激光熔覆技術是20世紀80年代后興起的一種新的表面處理技術，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復合材料的工藝方法。這種工藝可以改善基體材料表面的耐磨，耐熱，耐腐蝕的特性。因此，此技術有很高的經濟效益，目前在制造和修復金屬零件方面已得到廣泛應用，而且在航空航天，機械電子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的應用前景。

此外，傳統制造領域，雙金屬復合界面的結合方式多采用機械結合型復合或冶金結合型。激光熔覆技術在雙金屬的加工方面相比于傳統加工工藝具有著突出的優勢。

粉末控制的學問

     在激光熔覆過程中，粉末材料的運輸非常重要。好的輸送可以減少粉末浪費，提高粉末利用率等，故送粉系統成為激光熔覆技術中的一個非常重要的環節，而送粉噴嘴作為送粉系統的關鍵組成部分之一，會直接影響熔覆零件的質量，因此國內外學者對送粉噴嘴進行了一系列研究，并取得了一定的成果。

目前激光熔覆技術中主要有預置粉末法和同步送粉法。預置粉末的熔覆層有氣孔，變形，開裂和脫落等缺陷，而且能耗較大，故同步送粉法受到更大程度的青睞。同步送粉法又分為側向送粉與同軸送粉。側向送粉是指在激光束的一側安置送粉噴嘴，這種送粉方式不適用于復雜三維軌跡，故在3D打印技術中，主要考慮同軸送粉的方式。

       同軸送粉又分為自重式送粉和載氣式送粉，自重式送粉是依靠粉末的重力進行輸送，這種送粉方式粉末利用率高，但輸送的粉末連續性差，水平方向動力不足，影響粉末匯聚，降低利用率造成較大浪費。載氣式送粉是基于固氣兩相流原理，依靠氣體的動力輸送粉末，這種方式粉末混合均勻可以連續輸送。但由于受氣體影響較大，難以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。目前3D打印技術中的噴頭主要運用載氣式送粉來實現打印過程。基于以上同軸送粉的一系列問題，國內外許多學者和工程師都致力于同軸送粉噴嘴的設計和改進來克服送粉時的缺點。

文獻分析

數值模擬在對送粉的控制中發揮了重要的作用，本文通過對不同文獻的研究方向進行了組略的概括。

這里的文獻中存在以下簡化：

1. 經分析在同軸送粉的所有模型中，粉末與總氣體的體積比值遠小于0.1，在此情況下粉末為流體中的非連續性介質，故可以運用離散相定義其性質并模擬。

2. 打印料材粉末在固體基底上的相變凝固時一個復雜多變的過程，為簡化噴頭附近的粉末流流場，以下文獻均沒有對此階段模擬計算。

3. 以下文獻均采用穩態模擬，考慮計算精度要求及計算成本，文獻中的模型均為RANS模型。

- 同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場的數值模擬

    西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室的張安峰教授對載氣式同軸送粉模型進行了二維數值模擬（2008）。主要探究其打印噴頭的錐環間隙和錐角大小與粉末噴出后的濃度分布關系。該研究應用FLUENT軟件進行數值分析，僅為二維軸對稱計算，沒有進行物理校核試驗。計算的定義域截取噴嘴出口至底部固體基底的流體區域，但并沒有考慮基底對粉末流場的影響。

圖1粉末流計算域（張安峰等）

圖1左側顯示的時噴嘴處的二維側視圖（簡化圖）右側顯示為其對應的網格處理圖。該計算重點探究顆粒流流出噴嘴后的濃度及流場結構。流體區域為網格區域，空白區域為固體區域。由左圖可知整個計算結構關于中軸線對稱，為減小計算成本，該模擬采用軸對稱建立2D模型。

湍流模型采用標準 κ-ε 模型，對于近壁面區域采用壁面函數法進行計算。劃分網格時沒有對近壁面區域加密但第一個節點不是在log區域內。對顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡化為理想氣體。

計算過程沒有進行熱耦合計算，即沒有開啟能量計算功能。

文章中并沒有對粉末的特性（例如粉末大小分布）做詳細描述。

默認氣粉具有相同速度,u=6m/s。

-Numerical simulation of the focused powder streams incoaxial laser cladding

      臺灣國立成功大學，機械工程學院的Lin教授在2000年發表的文獻： Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding奠定了早期同軸送粉數值模型的基礎。這篇文章中的數值模型構建同樣應用FLUENT，對噴嘴出口至底部固體基底的流體區域（未考慮基底）計算（圖2）。主要探討內部噴嘴出口相對于外部錐形區域的位置（內置或外凸）。

圖2 粉末流計算域（Lin.J）

如上文提到，這篇文章為后續一系列研究奠定了基礎。其設置條件如下：

由于不規則的幾何模型限制，此計算中的坐標系選擇BFC（mapped mesh）。

湍流模型采用標準 κ-ε 模型。

對顆粒的模擬采用離散相模型（DPM），惰性氣體簡化為理想氣體。

能量方程開啟但沒有考慮因為激光輻射所產生的能量變化。

計算粉末流動路徑時，僅考慮拉力、重力和自身慣性力，不考慮周圍氣體對粉末的影響。

粉末直徑大小分布符合Rossin-Rammler分布（直徑范圍45um-105um/30組）。

入口均勻速度分布。

邊界條件設置：

速度入口：Uo=4m/sU1=8m/s。

粉末速率：0.04g/s（不銹鋼粉末）

壓強出口（底部為出口）：P0=1atm。

壁面（右側為壁面）：陷落無滑動。

軸對稱（左側為軸對稱）。

- Modeling of coaxial powder flow for the laser direct deposition process

    考慮到激光熔覆的復雜性，以上所有的文獻在研究粉末濃度分布時均未考慮激光輻射所產生的熱變化，更沒有涉及到打印料材粉末的相變過程。Wen（2009）在其研究中在模擬粉末流的同時考慮到了因為激光輻射所造成的能量變化，包括粒子的相變過程。并且在模擬粒子流的過程中考慮到了不同的粒子形狀對計算結果的影響。

     Wen將整個熔覆過程分為三個模型：1.紊流的模擬，2.粒子流的模擬，3.粒子加熱的模擬。該模型的計算域包括粒子流噴出后至熔融基底（不包括基底）的流場，以及部分輸送粒子管道的流場（圖3）。

      在模擬紊流的模型中，Wen同樣選擇了RANS中最常用的標準模型的穩態模擬過程，而在定義粒子時，他將粒子直徑范圍設定在45um-150um，與此同時，形狀參數也被引進來定義不同的粒子形狀。除此之外，這篇文獻也運用DPM對粒子流進行模擬。本文最大的亮點在于將激光輻射以及粒子熔融相變考慮在內。通過開啟FLUENT中融化與凝固模型（melting& solidification）實現對相變過程的模擬，而應用UFD來定義激光密度來實現對激光輻射的考慮。

該模擬計算的模型經過對應物理實驗的校核，最終展示了流場的動力學和熱力學狀態。邊界條件設定如圖3。

圖3粉末流計算域（Wen. S.Y, etc.）

對比與總結

     考慮到計算精度與計算成本，對激光熔覆技術的仿真模擬計算均采用RANS模型中最常用的標準κ-ε模型。文章中列舉的研究文獻均運用FLUENT求解打印粉末的流場結構。經預估3D打印同軸送粉的激光熔覆技術中粉末流的斯托克數，得知絕大多數情況下，此流場的斯托克數遠大于1，故流場內粉末的運動主要取決于自身的慣性力或重力，外部流場對其影響可以忽略不計。

    根據計算的目的，以上的幾篇文獻對流場的熱力學計算均作了不同程度的簡化與假設。其中西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室（2008）沒有考慮任何熱力學方程，而Lin（2000）的模擬計算中僅考慮了除激光輻射之外的熱量計算。Wen（2009）通過FLUENT中的UDF實現了對離散型粒子流的激光輻射模擬。

      以上的幾篇文獻中，只有Wen的計算中考慮到了粒子形狀對流場的影響，其他的研究均假設粒子為球形。Lin與Wen在模擬粉末流中粒子大小時均采用Rossin-Rammler分布，而其他文獻中認為粒子為大小相同的球體。

通過模擬仿真在針對DMD激光熔覆3D打印過程中的應用，可以對我國自主研發打印機結構起到指導作用，也使我們更加了解此打印方法的技術壁壘進而深入學習、設計、提升對3D打印的控制能力。

參考文獻：

張安峰等，同軸送粉噴嘴氣固兩相流流場的數值模擬，西安交通大學學報，42l9Sep.2008

Lin. J, Numerical simulation of thefocused powder streams in coaxial laser cladding, Journal of Materials Processing Technology, 105 (2000) 17±23, 2000

Wen. S.Y, etc., Modeling of coaxial powderflow for the laser direct deposition process,International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (2009)5867–5877, 2009

張亦舒

     安世亞太增材設計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環境工程學士，環境流體力學碩士。參與國內外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機機型方面，對FDM與DMD機型均有仿真計算經驗。