激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟1)

黄辰阳 陈嘉伟 朱言言 廉艳平 ,2)

* (北京理工大学先进结构技术研究院,北京 100081)

† (北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院,北京 100191)

引言

金属增材制造技术作为一种具有变革性的先进数字化制造技术,在航空、航天、交通等领域中具有广泛的应用前景[1-2],得到了国内外学者和工业界的广泛关注和高度重视.同轴送粉激光定向能量沉积(laser directed energy deposition,L-DED)技术则是其中的一种代表性技术,具有成形精度高、速度快且加工尺寸限制小的优点.该技术主要通过输送气流裹挟金属粉末进入高功率激光热源作用区域,使材料熔化沉积在基体表面凝固后形成熔覆层,通过逐道扫描逐层搭接实现构件的制备.现阶段,在实际加工过程中,L-DED 成形件受制于表面质量差、尺寸偏差大等形貌缺陷[3-4],以及微裂纹、孔洞等冶金缺陷[5-6].这些缺陷制约了该技术的进一步发展和广泛应用.因此探究不同工艺参数下的熔覆层成形机理,对实现增材制造控形控性以及提高成形效率具有重要意义.然而,L-DED 制造过程是一个十分复杂的多尺度、多物理场耦合问题,包括高度动态且随机性强的粉末传输[7-8]、高热源能量密度下的激热激冷和金属熔池的动态凝固,并且涉及工艺参数量巨大[9-10],单纯通过实验手段进行熔覆层成形机理研究十分困难且具有效率低、周期长、代价高昂等缺点[11].因此,采用数值模拟方法研究该问题是一项重要且高效的手段.

目前,国内外学者针对L-DED 的熔覆层成形机……