上海交大特種材料研究所增材制造團隊提出氣霧化制粉工藝粉末缺陷產(chǎn)生機理

通訊作者  王洪澤
來源：上海交通大學特種材料研究所

上海交通大學特種材料研究所增材制造團隊題為“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a newcoupled simulation model”的論文在材料加工領域高水平期刊Materials Design上發(fā)表。

該研究建立了多相流與離散相耦合模型，將數(shù)值模擬技術和粉末表征實驗相結合，解釋了氣霧化制粉工藝過程中空心粉、衛(wèi)星粉以及異形粉的形成機理，并基于此提出了相應的氣霧化工藝及裝備優(yōu)化策略。本期江蘇激光聯(lián)盟激光紅將推這一研究成果進行分享。

研究成果解析

論文主要使用ANSYS-FLUENT流體仿真軟件中的多相流模型（VOF）和離散相顆粒模型（DPM），基于耦合的方式對氣霧化工藝進行全過程模擬，分析了金屬熔體的剪切、初次破碎、二次破碎、冷卻凝固等過程（圖1）。

圖1.論文的圖形摘要

由于研究對象是粉末缺陷，缺陷的尺度在微米級別，所以計算網(wǎng)格必須足夠細。為了解決以上問題，論文采用了基于金屬相體積分數(shù)梯度的自適應網(wǎng)格方法，在保證計算精度的同時提高了計算效率。通過模擬，解析了金屬粉末以及缺陷的形成過程，結合運動學和動力學分析給出了各類缺陷形成的原因。研究表明，空心粉可以形成于初次破碎和二次破碎階段。

圖2-0 研究的流程圖

圖2.初次破碎空心粉形成過程

初次破碎階段，氣液交互作用使得界面處出現(xiàn)了開爾文-霍姆赫茲不穩(wěn)定效應，產(chǎn)生卷氣行為，形成了大量的氣泡，該氣泡部分進入到破碎的液滴中，導致空心粉產(chǎn)生（圖2）；二次破碎階段液滴的行為和韋伯系數(shù)相關，不同韋伯系數(shù)下液滴將會產(chǎn)生不同的的破碎行為，當韋伯系數(shù)在175到375之間時，其剪切破碎中極易產(chǎn)生空心粉，仿真和粉末表征實驗驗證了這一現(xiàn)象（圖3）。

圖3.二次破碎空心粉形成過程

仿真結果表明，不規(guī)則形狀粉末主要產(chǎn)生在液滴冷卻與凝固階段。這個過程中，液滴被充分加速，氣液的速度差導致了作用于液滴的曳力，和液滴自身的表面張力綜合作用使得液滴發(fā)生變形，從而最終凝固形成不規(guī)則粉末（圖4）。

圖4.異形粉形成過程

在衛(wèi)星粉形成機理方面，論文通過數(shù)值仿真和理論推導發(fā)現(xiàn)：二次破碎后不同粒徑液滴的飛行速度不同，大液滴飛行速度小于小液滴；小液滴的冷卻速度更快。當小液滴撞上大液滴時，并，會發(fā)生粘附，形成衛(wèi)星粉（圖5）。

圖5.衛(wèi)星粉形成過程

基于以上分析結果，論文最后給出了抑制缺陷的工藝措施，包括合理使用二級霧化噴嘴，合理布置噴嘴位置，以及控制氣體溫度等。研究結果對于指導氣霧化制粉工藝優(yōu)化、提升增材制造粉末質量具有重要意義。論文受到國家自然科學基金 (52075327，52004160)、上海市自然科學基金(20ZR1427500)、上海市揚帆計劃（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大專項(Z2020001)等經(jīng)費的資助。