南京航空航天大学材料科学与技术学院的Jiahao Zhang、Leilei Wang等作者与上海航天设备制造总厂有限公司的Kai Zhao、Yunbo Hao合作，于2024年9月在《Journal of Manufacturing Processes》发表了题为《Multiphysics modeling of flow characteristics and particulate migration behavior of titanium matrix composites by laser directed energy deposition》的研究论文（Volume 131, Pages 1014–1029）。该研究通过计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合的多物理场模型，揭示了激光定向能量沉积（DED）技术制备TiC/Ti6Al4V钛基复合材料过程中熔池流动特性与陶瓷颗粒迁移行为的相互作用机制。

学术背景

Ti6Al4V合金因高强度重量比和耐腐蚀性广泛应用于航空航天领域，但其表面硬度和高温强度不足限制了极端环境下的应用。通过添加TiC等陶瓷颗粒增强的钛基复合材料（PTMCs）可显著提升性能，但DED工艺中熔池的非平衡快速凝固特性导致颗粒分布不均，进而影响材料性能。现有模拟方法多采用高斯质量源传统模型，无法捕捉颗粒-熔池动态交互过程。因此，本研究旨在开发CFD-DEM耦合模型，量化TiC含量对熔池温度场、流场的影响规律，并阐明颗粒迁移机制。

研究流程与方法

1. 实验设计

• 材料制备：采用高能球混法制备TiC质量分数为10%、20%、30%的TiC/Ti6Al4V复合粉末（Ti6Al4V粒径70μm，TiC粒径80μm），真空干燥6小时以保障流动性。
  
• DED工艺：使用南京雷佳光敏RC-LDM8060设备，激光功率1600W，扫描速度0.6 m/min，粉末送粉率8 g/min，氩气保护。通过高速摄像（Acuteye相机，曝光200μs）记录熔池动态，金相切片分析横截面形貌。
  

2. 数值模型构建

• CFD模块：基于有限体积法模拟熔池传热与流动，采用VOF（Volume of Fluid）方法追踪气液界面。控制方程包括质量守恒（式3）、动量守恒（含马兰戈尼力f→τ、反冲压力f→r等，式4）及能量守恒（式5）。
  
• DEM模块：采用软球模型追踪TiC颗粒运动，考虑颗粒-流体拖曳力（式16）、接触传热（式15）等相互作用。
  
• 耦合策略：通过非解析耦合实现动量-能量双向交换（式17-18），时间步长内交替求解CFD与DEM数据。
  

3. 模型验证

对比模拟与实验的熔池横截面尺寸（表3），误差<5%。高速摄像显示熔池呈凸椭圆形（图7），模拟温度场（红色区域>1928K）与实验形貌高度吻合，验证模型可靠性。

主要结果

1. TiC含量对熔池形貌的影响

   • 熔池面积与深度随TiC含量增加而增大（30% TiC时深度达643.5μm），但宽度与长度呈先增后减趋势（20% TiC时最大宽度4044.5μm）。这是由于：
     
     • 热传导增强：TiC提升激光吸收率（10%~30% TiC时峰值温度从2555K升至2752K，图11a）；
       
     • 热对流抑制：熔体粘度增加导致马兰戈尼流速下降（30% TiC时表面流速降至0.034 m/s，图11b）。
       

2. 颗粒迁移机制

   • 分布特征：TiC颗粒在沉积层上下区域富集（图12），纵向截面呈双峰分布。
     
   • 动力学过程（图14）：
     
     • 后部进入颗粒：受逆向熔池流驱动，短暂旋转后滞留于熔池上部；
       
     • 前部进入颗粒：经历多次旋转后因重力下沉至底部。颗粒运动轨迹与流线方向一致（图13），证实马兰戈尼对流为主导驱动力。
       

结论与价值

1. 科学价值：首次建立DED工艺中TiC/Ti6Al4V的CFD-DEM全流程耦合模型，揭示了颗粒含量-熔池流场-温度场-颗粒分布的级联作用机制。
   
2. 应用价值：为通过工艺参数调控颗粒分布均匀性提供理论依据，建议减小TiC粒径或提高能量密度以优化分布。
   

研究亮点

• 方法创新：开发了考虑颗粒-熔池瞬态交互的高保真模型，突破传统高斯质量源法的局限性；
  
• 发现创新：量化了TiC含量对熔池形貌的非单调影响，阐明颗粒迁移的”入口位置-最终分布”映射关系。
  

其他价值

模型参数体系（表2）与开源代码可为后续金属基复合材料增材制造模拟研究提供基准参考。研究得到国家自然科学基金（52205378）及民用航天预研项目的支持。