新加坡国立大学&清华重磅顶刊丨激光粉末增材制造颗粒增强金属基复合材料

Graphical abstract

                       

由于增材制造材料经历了独特的熔化/凝固行为（例如，熔池剧烈流动并快速凝固），增材制造工艺中的颗粒分散机制可能不同于与传统加工技术。超快成像技术，如高速光学成像和超快X射线成像已经被应用于观察熔化过程中的瞬态动力学。然而，由于成像系统的限制，增强粒子的瞬态运动仍然难以捉摸。另一方面，数值模拟正成为揭示增材制造多相动力学的有力工具。在各种数值方法中，计算流体动力学 (CFD) 和离散元方法 (DEM) 在再现增材制造过程中的中尺度现象方面特别成功。

以往的研究主要应用 DEM 来研究粉末扩散过程并将生成的粉末层进一步转移到CFD模型中以模拟粉末床融合过程。许多现象已成功被重现，如熔池流动、未融合、成球效应、小孔生成和液体溅射等. 然而，CFD和DEM都不能独立阐明熔融过程中的多相相互作用，这促进了 AM 的 CFD-DEM 耦合模型的发展。

                       

单道熔覆模拟图（左）和实验图（右）的顶视图

最近，一些研究人员开始开发 CFD-DEM 耦合模型，以重现单材料 AM 过程中的多相动力学。提出了一个未解决的 CFD-DEM 模型来模拟气体 - 粉末相互作用，揭示了粉末飞溅和剥落的机制。又提出了一个半耦合解析 CFD-DEM 模型来研究激光熔化过程中粉末颗粒和熔池的耦合运动。还开发了一种半耦合解析 CFD-DEM 模型，以揭示不同环境压力下的液-气-粉末相互作用。到目前为止，还没有关于MMC AM 过程中多相动力学建模的研究报道。本研究中提出了一种结合了双向动量和能量交换的解析CFD-DEM 耦合模型，以揭示增强固体颗粒与熔池的耦合运动。此模型通过钨铜元素粉末混合物的 EBM 实验得到验证。通过模拟和理论分析，以前所未有的细节阐明了增强固体颗粒和熔池流动的瞬态动力学。基于对熔池-固体颗粒相互作用的理解，提出了一种实用的制造策略来消除钨颗粒的团聚并获得致密的大块样品。据我们所知，这是第一份在MMC AM过程中清晰再现增强固体颗粒和熔池动力学的研究报道。