电子束选择性熔化过程中的增材制造技术模拟与实验研究

工程3（2017）701研究增材制造-制品电子束选择性熔化过程严文涛a，b，钱亚a，马伟新c，周斌a，沈永兴c，冯林a，*a清华大学机械工程系，北京100084b西北大学机械工程系，埃文斯顿，IL 60201，美国c上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200240ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2017年5月15日收到2017年9月25日修订2017年9月27日接受2017年10月25日在线发布关键词：模拟电子束增材制造粉末秤电子束选择性熔化（EBSM）是一种很有前途的增材制造（AM）技术。EBSM工艺包括三个主要步骤：①铺粉层，②预热以轻微烧结粉末，③选择性熔化粉末床。这些过程中涉及的高度瞬态多物理场现象对现场实验观测和测量提出了重大挑战。为了进一步理解每个过程中的物理机制，我们利用高保真建模和后处理实验。这些模型与实际制备过程相似，包括：①采用离散元法（DEM）的粉末铺展模型;②粉末烧结（固态烧结）的相场（PF）模型;提供了对所有主要程序的全面见解，这很少被报道。初步的模拟结果（包括粉末颗粒填充在粉末床，烧结颈颗粒之间的形成，和单轨缺陷）同意定性与实验，证明了理解的机制，并指导设计和优化的实验装置和制造工艺的能力。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍电子束选择性熔化（EBSM）是一种很有前途的金属零件增材制造（AM）技术。它能够制造具有复杂几何形状的部件，并为局部操纵化学成分和机械性能开辟了新的途径。例如，Yang et al.[1] Ge等人[2-4]制造了具有负泊松比的拉胀晶格结构在EBSM [2]中有三个主要的制造过程，如图所示。1.一、(1) 将一层粉末铺在预热的平台或夹层上。对于不同的层，层厚度可以变化。为每个通过改变层的厚度，可以设计和调整几种不同类型的粉末的混合比，以允许控制化学成分。(2) 预热粉床，使粉末轻微烧结。这有助于防止粉末散落，这甚至可能导致构建失败。(3) 选择性地熔化粉末床。光束功率和扫描速度是影响最终零件质量的关键因素虽然EBSM的基本原理相当简单，但实际过程包括多种物理现象，如粉末颗粒堆积，传热，相变和流体流动，以及许多因素影响工艺和制造质量。在每一个制造过程中有相当多的基本物理机制需要理解* 通讯作者。电子邮件地址：linfeng@tsinghua.edu.cnhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.0212095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng西702号Yan等/工程3（2017）701图1.一、EBSM过程中各工序的实验和模型。DEM：离散元法; PF：相场; FVM：有限体积法。以便选择最佳的工艺参数以确保制造质量。例如，如何提高铺粉过程中粉层的堆积密度，如何使预热过程中的粉层达到最佳聚结状态，如何避免球化效应，减少单轨不均匀性等问题都是有意义的研究课题。以前的研究大多集中在熔化过程，而不是对其他两个程序。很少有研究全面模拟所有的制造过程。一些粉末尺度的模型解决了随机分布的颗粒在粉末床已经发展到调查单个粉末颗粒的熔化过程[5克尔纳等人[5]采用雨模型来生成粉末层，并采用二维（2D）晶格玻尔兹曼方法（LBM）来模拟粉末熔化过程。他们研究了粉末层厚度和输入能量对多个粉末层连续固结过程Khairallah等人[6]建立了选择性激光熔化（SLM）的细观模型，利用ALE 3D多物理场模拟软件研究了单道成形过程中气孔、飞溅和剥蚀的形成机理。Qiu等人[8]使用开源代码OpenFOAM模拟SLM工艺中的粉末级熔体流动，以研究表面结构和孔隙率的发展。这些模型包含了熔池流动的大部分驱动力，包括表面张力、马兰戈尼效应和反冲压力。在这项工作中，我们利用建模和实验-这三个步骤中的每一个都有助于加深对物理机制的理解（图1）。模型介绍了包括采用离散元法（DEM）的粉末铺展模型、粉末烧结的相场（PF）模型和采用有限体积法（FVM）的粉末熔化模型。第3节介绍了实验方法。在第4节中，每个程序的实验和模拟结果进行了介绍和讨论。最后，在第5节中给出了简要总结。2. 模型请注意，三个小节中的符号仅适用于相应的小节。2.1. 铺粉模型直径在30-50 μm范围内遵循高斯分布的球形粉末颗粒首先在重力作用然后，耙子从左向右移动以散布粉末（图1）。粉末颗粒的运动由接触相互作用和体积力控制。Hertz-Mindlin接触模型。在一个简单的情况下，只有两个半径为R1和R2的接触颗粒，法向和切向方向的接触力包括非线性变形和阻尼，如方程1所示（1）Eq.（二）、布拉夫56lnπ2lnπ2不无无无无无无无nnCK3eFKttW. Yan等/工程3（2017）701（一）（二）703..其中δn和|阿勒 特|得双曲正弦值. |δn|和|阿勒 特|分别为法向（en）和切向（et）方向的相对位移和速度;而Kn和Kt以及γn和γt分别为法向和切向方向的有效刚度和阻尼系数，分别由方程（1）给出。（三）、KK在中国，（三）n   你好，5分钟 的步行6图二、PF模型中字段的示意图。其中E、θ和θ是杨氏模量、泊松比和剩余系数。NT，分别。如果|E |ξ |+ γ |ξ ||F|，会发生切向滑动，然后|, tangential slide willhappen, and then theLF公司简介2，第1，2页（八）不 tt t n别说了别说了切向力是最大摩擦力，如方程式中所示（四）、FtFnet其中μ是分数系数。(4)其中M是浓度迁移率张量;L是阶参数标量迁移率;x是空间位置矢量;t表示时间。除了接触排斥力之外，细颗粒的内聚性质表现出吸引力。在这里，我们使用约翰逊-肯德尔-罗伯茨（JKR）的凝聚力模型，最初实施纳入细颗粒和干颗粒之间的范德华力（五）、粘聚力主要由材料的表面能密度决定。πα3π E采用FeNiCS[10]软件包求解该非线性问题。采用牛顿法和整体法求解。由于每层粉末的预热过程通常需要20 s左右，因此采用恒定的时间步长dt= 2 × 10周期性的边界条件和隐式求解器。FJKR104 2(5)2.3.粉末熔化其中a是接触区域的半径。2.2.粉末烧结粉末熔化过程受连续性控制（方程式10）。(9))能量守恒（Eq.(10))和动量守恒（方程。(11))，详细描述如下：应该强调的是，粉末烧结机理v0（九）在预热过程中是主要由晶界扩散驱动的固态烧结，而不是由熔化和凝固驱动的液态烧结这种在EBSM预热过程中的固态烧结很少被研究或建模。因此，我们建议使用PF来模拟粉末烧结。为其中ρ和v分别表示熔体流动的质量密度和速度矢量在本研究中，熔融物料的流动被假设为牛顿不可压缩流动，并设定质量密度为常数。I 简单地说，我们在两个粒子的情况下解释该方法，在这种情况下使用两种场：固体的体积c和阶t  vIq  kT（十）参数字段，η1和η2。 所有这些字段的值都在0和1之间，如图所示。二、注意，在晶界上，c= 1。烧结过程的演变是由最小化总自由能F[9]驱动的：其中k是热导率;T是温度;I=cT+（1最重要的是，q是输入热源弗罗茨瓦夫 fc;，c212 2 c1 2211 中国2dv22(6)该模型是基于电子-原子相互作用的Monte Carlo模拟建立的[11]。热源模型是材料依赖性和实验设置特定的。详细描述其中v是体积;f是体自由能;κc和κη是梯度能量参数因此，我们有守恒场c的Cahn-Hilliard方程：布拉奇在我们以前的论文中提供了[11-13]。初始条件-873 K的均匀温度分布，以便结合预热过程。热边界条件为表面辐射和表面蒸发热损失.你好，  M2012年12月2日(7)vvvvpgf和非保守阶参数的Allen-Cahn方程B类（11）其中g表示重力加速度矢量;μ是粘度;312 1 22ER1R2 2E2  1 R 1 R 2n1 23Km1m2nmm1 22Km1m2tm1 2F布拉夫布拉奇704W. Yan等/工程3（2017）701p是压强。浮力fB使用Boussinesq近似（方程：（12））。速度和倾斜角度的粉末耙可以定制。使用激光粒度仪测量粉末粒度分布gT（十二）尺寸分析仪b0的其中β是热膨胀系数;T0是参考温度。自由表面的跟踪使用体积的流体（VOF）的方法。如在Eq。(13)，计算每个单元中的相分数（F），而速度（v）由方程（1）给出的动量方程的解获得（十一）、基于相分数，可以在每个时间步中重建自由表面。F在施加粉末床之后并且在选择性熔化程序之前，通常使用散焦电子束预热粉末层目的是将粉末颗粒轻微烧结在一起，以避免粉末“冒烟”。在后处理实验表征中，为了研究烧结的机理，我们在100 °C下将烧结的粉末颗粒附着到一些包埋树脂上，然后采用聚焦离子束（FIB）仪器进行抛光。最后，利用扫描电子显微镜（SEM）观察了烧结过程中的微观结构tFv0（十三）在粉末颗粒的接触点处颈缩。机械抛光是不可行的，因为它可能会打破颈部和改变反冲压力，表面张力和Marangoni效应被视为自由表面上的边界条件，而表面张力系数被设置为与温度有关。3. 实验方法研究中使用的EBSM系统（图3）是开放式架构，允许用户自定义各种制造参数。详细的描述可以在以前的论文中找到[4]。由于有两个粉末罐，该设备能够通过定制每层中两种类型粉末的混合比来制造功能梯度材料。对于粉末扩散实验，图3.第三章。 内部EBSM系统。（a）示意图;（b）照片。微观结构在粉末熔化过程中，使用聚焦电子束。在光学显微镜（OM）下观察单个径迹的形态。4. 结果和讨论4.1. 粉末铺展评价撒粉机械性能的一个很好的指标是粉床的相对堆积密度一个更紧凑的粉末床通常有利于制造质量，这可以通过粉末熔化模型来证明，如第2.3节所介绍的。模拟（图4（a））可以指导粉末耙（图4（b））的设计和优化，包括耙的形状及其平移速度。相对堆积密度无论是在一个平坦的基板或波动的表面前层可以预测（图。4（c）），然后与实验（图。4（d））。一些初步模拟结果揭示了以下现象：• 如果平移速度相对低，则前刀形状不影响填充密度，并且所得填充密度高。• 如图5所示，堆积密度随着耙速的增加而减小。应该注意的是，当前模型中没有考虑耙振动的影响;然而，在实验中，振动受到耙速度的影响，然后反过来影响粉末散布[4]。还应当提及的是，第一粉末层具有比整个粉末床的堆积密度低的堆积密度，因为层厚度仅为平均粉末颗粒直径的大约两倍。4.2. 粉末烧结烧结的PF建模主要是在2D中。给出了两种模拟情况：①两个不同尺寸的粉末颗粒，②两个尺寸相似的粉末颗粒（图6）。在图6（a）和图6（b）中，在图6（c）中，红色部分表示充满材料的域，蓝色部分表示没有材料的域，过渡色表示材料界面。表1 [14虽然这个模型还有相当多的改进，但实验观察（图1）。6（b）和图。6（d））已被定性再现，这表明所提出的方法的建模能力的烧结过程。应该注意的是，模型和实验之间的尺度是不同的。由于尺寸效应，达到相同的烧结阶段，更大的规模将导致更长的时间。GBW. Yan等/ Engineering 3（2017）701-707705图四、粉末散布的实验和模拟结果。（a）模拟可以指导（b）粉末耙的设计和优化;（c）在先前的层上散布粉末层的模拟和（d）表1粉末烧结模拟中的材料参数。物业价值单位晶界迁移率，ε10OEFF图六、粉末烧结的实验和模拟结果。（a）、（b）具有不同尺寸的两种粉末颗粒;（c）、（d）具有相似尺寸的两种粉末颗粒晶界能，γgb[14]0.81J·m表面能，γsf[14]2.1J·m体积扩散，Q[15]3.2× 10J表面扩散，D [第十五条]2.92× 10m2·s表面扩散系数，Ds [16个]预热温度，T2 × 101100m2·s摄氏度图五. 不同前刀速度下的粉末散布模拟结果。西706号Yan等/工程3（2017）7014.3. 粉末熔化我们的高保真粉末熔化模型的一个重要特征是通过采用增强的VOF方法精确捕获和重建材料表面来精确实现热源模型[17]。为了说明这一点，我们模拟了电子束（其中能量均匀分布在束的横截面内）加热基底上的球形粉末颗粒的过程在图7中可以看出，电子束可以穿透颗粒的边缘进入下面的基底，因为电子束的最大穿透深度约为16μm。还应注意，地下区域（约表面以下5 μm）的温度高于表面，因此完美地结合了电子-原子相互作用微观模拟沿穿透深度的能量分布[11，12]。此外，在图7（b）中，红色区域（温度高于1928 K）随着与中心距离的增加而变小，因为由于入射角的影响，能量吸收率在中心附近较高，在边缘附近较低[12]。单轨作为一个基本的建筑单元，影响最终产品质量，如表面粗糙度和尺寸精度。我们采用基于有限体积法的高保真粉末尺度模型来预测单径迹缺陷的详细形成过程，包括球化效应和单径迹不均匀性（图1）。 8）。这些过程很难观察到，图7.第一次会议。 电子束加热基底上球形粉末颗粒的模拟结果。(a)（b）模拟;以前的研究提出了不同的甚至相互矛盾的解释。该模型有助于阐明其形成机理，揭示关键因素的影响，指导加工质量的提高。更详细的讨论和描述在我们以前的论文中[13]。主要结论如下：• 球化效应是由熔融颗粒下方的基材未熔融引起的。在表面能的驱动下，一些熔化的颗粒合并在一起形成孤立的簇，而不是在未熔化的基底表面上扩散。• 单道非均匀性是由于熔池在边界附近随机附着到部分熔化的颗粒上在多层多轨道制造工艺中，先前的层和轨道以及喷射的材料也将影响熔化轨道的不均匀性详细的模拟结果和讨论超出了本文的范围，可以在我们以前的论文中找到[13]。5. 总结为了全面理解EBSM过程中的物理机制，我们利用建模和实验。该模型包括：①基于DEM的火药散布模型②粉末烧结的PF模型;③利用有限体积法建立粉末熔化这些模型完全类似于实际的制造过程。初步的模拟结果与实验定性一致，并展示了吸引人的潜力，揭示了潜在的机制，并指导设计和优化的实验装置和制造工艺。确认清 华 大 学 的 作 者 感 谢 中 国 国 家 重 点 研 发 & 计 划 （ 2017 YFB1103303）和苏州-清华创新引领行动专项（2016 SZ 0216）的财政支持。沈永兴感谢全球专家招募计划提供的资金支持遵守道德操守准则严文涛、钱亚、马伟新、周斌、沈永兴和冯琳声明，他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。图8.第八条。（a）和（c）球化效应的实验和模拟结果;以及（b）和（d）单轨不均匀性[13]。W. Yan等/ Engineering 3（2017）701-707707引用[1] 杨L，Harrysson O，West H，Corp. 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