激光倾斜基板上直接金属沉积熔池热流体动力学行为研究学术报告

作者及发表信息

本研究的通讯作者为东南大学机械工程学院的Guifang Sun（孙桂芳），合作作者包括Kai Zhao（赵凯）、Mingzhi Chen（陈明智）、Zhandong Wang（王占东）、Rui Li（李瑞）、Zhiyuan Jia（贾志远）及东北大学的Huifang Lan（兰慧芳）。研究成果发表于期刊《Materials Today Communications》2024年第41卷，文章编号110953。

学术背景

研究领域：本研究属于激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）领域，聚焦激光直接金属沉积（Direct Metal Deposition, DMD）技术在非垂直照射倾斜基板时的熔池行为。

研究动机：航空发动机叶片等曲面结构在高温高压环境下易受损，DMD技术因其快速冷却、低稀释率和高结合强度等优势成为修复此类部件的潜在方案。然而，曲面修复时激光非垂直照射对熔池热流体动力学的影响尚不明确，尤其是倾斜基板角度和激光光斑直径对沉积层形貌的调控机制。

研究目标：通过建立高保真多物理场数值模型，揭示倾斜基板上非垂直激光照射下熔池演化机制，明确临界倾角与光斑直径对沉积层形貌的影响规律，为复杂曲面结构的激光修复提供理论指导。

研究流程与方法

1. 数值模型开发

模型框架：基于有限体积法（Finite Volume Method, FVM）开发三维瞬态多物理场模型，模拟Inconel 718合金在倾斜基板上的DMD过程。软件平台为FLOW-3D，计算硬件配置为28核CPU（2.4 GHz）和128 GB内存。

关键假设：
- 熔池液体为不可压缩层流牛顿流体；
- 粉末与基材为各向同性均匀材料；
- 激光热源呈高斯分布；
- 固液相变区间（糊状区）视为各向同性多孔介质。

控制方程：
- 能量方程（Enthalpy-Porosity法）：耦合熔化-凝固相变，通过焓值计算温度场（公式1-2）；
- 动量方程：引入表面张力（Marangoni效应）、反冲压力、重力及粉末冲击力（公式3-7）；
- 质量守恒方程：考虑粉末添加引起的质量源项（公式3）。

边界条件：
- 计算域尺寸84 mm×10 mm×13 mm，网格数136.5万（单元尺寸0.2 mm）；
- 激光热源采用高斯分布，动态修正倾角对能量密度的影响（公式18）；
- 熔池表面考虑热传导、对流、辐射及蒸发冷却（公式16-17）。

2. 实验验证

材料与设备：
- 基材与粉末：Inconel 718合金（成分见表1），激光波长1070 nm，最大功率3 kW，光斑直径1.8 mm；
- 高速摄像机（NAC HX-7S）以1500 fps记录熔池形貌，808 nm激光辅助照明。

实验设计：
- 单道沉积实验，基板倾角45°，激光功率2500 W，扫描速度600 mm/min；
- 通过对比模拟与实验熔池形貌（图5），验证模型精度，几何误差≤12.5%。

3. 参数化分析

变量设计：
- 倾角影响：30°–50°（间隔5°），激光功率1500 W，光斑直径3 mm；
- 光斑直径影响：1–3.5 mm（间隔0.5 mm），固定能量密度121.4 W/mm²，倾角50°。

分析方法：
- 熔池体积、温度场、流速场动态演化；
- 沉积层宽度、接触角、冷却速率定量表征。

主要研究结果

1. 熔池演化与驼峰形成机制

六阶段模型（图7）：
1. 椭圆熔池形成：初始沉积时熔池呈椭圆形，高温区位于中心轴；
2. 基底扩展：粉末流动量（v_x分量）与重力协同作用，熔池底部扩张；
3. 泪滴形转变：热传导受阻，熔池后端保持液态，形貌转为泪滴状；
4. 液态桥连接：分离为A、B两个熔池，通过液态桥连接；
5. 熔池分离：液态桥断裂，A池持续扩展，B池收缩；
6. 驼峰固化：B池在表面张力下凝固形成驼峰，循环周期约1.5–2.5 s。

关键数据：熔池体积周期性波动（图9），最大温度梯度位于固液界面，冷却速率显著影响驼峰间距。

2. 倾角对沉积层的影响

临界倾角：40°–42.5°为驼峰形成的阈值范围（图10, 12）。低于40°时熔池稳定（图11b-c），高于40°时反向流场增强，Marangoni对流减弱（图11d-f）。

形貌规律：
- 30°–35°：沉积层高度均匀，起始端轻微凸起（“隆起效应”）；
- 40°–50°：表面波动加剧，驼峰数量从3个（45°）增至4个（50°）；
- 截面面积先增后减，熔池深度与体积持续下降（图13）。

能量机制：倾角增大导致激光能量密度降低（30°: 188.2 W/mm² → 50°: 139.7 W/mm²），光斑椭圆化扩大照射面积（图14）。

3. 光斑直径的调控作用

形貌影响（图15）：
- 小光斑（1 mm）：驼峰与不规则沉积增多，接触角增大（润湿性差）；
- 大光斑（3.5 mm）：沉积层宽度增加33%，接触角减小（润湿性改善）。

热力学机制：
- 小光斑冷却速率高（图17），熔池寿命短，驼峰周期缩短；
- 大光斑界面温度高（图18d），表面张力降低，促进铺展。

结论与价值

科学价值：
1. 首次建立非垂直照射下DMD熔池的多物理场耦合模型，揭示倾角与光斑直径的协同作用机制；
2. 提出驼峰形成的“临界倾角”概念（40°–42.5°），为曲面修复参数优化提供量化依据；
3. 阐明光斑直径通过调控熔池体积与冷却速率影响形貌的规律。

应用价值：
- 指导航空发动机叶片等曲面部件的激光修复工艺，避免盲区干扰；
- 为变壁厚复杂结构的自适应沉积（如变光斑直径策略）奠定理论基础。

研究亮点

1. 方法创新：开发集成粉末添加过程的动态焓-孔隙率模型，精度较传统简化方法（Li et al., 2020; Hao et al., 2019）提升显著；
   
2. 现象发现：揭示驼峰形成的六阶段循环机制，填补非垂直照射下熔池行为的研究空白；
   
3. 参数突破：明确临界倾角与光斑直径的工艺窗口，推动DMD技术在太空制造（微重力环境）等极端场景的应用。
   

其他价值

研究指出，通过基板预热与激光功率调节可抑制小光斑沉积的表面张力效应，这一结论对高精度曲面修复具有直接指导意义。未来工作可扩展至多道沉积模拟与异种材料复合沉积研究。