金屬熔體重熔性分析

劉 偉，張永軍，甘代偉

( 陜西國防工業職業技術學院, 陜西西安 710302)

金屬熔體重熔性分析

劉 偉，張永軍，甘代偉

( 陜西國防工業職業技術學院, 陜西西安 710302)

采用數值計算與實驗分析相結合的方法，深入研究了金屬熔體的斷裂、鋪展過程及與基體重熔性，結果表明：熔體受自身重力、金屬表面張力以及脈沖氣壓向下壓力作用，其中重力和脈沖氣壓力是促使熔體斷裂，脫離噴嘴的作用力，而金屬表面張力使得斷裂后的熔體逐漸形成圓球形。金屬熔體沉積過程依據金屬熔體形態特征變化，將整個沉積過程劃分為三個階段：運動、沉積鋪展和平衡階段。當金屬熔體沉積在基體上，如果界面溫度超過基體的熔點，基體會熔化，形成很好的冶金結合。

金屬熔體；基體；重熔性；斷裂；鋪展。

0 引言

由于早期的3D打印技術采用非金屬材料，無法直接制作金屬零件，故在生產中通過先制作非金屬原型件，再用原型件充當工具、模具的方法來批量制造金屬零件[1-3]。這種方法雖然也能對縮短生產周期和降低制造成本一定的作用，但由于較復雜的后續工藝，會造成一定的精度損失。而采用金屬材料直接成形金屬零件，則可以直接完成CAD模型到金屬零件的轉換，不受工、模具等的限制，使零件的設計、制造有更好的靈活性[4]。

1 金屬熔體斷裂過程數值計算模型的建立

圖1為位于噴嘴末端部金屬熔體的簡化受力模型，在此模型中假設熔體的形狀為理想球形。熔體受自身重力Fg、金屬表面張力Fδ以及脈沖氣壓向下壓力FQ作用，其中重力Fg和脈沖氣壓力FQ是促使熔體斷裂，脫離噴嘴的作用力，而金屬表面張力Fδ使得斷裂后的熔體逐漸形成圓球形[5]。

圖1 金屬熔體受力模型

在熔體受自身重力Fg及脈沖氣壓向下壓力FQ的作用下，聚集在噴嘴端部熔體的尺寸會不斷增大，直到等于表面張力Fδ產生的阻力時，熔體的直徑達到了其最大臨界直徑，繼而從噴嘴端部脫落。其中噴嘴直徑不同時，形成熔體直徑是不同的[6]。

2 金屬熔體成形數值計算模型過程分析

金屬熔體沉積過程中形態變化復雜，鋪展半徑R（t）（圖2基板上液固接觸線的半徑）不斷變化，依據金屬熔體形態特征變化，將整個沉積過程劃分為三個階段：運動、沉積鋪展和平衡階段[7]。

圖2 金屬熔體變形示意圖

1）運動階段

運動階段由于液體表面張力和粘性的作用，金屬熔體仍能保持如圖2（a）所示的球面性質。金屬熔體與基板發生碰撞形成激波，以激波波面（圖2虛線）為界，上面是低壓區，而受到壓縮形成高壓區。激波波面未突破金屬熔體表面而保持圖2.a所示形狀。

2）沉積鋪展階段

激波突破金屬熔體表面帶動液體逐漸沉積，圖2.b金屬熔體變形生成薄層H是沉積鋪展階段開始的標志，隨著噴射的繼續薄層不斷變大，液固接觸線速度為零時金屬熔體的半徑達到最大。由能量守恒可以推導出最大鋪展半徑Rmax和R0之間的關系。

式中,

式中，D為 碰撞前金屬熔體直徑；σ為表面張力；α為前進接觸角；1-cosα和分別表征毛細力和碰撞動壓力對Rmax的影響。

3）平衡階段

金屬熔體在沉積鋪展過程中逐漸凝固，由能量最低原理知金屬熔體將趨于平衡。耗散作用使金屬熔體的動能和勢能變為零，表面能則處于最低的狀態。若基板光滑且金屬熔體是基板材料的可濕性液體，金屬熔體會鋪展形成一個等厚液膜，即完全浸潤；若基板表而粗糙或者不干凈等因素，形成的是不完全浸潤，即得到如圖2.c所小的形狀。平衡態時液固接觸線的半徑Requ可由下式求得：

式中，θequ為平衡態時的液固接觸角。

3 金屬熔體與基體重熔性分析

金屬熔體良好的冶金結 合是制件獲得良好強度的前提，其關鍵取決 于金屬熔體的溫度和基板的溫度。當金屬熔體沉積在基體上，如圖3所示?；w的材料屬性很重要，如果界面溫度超過基體的熔點，基體會熔化，形成很好的冶金結合[8-10]。

圖3 基體重熔分析模型

假定熔體溫度為Td，基板溫度T，熔化溫度Tm。流體區域熱傳導：

固體區域熱傳導：

界面溫度：

Stefa n條件：

式中：X（t）為固液界面（移動邊界）。

該解析解可預測初始金屬熔體與基板界面的溫度。產生融化的溫度條件是位移與時間的平方根成正比，獲得融化界面的表達式為：

金屬熔體與基體的熱傳遞模型可視為兩相Ste fan模型，如圖4所示。顯示了在與基體有良好熔合時，熔體溫度的變化情況。當基體和熔體溫度在曲線之上，可以確保有良好的熔合，反之，在曲線之下，基體和熔體不會發生重熔[11-12]。

圖4 Stefan模型

圖5顯示了不同基體溫度下，金屬熔體與基體的重熔性。從金屬熔體在不同基體溫度時的成形形貌可以看出：基體溫度高時（稍低于金屬熔點），金屬熔體鋪展程度較大，鋪展后接觸角較小，重熔性較好；反正基板溫度較低時（室溫），金屬熔體在基板上鋪展程度小，鋪展后的接觸角較大，重熔性較差。這是因為基板溫度越高（金屬熔體和基板之間的熱量傳遞較少），傳熱速率越低，而反過來，基板溫度較低，金屬熔體的熱量很快的的傳遞給基板，致使熔體還沒有鋪展很大就凝固，因此鋪展程度較小。

當基體溫度較高時，其相同熔覆層不同放大倍數SEM圖可以看到，當基體加熱到一定溫度時，與金屬熔體已經完全熔合。放大40倍時，金屬熔體和基板微觀組織一致，放大120倍時，金屬熔體和基板之間沒有裂紋?？梢娭灰w加熱到一定溫度，金屬熔體和基體可以很好的熔合。

圖5 熔體和基體的重熔

4 結語

在熔體受自身重力及脈沖氣壓向下壓力作用下，聚集在噴嘴端部熔體的尺寸會不斷增大，直到等于表面張力產生的阻力時，熔體的直徑達到了其最大臨界直徑，繼而從噴嘴端部脫落。金屬熔體沉積過程中形態變化復雜，鋪展半徑不斷變化，依據金屬熔體形態特征變化，將整個沉積過程劃分為三個階段：運動、沉積鋪展和平衡階段。金屬熔體良好的冶金結合是制件獲得良好強度的前提，其關鍵取決于金屬熔體的溫度和基板的溫度。當金屬熔體沉積在基體上?；w的材料屬性很重要，如果界面溫度超過基體的熔點，基體會熔化，形成很好的冶金結合。

[1] J. Luo, L. H. Qi, X. S. Jiang. Numerical simulation of jet breakup due to amplitude-modulated (A-M) disturbance [J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2008, 18: 686-690.

[2] Suli Li, Zhengying Wei, Jun Du, et,al. The fusion process of successive droplets impinging onto a substrate surface [J]. Journal of Appl. Phys. A. 2015. 120:35–42.

[3] Suli Li, Zhengying Wei, Jun Du et,al. A numerical analysis on the metal droplets impacting and spreading out on the substrate [J]. Journal of Rare Metal Materials and Engineering. 2015. 3:44-18.

[4] Pei W ei, Zhengying Wei, Suli Li, Chao Tan, Jun Du. Splat formation during plasma spraying for 8 mol% yttria-stabilized zirconia droplets impinging on stainless steel substrate [J]. Applied surface science. 2014. 538–547.

[5] DU Jun, WEI Zhengying, CHENZhen, LI Suli, TANG Yiping. Numerical Investigation of P- ileup Process in Metal Microdroplet Deposition Manufacture [J]. Micromachines. 2014. 31(2):021601-1.

[6] 晁艷普, 齊樂華, 羅俊, 等. 金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數據的獲取與試驗驗證 [J]. 中國機械工程. 2009, 20(22): 2701-2705.

[7] X.-H. Zeng, L.-H. Qi, H. Huang, X.-S. Jiang, Y. Xiao. Experimental research of pneumatic drop-on-demand high temperature droplet deposition for rapid prototyping [J]. Key Engineering Materials. 2010, 419-420: 405-408.

[8] 徐林峰. 均勻液滴噴射微制造技術基礎研究 [D]. 西北工業大學, 碩士學位論文, 2005: 12-16.

[9] 楊觀, 齊樂華, 羅俊, 等. 均勻液滴噴射成形中微熔滴關鍵參數在線檢測系統 [J]. 儀器儀表學報. 2009, 30(3): 590-595.

[10] 李莉. 均勻液滴噴射過程的理論建模與數值模擬 [D]. 西北工業大學, 碩士學位論文, 2006: 10-50.

[11] 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD 軟件原理與應用 [M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 15-40.

[12] E. Ricci, A. Passerone. Review: Surface tension and its relations with adsorption, vapourization and surface reactivity of liquid metals [J]. Materials Science and Engineering: A. 1993, 161(1): 31-40.

Analysis of molten metal remelting

LIU Wei, ZHANG YongJun, GAN DaiWei
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710302,Shaanxi, China)

Adopt the method of numerical calculation and experimental analysis, further study of the fracture, the spreading process of metallic melts and remelting and substrates, the results showed that the melt under its own gravity, metal surface tension and pulse pressure downward pressure, gravity and gas pressure pulse is melt fracture, from the reaction between the nozzle and the metal surface tension makes melt gradually formed round ball after fracture. Metal melt deposition process on the basis of morphological changes of metal melt, will the whole process is divided into three stages: sedimentary stage movement, sedimentary spreading and balance. When the metal melt deposition on the substrate, if interface temperature above the melting point of matrix, and the substrate can melt, forming a good metallurgical bonding.

metallic melts; substrate; remelting; fracture；spreading

TG249.9；

A；

1006-9658（2017）01-0023-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.007

項目來源：陜西國防工業職業技術學院院級課題（編號：Gfy16-06）

2016-11-18

稿件編號:1611-1579

劉偉（1982—），男，講師，主要從事機械加工及3D打印方面的工作.