高性能3D打印粉末研制：氣霧化流場及粉末特性調(diào)控

來源：中國科學(xué)院金屬研究所

導(dǎo)讀：高質(zhì)量前驅(qū)粉體的的獲得是3D打印高性能構(gòu)件的重要前提，氣霧化作為制備金屬粉末的關(guān)鍵技術(shù)，其粉末特性取決于復(fù)雜流場演變行為的理解與調(diào)控。本文采用流體動力學(xué) k-ε和離散相模型理論，對5~8 MPa范圍內(nèi)鐵基非晶合金粉末的霧化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。剖析了“閉渦”條件下的氣液兩相流場特征，闡明了合金熔體的破碎過程，模擬計算獲得的合金粒徑分布及尺寸與實驗結(jié)果相吻合。

背景介紹

增材制造(3D打印)以快速、低能耗和高效率生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀零件等優(yōu)勢而備受關(guān)注。金屬粉末作為增材制造的原料，其粒徑分布、成分、表面形貌等特性對構(gòu)件質(zhì)量影響顯著。氣霧化作為制備金屬粉末的關(guān)鍵技術(shù)，其粉末特性取決于復(fù)雜流場演變行為的理解與調(diào)控�；�于氣霧化流場的瞬時性和復(fù)雜性，將計算和和實驗手段結(jié)合是預(yù)測粉末特性、優(yōu)化制備工藝的有效途徑。自2002年以來，大量的氣霧化模擬工作通過利用計算流體力學(xué)(CFD)方法、Taylor類比破裂(TAB)模型、ETAB模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ�、歐拉-拉格朗日雙向耦合等方法對不同工藝條件下氣霧化單相流場的物理行為進(jìn)行理解，并發(fā)現(xiàn)了“開渦”流場到“閉渦”流場的過渡區(qū)間，證明了“閉渦”條件下粉末破碎將更加充分。但對近似實際情況的高度復(fù)雜的雙相流場模擬預(yù)測研究以及對高壓“閉渦”條件下的流場特性研究未見報道，對氣-液雙相流場的相互作用、液流破碎以及液滴在霧化區(qū)域內(nèi)流動分布缺乏深入理解。

中國科學(xué)院金屬研究所王建強(qiáng)研究員團(tuán)隊多年來一直致力于研發(fā)增材制造專用高性能金屬粉末，在氣霧化粉末成分設(shè)計、結(jié)構(gòu)特性及性能等方面取得了重要進(jìn)展。本研究基于CFD方法、流體動力學(xué)k-ε和離散相模型理論，詳細(xì)研究了“閉渦”流場條件下氣體單相流場及氣體-液流雙相流場的特性，通過歐拉-拉格朗日DPM的不穩(wěn)定破碎模型（WAVE模型），預(yù)測了粉末的粒徑和分布，計算結(jié)果與實際結(jié)果高度契合，闡明了氣體壓力對“閉渦”流場、霧化演變過程和粉末破碎及特性的影響規(guī)律。

相關(guān)研究以題為“Impact of gas pressure on particle feature in Fe-based amorphous alloy powders via gas atomization: Simulation and experiment”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technolog, [105 (2022) 203-213]上。

相關(guān)論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.075

本文亮點

基于流體動力學(xué)k-ε和離散相模型理論，剖析了“閉渦”條件下的氣液兩相流場特征，發(fā)現(xiàn)馬赫盤形態(tài)敏感于霧化壓力，當(dāng)形態(tài)由“S”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癦”形時二次回流區(qū)橫截面積最大，液流破碎效果最充分，由此建立了霧化流場與粉末特性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。并以非晶合金體系進(jìn)行實驗驗證，制備的粉末特性與模擬結(jié)果高度契合。

圖文解析

圖1 閉渦條件下，氣體壓力為5~8 MPa的高壓氣體霧化噴嘴CFD模型。在CFD圖中，速度的大小隨黑暗陰影的減少而增加。(a) 5 MPa下一、二次回流區(qū)；(b) 6 MPa下一次回流區(qū)和擴(kuò)大后的二次回流區(qū)；(c) 7 MPa下一、二、三再回流區(qū)；(d)在8 MPa條件下，第一回流區(qū)、第二回流區(qū)和擴(kuò)大后的第三回流區(qū)。

圖2 氣體霧化壓力為5~8 MPa時，沿氣體霧化噴嘴幾何中心線的速度分布。藍(lán)色箭頭指向一次回流區(qū)的滯點，黑色箭頭指向馬赫盤，紅色箭頭指向第二回流區(qū)的滯點，綠色箭頭指向第三回流區(qū)的滯點。

圖3 氣體霧化噴嘴在具有氣體和熔體兩相流的閉渦條件下、霧化壓力為5 ~ 8 MPa時的CFD模型。隨著速度的增加，黑暗的陰影減少。(a) S形馬赫盤;(b) Z形馬赫盤;(c) Z形馬赫盤;(d)漩渦離開中心線。

圖4 在氣體霧化壓力為5~8 MPa，具有氣體和熔體兩相流情況下，分別得到了噴嘴幾何中心線上的速度分布。藍(lán)色箭頭指向一次回流區(qū)的滯點前沿，黑色箭頭指向馬赫盤，紅色箭頭指向二次回流區(qū)的滯點。

圖5 霧化模擬和實際氣體霧化得到的粒徑分布結(jié)果對比:(a) 5、(b) 6、(c) 7、(d) 8 MPa

本研究通過數(shù)值模擬手段，剖析了“閉渦”條件下的氣液兩相流場特征，發(fā)現(xiàn)馬赫盤形態(tài)敏感于霧化壓力，當(dāng)形態(tài)由“S”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癦”形時二次回流區(qū)橫截面積最大，液流破碎效果最充分，建立了霧化流場與粉末特性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，制備的粉末特性與模擬結(jié)果高度契合。本研究將為增材制造專用金屬粉末的高質(zhì)量制備和批量穩(wěn)定控制提供重要理論指導(dǎo)和依據(jù)。