激光選區熔化增材制造中的粉體熱動力學行為1)

陳 輝 閆文韜 ,?,

* (新加坡國立大學機械工程系,新加坡 117575)? (新加坡國立大學蘇州研究院,江蘇蘇州 215123)

引言

激光選區熔化(SLM)采用高能束激光熔化細微金屬粉末,通過逐道、逐層熔融堆積的方式成形三維零件.SLM 可以成形近全致密、性能接近鍛件且具有精細復雜結構的金屬零件,是增材制造(3D 打印)領域的前沿與熱點技術[1-2].近年來,SLM 技術開始在航空航天、國防科技、定制化生物醫療等領域關鍵結構部件的制造方面獲得應用,成為極具發展潛力和研究價值的增材制造技術[3].

自然界的物質按照其存在形態可以分為3 類:流體、固體和顆粒[4-5].其中,顆粒物質是指由大量粉末顆粒集群而形成的物質體系.由于體系內粉末顆粒的離散性和結構各項異性,顆粒物質的力學行為無法用流體力學等經典連續介質理論進行描述,成為21 世紀的百個自然科學難題之一[6].SLM 制造工藝采用的金屬粉末是典型的顆粒物質.成形過程中,鋪粉器首先將微米級散狀粉末鋪設成薄層粉末床,然后激光熱源對粉末床進行掃描與熔融.粉末在鋪設與熔融兩個工藝過程中,可呈現出分層、團聚、擠壓、飛濺和剝蝕等典型的顆粒物質復雜熱/動力學行為[7],與零件的孔隙、球化、裂紋等成形缺陷及最終力學性能緊密相關[8].因此,深入研究SLM成形過程中的粉體熱/動力學行為,對SLM 零件成形性能的提升和顆粒物質力學理論的探索均具有重要工程及科學意義[9].

目前,關于SLM 粉體熱/動力學行為的實驗研究方法主要有高倍高速光學成像[10]、紋影成像[11]和X 射線同步輻射成像[12]等在線監測手段,而理論研究方法比較主流的分別是離散單元法(DEM)[13]和計算流體力學(CFD)[14]建模仿真計算.

針對SLM 的粉末鋪設工藝環節,Parteli 和Poschel[15]提出了DEM 軟球計算模型,考慮粉末的彈塑性接觸力和范德華黏結力,對非球形粉末的輥筒式鋪設過程進行了計算模擬.Chen 等[13]通過DEM 建模仿真,從顆粒尺度較系統地分析了316L粉末在刮板式鋪設過程中的速度場、壓力場和質量場等動力學信息演變規律.隨后,學者們基于DEM數值模擬,分別研究了粉末形貌尺寸和粒度分布[16]、鋪設機構幾何形狀[17]、鋪設層厚[18]、鋪設速度[19]等工藝參數對粉末床致密度、粗糙度、均勻度等鋪設質量的影響規律.通常認為[13,20-21]: 輥筒式粉末鋪設對粉末具有擠壓效應,比刮板式更容易獲得致密的粉末床;鋪粉速度的提升和層厚的減少不利于粉末流動的均勻性和連續性,將降低粉末床鋪設致密度;由于范德華力導致的團聚效應,超細粉末容易引起堵塞現象,也不利于粉末的鋪設.粉末鋪設的顆粒尺度實驗研究相對較少.Chen 等[13]基于光學成像對金屬粉末鋪設過程中的宏觀動態形態進行了標定與測試,另外,還采用激光輪廓儀測試了粉末床的表面形貌質量[21].美國阿貢實驗室[22]通過高能X 射線同步輻射儀觀測了微米粉末顆粒在鋪設過程中的運動軌跡.這些實驗研究,對基于DEM 數值模擬研究的驗證具有積極意義.

SLM 粉末床熔融過程中,粉末床的剝蝕[10]與飛濺[23]是兩個重要且復雜的熱/動力學行為.基于高倍高速光學攝像在線監測,Matthews 等[10]研究了SLM 粉末床的熔化損耗情況,發現激光掃描過程中,熔池熱影響區域外圍的粉末顆粒會被吸入熔池,從而沿著熔化道在粉末床上形成剝蝕區域.剝蝕會在熔化道中引起更多的氣孔,并影響粉末熔融的連續性和穩定性.Bidare 等[11]采用紋影成像法觀測了SLM 粉末床熔融過程,發現了熔池中噴射出來的高速金屬蒸汽羽流,并分析了不同激光參數作用下粉末床整體的剝蝕與飛濺運動.Cunningham 等[24]采用X 射線同步輻射成像法觀測了熔池深孔、蒸汽噴射及粉末運動狀態,分析了粉末運動與熔池熱動力學行為直接的關系.基于上述實驗觀測,通常推測:高能束激光作用下,熔池內部噴發的高速蒸汽羽流帶動環境保護氣體形成內旋渦流,渦流驅動散體粉末從而形成剝蝕和飛濺現象[10];粉末剝蝕與飛濺隨著環境壓力的降低而加劇[25];羽流噴射方向對激光掃描速度的增加最為敏感,依次出現前噴、垂直和后噴3 種典型狀態[11].現有的SLM 粉末床熔融模型主要能模擬熔池熔融的固-液態轉變過程[8,26–30],計算過程中將散體粉末床視作連續的塊體介質,因此無法針對粉末床剝蝕與飛濺的熱/動力學行為進行仿真模擬.雖然Bidare 等[11]基于有限元理論實現了熔池金屬羽流與環境氣體流場的計算,但散體粉末顆粒仍未被包含在模型中.近期,Chen 和Yan[31]針對SLM 粉末床的熱力運動,提出了基于DEM 和FVM 耦合理論的多相流仿真模型,為SLM 剝蝕與飛濺的理論計算預測提供了新的思路.另外,關于如何消除SLM 剝蝕與飛濺運動對成形過程的負面影響,目前主要采用添加側向風進行粉末清除[23,32-33]的被動方法.如何從源頭控制粉末床的熱/力運動,進而控制和消除SLM 剝蝕與飛濺現象,有待進一步研究.

本文介紹了DEM 與CFD 聯合建模仿真在SLM 粉體熱/動力學行為研究中的應用.結合光學監測等實驗手段,對SLM 粉末鋪設工藝環節的粉體動力學及粉末床熔融的粉體熱/動力學行為規律進行了探討.研究對加深理解SLM 工藝中散體粉末介質熱/動力學行為機制及改善SLM 成形工藝具有重要科學及工程意義.

1 研究方法

1.1 DEM/CFD 聯合建模

1.1.1 粉末鋪設模型

粉末鋪設工藝過程采用軟球DEM 理論[34]構建.考慮粉末鋪設過程中單個粉末顆粒的平動、轉動和溫度變化,根據牛頓運動定律與傅里葉傳熱定律建立粉末顆粒的狀態方程

式中,mP,1,IP,1,TP,1,RP,1和cP,1分別為粉末顆粒的質量、轉動慣量、溫度、半徑和比熱容;uP,1和ωP,1分別為粉末顆粒自身的速度和角速度;Fg,1為粉末自身重力;Fn,12和Ft,12為粉末顆粒之間的法向和切向彈塑性接觸力,采用標準的Hertz-Mindlin 接觸方程[13]計算;Fc,12為粉末顆粒之間范德華黏結力,采用JKR 經驗公式[35]計算;QP,12為粉末顆粒之間的熱流量,遵循傅里葉接觸傳熱定律;FP-E和QP-E分別為外界環境對粉末顆粒的作用力和熱量傳輸.如圖1(a)所示,分別建立了刮板式和滾筒式兩種典型的SLM 粉末鋪設模型.其中w為滾筒轉速;V和H分別為粉末鋪設速度與層厚.

1.1.2 粉末熔融模型

粉末鋪設計算完成后,將DEM 模型中粉末床的顆粒位置與幾何信息導入至CFD 模型,進行SLM粉末床熔融的計算.熔體的質量、動量、能量守恒N-S 方程

式中ρM,uM,P和TM分別為熔體的密度、速度、壓強和溫度狀態變量;μ和k分別為熔體黏度和導熱系數;Sm為動量源項;Sh為熱源項.其中,熔體界面采用VOF 界面追蹤法描述[14].Sh中的高斯激光熱源以面熱源的形式加載[36].

1.1.3 粉末-氣體的流-固驅動建模

如圖1(b)所示,為模擬氣相(熔池蒸汽和環境氣體)熱力驅動作用下粉末的動力學行為,首先,根據Knudsen-layer 法則[37]計算熔池界面的羽流氣體速度uG

圖1 SLM 粉體熱/動力學模型Fig.1 Thermal dynamic model of SLM

式中,Mn為馬赫數;γ為單原子氣體熱容比;B0為波爾茲莫常數;Tsur為熔池界面的溫度;m1和m2分別熔池蒸汽和環境氣體的摩爾質量;φ1和φ2分別為氣體體積分數.

然后,基于Euler-Lagrange 耦合原理[31],計算式(1)～ 式(3)中氣相對粉末顆粒的熱力驅動作用力

式中,ReP為球形粉末顆粒的雷諾數;uG,ρG和μG分別為氣相速度、密度和動黏度;AP為球形顆粒表面積;hP-E為粉末與氣相之間的對流傳熱系數,由Gunn’s 法則[38]確定.

依據動量守恒、能量守恒原理,粉末顆粒對氣相的熱力反作用為

其中,Vmesh為計算域中有限單元的的體積.

以SLM 工藝中常用的316L 不銹鋼粉末為對象,分別對SLM 粉末鋪設及粉末床熔融過程進行計算模擬.DEM 模型中,粉末顆粒密度、摩擦系數、恢復系數、導熱系數等物性參數的設置詳細見文獻[13,31],其中: 粉末的摩擦系數通過“安息角標定法”校準;恢復系數通過“自由落體回彈法”校準;粉末的楊氏模量通常采用真實值的10%～ 20%,用以增加迭代時間步長而降低模型計算量.熔池模型中,熔池金屬蒸汽(Fe)和環境氣體(Ar)熱物性參數主要參考于焊接熔池的蒸汽與保護氣體物理參數,詳細見文獻[39].為降低計算量: 粉末鋪設模型中,鋪粉器方向(Y方向) 采用2 mm 的循環邊界計算域;粉末床熔融模型中,采用2 mm × 3 mm × 4 mm 計算域.在計算粉末與氣相耦合運動中: 僅考慮“粉末熔融模型”中熔池羽流(金屬蒸汽與環境氣體)與散體粉末顆粒之間熱物性參數的動態耦合,以獲得粉末床的熱/動力學演變規律[31];熔體的液-固相變過程不包含與耦合模塊之中.目前,用于粉末運動建模的DEM 軟件平臺有LIGGGTS,PFC,ROCKY-DEM 等;用于熔池建模的CFD 軟件平臺主要有OPENFORM,FLOW-3D 和FLUENT 等;基于上述耦合原理搭建數據交互模塊,可以實現SLM 粉體熱/動力學行為計算預測.

1.2 SLM 成形過程監測

粉末鋪設及熔融實驗分別在課題組自行開發的SLM 增材制造裝備(YLR-200-SM-AC: 光纖激光器波長、功率和光斑直徑分別為1070 nm 和200 W和100 μm)上開展,如圖2 所示.粉末材料為粒徑0～100 μm 的SLM 專用316L 不銹鋼粉末,且粉末粒徑可根據需求進行篩分配置.

如圖2(a)所示,粉末鋪設實驗在裝備的鋪粉機構上進行.鋪粉機構分別配置直角刮板式和輥筒式兩種典型的鋪粉模塊.輥筒直徑及轉動速度分為10 mm 和2π rad/s.當粉末顆粒被鋪設在基板上之后,采用0.1 mg 精密天平(mettler-toledo ME104)測量基板上的粉末質量mT,然后可計算粉末床的相對致密度

其中,S和ρP分別基板表面積和粉末顆粒的材料密度.

圖2(b)所示為SLM 成形過程原位監測實驗.如圖所示,在成形腔體外安裝一臺高速光學相機(photron fastcam mini AX200,最大采樣率為每秒5000 幀).在相機鏡頭前配置一個截止波長為250～800 nm 的濾光片,以降低羽流亮度,增強圖像對比度.相機與建筑基底距離約400 mm,視場12 mm ×5 mm,采集圖像1024 × 428 像素.通過我們改進的圖像處理方法(支持向量機(SVM)和卷積神經網絡(CNN)[40]),提取并量化激光掃描過程中粉末層的特征.激光掃描后的粉末床形貌可通過SEM 成像法觀測.

圖2 SLM 監測實驗Fig.2 Experimental monitor on SLM

2 結果與討論

2.1 粉末鋪設動力學行為

2.1.1 粉末流動物理機制

SLM 粉末鋪設過程中存在3 種基本的流動物理機制: 粉末黏結、壁面邊界和粉末滲流效應.以刮板式粉末鋪設為例,圖3(a)所示為粉末黏結機制,其中,粉末為不同尺寸的單一粒徑.分子范德華力引起的黏結力是散體粉末顆粒間存在的固有作用力,其在球形粉末間的作用大小可用黏結系數B表示,定義為范德華力與重力的比值

式中,ψ為粉末顆粒的表面能.由式(14)可知,對于給定粉末材料,粉末粒徑越小,黏結效應越大.如圖3(a)所示,隨著粉末粒徑從60 μm 至10 μm 變小,由范德華力引起的黏結作用變強,因而粉末在鋪設過程中的團聚現象越嚴重,越不利于形成致密均勻的粉末床.

圖3 SLM 粉末鋪設的粉末流動數值模擬Fig.3 Simulated powder flowing in powder spreading process of SLM

圖3(b)為壁面邊界機制.在漏斗送料、谷倉送料、渠道送料等流道顆粒流情況中[41],由于流道特征尺寸與粉末顆粒尺寸接近同一量級,流道壁面與顆粒之間容易形成瞬態“力鏈拱橋”[42],降低粉末流動連續性.SLM 粉末鋪設過程中,如圖所示,由于刮板與基板之間的間隙通道接近粉末尺寸,這種壁面效應同樣存在,會降低粉末流動的連續性與穩定性,導致粉末床致密性和均勻性下降.并且,層厚越小(通道越小)、粉末粒徑越大,則這種壁面阻隔作用越明顯.

圖3(c)為滲流機制.滲流是顆粒物質在流動過程中的另一固有現象[43]: 流動過程中,由于粉末顆粒之間存在尺寸和密度等物性差異,密度大的顆粒和尺寸小的顆粒會逐漸下層,出現顆粒分流.圖3(c)中,粗粉末(50～ 80 μm) 與細粉末(0～ 20 μm) 按1:3 質量比均勻混合.如圖所示,在粉末鋪設過程中,由于滲流作用,初始均勻混合的粉末出現分流/分離.細粉末在流動中更傾向于下沉,導致粉末床出現了一定的分層現象,從而降低其均勻性.并且,粗粉末之間的空隙也導致粉床的致密性下降.

如上所述,這3 種主要物理機制均與粉末粒徑等工藝參數緊密相關,因此,3 種物理機制同時支配SLM 的粉末鋪設過程,并決定粉末床最終的致密度等鋪設質量.以刮板式粉末鋪設為例,圖4 為實驗和數值模擬中粉末床致密度隨工藝參數的變化規律.對于給定工況,如圖4(a)所示,隨著粉末床鋪設層厚的增加,壁面邊界效應導致的粉末堵塞效果變弱,粉末鋪設過程中流動更順暢,因而粉末床的致密度逐漸增大.如圖4(b)所示,隨著粉末粒徑逐漸變小,壁面邊界效應的削弱有利于粉末床致密度的提升,然而,黏結效應同時也增強且不利于粉末床致密度提升.在大于約50 μm 范圍內,壁面邊界機制占主導,因此致密度隨粉末粒徑減少而增大.在小于50 μm范圍內,粉末黏結機制逐漸占主導作用,因此致密度隨粉末粒徑減少而減小.圖4(c)為雙峰粒徑混合粉末的鋪設致密度,其中,粗粉末與細粉末按1:3 質量比均勻混合.如圖,由于鋪設過程的滲流分層,鋪設后的致密度遠小于其初始致密度.

圖4 粉末床致密度測試與模擬結果Fig.4 Experiment and simulation results showing the evolutions of packing density of powder layer with

圖4 粉末床致密度測試與模擬結果 (續)Fig.4 Experiment and simulation results showing the evolutions of packing density of powder layer with (continued)

2.1.2 粉末床擠壓效應

目前,刮板式和輥筒式是兩種典型的SLM 粉末鋪設方案.通常直觀地認為,輥筒在鋪設過程中對散體粉末具有擠壓和緊實作用,因此所獲得的粉末床比刮板式更加致密.圖5 為兩種粉末鋪設模式的對比.如圖所示,在粉末粒徑、鋪粉速度、層厚等參數一致的情況下,輥筒式的基板壓力遠大于刮板式(圖5(a)),其通過底部的粉末質量流也更高.如圖5(b)所示,隨著鋪粉速度的增加,兩種模式的粉末床致密度均降低,但是由于輥筒式的粉末壓實效應,其粉末床致密度均大于同等工藝參數條件下的刮板式鋪粉.值得注意的是,雖然輥筒式可以獲得更致密的粉末床,但粉末對基板(或前一層熔融粉床)的壓力更大,由此導致的刮擦和碰撞也可能更嚴重.在某些粉末床增材制造工藝中,如文獻[44],輥筒嚴重的擠壓和刮擦有可能中斷或直接破壞整個零件的制造.

圖5 刮板式與輥筒式粉末鋪設對比Fig.5 Comparison between scraping type and counter-rolling type powder spreading

2.2 粉末床熔融熱/動力學行為

2.2.1 飛濺與剝蝕運動

SLM 激光對粉末床熔融過程中,粉末床的飛濺與剝蝕是兩個緊密相關的熱/動力學現象.如圖6(a)所示,高能束激光作用在粉末床并高速移動.在激光作用范圍內,粉末顆粒在激光熱作用下發生熔化與凝固.但是,激光作用范圍之外,即靠近熔池外圍區域的粉末顆粒并非靜止,而是不停地向熔池區域移動.最終,沿著熔化道周圍的粉末床形成了剝蝕[10]現象.剝蝕區域的粉末顆粒變得更少,因而不利于下一道激光熔融.另外,粉末顆粒在進入熔池的同時,隨著熔池蒸汽一起噴發,形成飛濺[23]現象.飛濺的粉末在重力下回落,可能對粉末床造成撞擊破壞,也可能對沖擊和破壞熔融的粉末床區域.圖6(b)的數值模擬較好地復現了粉末床飛濺和剝蝕運動的在線監測結果,表明DEM/CFD 聯合建模仿真是計算和預測SLM 粉末床熱/動力學行為的有效手段.

圖6 粉末床熔融過程中的飛濺與剝蝕運動Fig.6 Spattering and denudation in powder bed fusion process

2.2.2 多相耦合驅動機制

SLM 粉末床的剝蝕和飛濺現象本質上是一個流-固熱力耦合驅動的物理過程.如圖7(a)計算結果顯示: 激光對粉末床熔融過程中,金屬蒸汽(Fe)從熔池中高速噴發,并且由于能量的湍流耗損和擴散,形成輻射狀的羽流;噴發的金屬蒸汽帶動周圍的環境保護氣體(Ar),從而在熔池周圍形成了內旋的渦流;內旋的渦流在粉末顆粒上產生流-固驅動力.如圖7(b)所示,當渦流對粉末的在流-固拖拽力超過粉末之間的摩擦阻力情況下,內旋的環境氣體渦流驅動熔池周圍的粉末顆粒向熔池內運動,形成剝蝕現象.另外,粉末顆粒被吸卷進入熔池之后,一部分顆粒又被高速噴發的金屬蒸汽驅動,順著羽流向外噴射而形成飛濺現象.由于高速金屬蒸汽的驅動力遠大于粉末本身重力,粉末的飛濺速度往往可以達到數米每秒.

圖7 粉末顆粒-氣相耦合流動Fig.7 Gas-solid coupled driving force on powder particles

根據上述分析,通過以下幾種方法可削弱或消除粉末剝蝕和飛濺對SLM 成形的負面影響.首先,可以在成形腔體內安裝內循環的側向風,將飛濺粉末顆粒吹除清理,以達削弱飛濺負面影響的效果.這種方法目前在SLM 成形裝備普遍使用[33].另外,還可以從源頭上消除粉末剝蝕和飛濺運動.比如,可以通過預燒結將準備熔融區域的粉末固定,用以抵抗內旋渦流和羽流的驅動力,進而消除剝蝕和飛濺運動.或者,可以通過調節激光能量的分布狀態,使熔池溫度保持在沸點以下,從源頭上消除羽流和環境氣體流動,進而達到消除粉末剝蝕與飛濺運動.以上方法值得進一步探索和研究.

2.2.3 熱浮力驅動機制

除了羽流引起的驅動力,部分學者認為環境氣體受熱膨脹的熱浮力(thermal buoyancy force[11])也是引發粉末床顆粒運動的因素.為驗證此推測,將DEM/CFD 模型中的金屬蒸汽模塊去除后重新計算了SLM 粉末床的掃描過程.正常情況下,金屬蒸汽從熔池噴發,引起環境氣體內旋渦流,并由此帶動粉末顆粒運動而形成剝蝕和飛濺現象.當金屬蒸汽從模型中去除之后,如圖8 所示,環境氣體(Ar)在激光熱量作用下發生膨脹并形成熱浮力流動.但是,與羽流引起的內旋渦流不同,熱浮力流動是以激光光斑為中心,形成由內向外的輻射式流動.另外,如圖所示,熱浮力引發的氣體流動速度約為2 m/s,遠小于羽流的噴射速度(約150 m/s,如圖7).因此,雖然熱浮力流動對粉末有一定加熱和拖拽作用,但流動強度不足以驅動粉末顆粒運動.如圖8 所示,顆粒在粉末床中的運動速度及形態變化可忽略不計.由此可見,環境氣體的熱浮力不是粉末床剝蝕和飛濺運動的主要引發因素.

圖8 環境氣體熱浮力作用下的顆粒行為演變計算.其中,金屬蒸汽羽流被去除Fig.8 Evolutions of trajectory and temperature of powder particles under the thermal buoyancy effects without the metal vapor

3 結論

針對金屬粉末介質在SLM 成形過程中的熱/動力學行為,介紹了DEM 與CFD 聯合建模仿真在SLM 建模仿真方面的應用.結合光學監測等實驗手段,從顆粒尺度探討了SLM 的粉末鋪設和粉末熔融過程的物理行為機制,主要結論如下.

(1) SLM 粉末鋪設存在3 種物理機制: 粉末黏結、壁面邊界和粉末滲流.其中,粉末黏結效應由粉末顆粒間的范德華黏結力導致,在鋪粉過程中容易引起粉末顆粒的團聚,不利于形成致密的粉末床.壁面邊界效應由顆粒介質的力鏈結構特征導致,在鋪粉過程中可引起粉末堵塞.粉末滲流主要由粉末顆粒間的尺寸/密度差異導致,容易引發顆粒流分離和分層,不利于形成均勻的粉末床.3 種機制相互競爭,共同決定粉末床的致密度等鋪設質量.

(2)輥筒式鋪粉由于對粉末的擠壓作用,其粉末流量更大、所得粉末床也比刮板式更致密.但是,輥筒式鋪粉的基板/熔融層所受壓力也更強,更容易對已成形層面造成擠壓或者刮擦損傷.

(3)激光對粉末床熔融過程中,金屬蒸汽從沸騰的熔池中高速噴射而出,形成輻射狀羽流.羽流帶動環境保護氣體流動,在熔池周圍形成內旋的渦流.在流-固熱力耦合作用力下,內旋的渦流驅動熔池周圍的粉末顆粒運動,形成剝蝕現象.同時,吸卷進入熔池的部分粉末顆粒又被高速噴射的羽流驅動,形成粉末飛濺現象.因此,SLM 粉末床的剝蝕和飛濺本質上是流-固熱力耦合的多相流行為.

(4) 由于熱浮力效應,環境保護氣體受熱后膨脹、并在熔池周圍形成向外輻射的流場.但是,熱浮力引起的環境氣體流動沒有內旋的渦流,并且,其流動速度遠小于熔池羽流引發的流動速度.因此,熱浮力引起的環境氣體流動不足以驅動粉末床顆粒,在剝蝕和飛濺行為中不起主導作用.

基于DEM 與CFD 耦合建模,可以計算和預測SLM 中粉末顆粒的溫度和運動狀態.結合光學在線監測等實驗方法,可以對SLM 成形過程中粉末顆粒物質的熱/動力學行為進行有效探索.