàn)在研究粉末濃度分布時均未考慮激光輻射所產(chǎn)生的熱變化，更沒有涉及到打印料材粉末的相變過程。Wen（2009）在其研究中在模擬粉末流的同時考慮到了因為激光輻射所造成的能量變化，包括粒子的相變過程。并且在模擬粒子流的過程中考慮到了不同的粒子形狀對計算結(jié)果的影響。

     Wen將整個熔覆過程分為三個模型：1.紊流的模擬，2.粒子流的模擬，3.粒子加熱的模擬。該模型的計算域包括粒子流噴出后至熔融基底（不包括基底）的流場，以及部分輸送粒子管道的流場（圖3）。

      在模擬紊流的模型中，Wen同樣選擇了RANS中最常用的標(biāo)準(zhǔn)模型的穩(wěn)態(tài)模擬過程，而在定義粒子時，他將粒子直徑范圍設(shè)定在45um-150um，與此同時，形狀參數(shù)也被引進(jìn)來定義不同的粒子形狀。除此之外，這篇文獻(xiàn)也運(yùn)用DPM對粒子流進(jìn)行模擬。本文最大的亮點(diǎn)在于將激光輻射以及粒子熔融相變考慮在內(nèi)。通過開啟FLUENT中融化與凝固模型（melting& solidification）實現(xiàn)對相變過程的模擬，而應(yīng)用UFD來定義激光密度來實現(xiàn)對激光輻射的考慮。

該模擬計算的模型經(jīng)過對應(yīng)物理實驗的校核，最終展示了流場的動力學(xué)和熱力學(xué)狀態(tài)。邊界條件設(shè)定如圖3。

圖3粉末流計算域（Wen. S.Y, etc.）

對比與總結(jié)

     考慮到計算精度與計算成本，對激光熔覆技術(shù)的仿真模擬計算均采用RANS模型中最常用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。文章中列舉的研究文獻(xiàn)均運(yùn)用FLUENT求解打印粉末的流場結(jié)構(gòu)。經(jīng)預(yù)估3D打印同軸送粉的激光熔覆技術(shù)中粉末流的斯托克數(shù)，得知絕大多數(shù)情況下，此流場的斯托克數(shù)遠(yuǎn)大于1，故流場內(nèi)粉末的運(yùn)動主要取決于自身的慣性力或重力，外部流場對其影響可以忽略不計。

    根據(jù)計算的目的，以上的幾篇文獻(xiàn)對流場的熱力學(xué)計算均作了不同程度的簡化與假設(shè)。其中西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室（2008）沒有考慮任何熱力學(xué)方程，而Lin（2000）的模擬計算中僅考慮了除激光輻射之外的熱量計算。Wen（2009）通過FLUENT中的UDF實現(xiàn)了對離散型粒子流的激光輻射模擬。

      以上的幾篇文獻(xiàn)中，只有Wen的計算中考慮到了粒子形狀對流場的影響，其他的研究均假設(shè)粒子為球形。Lin與Wen在模擬粉末流中粒子大小時均采用Rossin-Rammler分布，而其他文獻(xiàn)中認(rèn)為粒子為大小相同的球體。

通過模擬仿真在針對DMD激光熔覆3D打印過程中的應(yīng)用，可以對我國自主研發(fā)打印機(jī)結(jié)構(gòu)起到指導(dǎo)作用，也使我們更加了解此打印方法的技術(shù)壁壘進(jìn)而深入學(xué)習(xí)、設(shè)計、提升對3D打印的控制能力。

參考文獻(xiàn)：

張安峰等，同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場的數(shù)值模擬，西安交通大學(xué)學(xué)報，42l9Sep.2008

Lin. J, Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding, Journal of Materials Processing Technology, 105 (2000) 17±23, 2000

Wen. S.Y, etc., Modeling of coaxial powderflow for the laser direct deposition process,International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (2009)5867–5877, 2009

張亦舒

     安世亞太增材設(shè)計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環(huán)境工程學(xué)士，環(huán)境流體力學(xué)碩士。參與國內(nèi)外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機(jī)機(jī)型方面，對FDM與DMD機(jī)型均有仿真計算經(jīng)驗。