3D科学谷洞察
“ 基于仿真模型的指导，有助于对缺陷的预测和抑制，下一步，结合人工智能可及时发现并纠正生产过程中的问题，减少因缺陷导致的生产中断和延误，提高生产效率。通过高保真模拟，企业可以在虚拟环境中对不同的工艺参数和材料组合进行快速评估和优化，减少实验次数和时间，缩短产品研发周期。”
新加坡国立大学与香港城市大学的科研人员报道了增材制造粉末飞溅和气体卷入导致缺陷的形成机制-气体、熔池和粉末动力学的高保真建模研究。相关论文以“Defects caused by powder spattering and entrainment in laser powder bed fusion process: High-fidelity modeling of gas, melt pool and powder dynamics”为题发表在《Acta Materialia》上。
产品质量不一致是阻碍激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术在各个行业广泛应用的主要瓶颈之一。质量不一致的一个重要原因是在熔化过程中由粉末飞溅和卷入所导致的缺陷。然而，由于多相流具有高度动态的特性，缺陷形成的机制仍不明确。
在此，科研人员开发了一个多物理场仿真模型，并通过实验验证，同时阐明熔化过程中的气体、熔池和颗粒动力学。高保真的仿真成功揭示了缺陷形成的机制。特别是，热飞溅物聚结所导致的大团聚体很可能会引发未熔合和孔隙缺陷。在多材料激光粉末床熔融工艺中，粉末卷入很可能会导致颗粒夹杂缺陷。此外，卷入颗粒的动量会改变熔池尾部的流场。在仿真的指导下，提出了熔化过程中缺陷产生的判据，这有利于对缺陷进行实时检测和抑制。对由粉末飞溅和卷入所导致的缺陷的深入理解，为提高激光粉末床熔融工艺成型零件质量的一致性提供了有价值的指导。
关键词：增材制造；激光粉末床熔融；缺陷；粉末飞溅和卷入；多物理场建模；气体-熔池-粉末动力学
图1.蒸发模型中气流结构示意图
图2.计算域和网格示意图
图3.熔化过程中的多相流
图4.热飞溅物的形成
图5.热飞溅物聚结形成的大团聚体
图6.大团聚体导致的缺陷
图7.大团聚体导致的缺陷产生判据
图8.大团聚体引发的缺陷“连锁反应”
图9.粉末卷入导致的颗粒夹杂缺陷
图10.卷入颗粒对流场和元素分布的影响
在本研究中，开发了一个计算流体动力学（CFD）-离散元法（DEM）-相图计算（CALPHAD）耦合模型，同时阐明单材料和多材料激光粉末床熔融（LPBF）工艺中的气体、熔池和颗粒动力学。该研究的模型已通过不同材料和加工参数的实验验证。通过高保真模拟，成功揭示了由粉末飞溅和卷入导致的缺陷形成机制。主要结论如下：
（1）热飞溅物聚结形成的大团聚体可能会在激光粉末床熔融成型零件中引发未熔合和气孔缺陷。热飞溅物主要源自蒸汽射流区域附近的熔化粉末颗粒。这些热飞溅物随后与其他颗粒聚结形成大团聚体。当大团聚体进入激光束作用范围时，凹陷区塌陷并形成气孔。与此同时，在凹陷区塌陷后，基底上的粉末床可能无法完全熔化，从而导致未熔合。如果大团聚体在激光束作用范围内的停留时间大于临界值，暂时性缺陷就会保留在熔道中并成为永久性缺陷。
（2）在多材料激光粉末床熔融工艺中，粉末卷入可能会导致颗粒夹杂缺陷。在单材料激光粉末床熔融工艺中，熔体温度高于粉末颗粒的液相线温度，因此卷入的颗粒在浸入熔池之前能够完全熔化。然而，在多材料激光粉末床熔融工艺中，由于不同原料之间的冶金反应，熔体温度可能会低于粉末颗粒的液相线温度。这使得粉末颗粒在未熔化的情况下浸入熔池，从而导致颗粒夹杂缺陷。此外，粉末卷入会改变熔池尾部的流场。当熔池尾部的粉末卷入不对称时，卷入颗粒的动量可能会使熔池流从对称的涡流转变为单涡流。流场的变化直接影响熔池尾部金属元素的传输，这可能会改变熔道顶部的元素分布。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120816
来源
长三角G60激光联盟l
顶刊Acta：增材制造缺陷形成机制-气体、熔池和粉末动力学的高保真建模
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