增材制造-变气压下选择性激光熔化介观模型及输运现象

工程7（2021）1157研究增材制造-制品变气压下选择性激光熔化的介观模型和输运现象胡仁智a，罗满乐兰a，黄安国a，吴嘉民a，魏青松a，温世锋a，张立超a，石玉胜a，德米特里·特鲁什尼科夫b，V.Ya. 别伦基湾Yu. Letyaginb，K.P.Karunakaranc，Shengyong Panga，华中科技大学材料加工与模具技术国家重点实验室，武汉430074b俄罗斯彼尔姆国立研究理工大学焊接生产、计量和材料技术系，彼尔姆614990c印度孟买理工学院机械工程系，印度孟买400076阿提奇莱因福奥文章历史记录：2019年1月1日收到2019年6月11日修订2020年1月5日接受2021年7月15日在线提供保留字：选择性激光熔化介观模型环境压力输运现象A B S T R A C T最近的报告选择性激光熔化（SLM）过程中，在真空或低环境压力下显示出更少的缺陷和更好的表面质量的印刷产品。虽然SLM在真空中的物理过程已经通过高速成像进行了研究，但其传热和熔体流动的基本机制仍然没有得到很好的理解。在此，我们首先发展了一个可变环境压力下SLM的介观模型，根据我们最近的激光焊接研究。模拟了SLM 316L不锈钢粉末在常压和常压下的输运现象100 Pa环境压力。对于典型的工艺参数（激光功率：200 W;扫描速度：2m/s-1;粉末直径：27lm），腔的平均表面温度在大气压力下接近2800K，而在100 Pa压力下接近2300 K。更有活力的流体在100 Pa的环境压力下观察到平均速度为4 m·s-1的流动，这是因为蒸发引起的表面压力与环境压力之间的压力差相对较大，并在较低的压力下驱动流动它还表明，有周期性的波纹流（周期：14μs），影响印刷轨道的表面粗糙度此外，熔融流动被证明是层流，因为雷诺数小于400，远低于湍流的临界值;因此，粘性耗散是显著的。结果表明，在真空或较低的环境压力下，由于波纹的轨迹长度较长，波纹流在粘性作用下更容易消散，从而改善了轨迹的表面质量。总之，我们的模型elucidates的物理机制的有趣的传输现象，已观察到在独立的实验研究中的SLM过程中的可变环境压力，这可能是一个强大的工具，优化SLM过程中的未来。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍在过去的20年里，在大气压力下金属的选择性激光熔化（SLM）中发生了巨大的发展[1近年来，在真空或较低环境压力环境下的SLM被提出作为生产高质量金属产品的替代方法与传统的SLM工艺相比，真空SLM的优点是显而易见的。由于环境极其洁净，在真空SLM工艺中防止了缺陷[6]。印刷产品的更光滑的表面（粗糙度Ra< 1lm）可以是*通讯作者。电子邮件地址：spang@hust.edu.cn（新加坡）Pang）。在真空环境下钛（Ti）的SLM期间获得[7]。虽然通过现场观察[8-10目前，对于低压下SLM过程中熔池的热力学和流体力学行为还没有很好的认识。高效的建模在理解SLM过程中发生的物理行为方面表现出巨大的潜力，因为它大大减少了对昂贵和耗时的试错实验的需求[11]。在过去的几十年里，SLM熔池动力学的细观建模取得了巨大进展[12关键物理因素，如激光照射、Marangoni力、表面https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.07.0032095-8099/©2021 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。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engR. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571158R@t：. Σ张力和反冲压力已经在建模中被考虑。Körner等人。[12]采用晶格玻尔兹曼方法（LBM）研究粉末层中的连续固结过程。Khairallah等人[13]开发了一个介观模型，使用欧拉-拉格朗日方法研究孔隙、飞溅和剥蚀的形成机制。然而，现有的模型很少考虑可变环境压力的影响。此外，应该注意的是，求解SLM的当前介观模型是非常耗时的，因为打印过程包括不同的空间和时间尺度。为了克服这个问题，已经做出努力来减少以常规方式包装。然而，我们注意到，这种简化是可以限制的，因为我们的模型可以输入的实际填充模式的粉末时，填充策略是实验确定的。SLM粉末的质量连续性、动量连续性和能量守恒的控制方程如下所示[22]：r·U<$0 1q@UU·rUr·lrU-rp-lU-qgbT-Trefð2Þ计算成本博利etal.[14]介绍高-@t K性能计算技术融入SLM建模。李和Zhang[15]使用非均匀网格在个人计算机上模拟典型的SLM打印过程，并表明仅需要40 h简而言之，对于SLM过程的当前介观模型，计算时间是巨大的。因此，需要开发更有效的模拟方法在这项研究中，我们首先根据我们最近对激光焊接的类似研究[22，23]，在可变环境压力下开发了SLM的介观现象模型。该模型严格考虑了表面张力、Marangoni力、反冲压力和环境压力等物理效应，采用有效qCp@TU·rTr·krT3其中和t分别表示哈密顿算符和时间。U、q、p、l、g、T、T_ref、b、C_p和k分别表示三维（3D）速度矢量、密度、压力、粘度、重力矢量、熔池温度、参考温度、热膨胀系数、热容和热导率。K是用液相分数场fl来解释液/固特性。假设液体分数随温度线性变化[24]：8>1T>T1基于八叉树的自适应网格加密（AMR）方法。引入了一个考虑变量影响的表面压力模型fl¼T-Ts>Tl-TsTl≥T≥Tsð4Þ根据我们以前对激光焊接的研究[22，23]，熔池上的环境压力。利用数值模型研究了SLM 316L不锈钢粉末在常压和低气压（100 Pa）下的传热和流动行为。然后，我们分析了我们的模拟结果进行比较，与当前可用的实验数据的SLM的钢粉末在可变的环境压力。2. 材料和方法图 1示出了SLM工艺的示意图。该数学模型考虑了介观导热和对流传热，并对熔化、凝固和蒸发等相变进行了数学处理。熔池的介观流体流动主要受环境压力、蒸发反冲压力、表面张力、静水压力、流体动力学压力和Marangoni剪应力的影响。用流体体积法计算了熔池表面的瞬态自由表面演化。混合物模型用于处理SLM过程中的把这个复杂的问题从数学上讲-0TTs<其中T1和Ts分别表示熔融液体的液相线和固相线温度。当液体分数大于0且小于1时，确定液体和固体之间的界面。在固相线/液相线转变过程中，使用稳健的温度补偿方法[25]来处理相应的潜热。VOF方法用于跟踪自由表面的位置和形状。它解决了细胞（F）中金属体积分数的标量输运方程，如下[26]：@F@tU·rF¼05当自由表面已知时，表面上的吸收能量密度q通过射线追踪方法计算[25]。为了降低计算成本，不考虑光线的多次反射[13]，因为这种影响在SLM过程中可以忽略不计金属表面上的吸收能量密度q可以表示如下[25，27]：qIr;zI·naFrh6能够，316L不锈钢的粉末被认为是紧密的，1“11-ecosh2e2-2ecosh 2cos2h#aFr1.5 -2 11ecosh2e22ecosh2cos2hð7ÞFig. 1. 计算域的示意图描述。其中，I（r，z）是光束能量密度分布，r和z分别表示沿半径和Z轴的位置，I是入射光束的单位矢量，n是金属表面上的点的单位法向矢量，h是入射光束与法向矢量之间的角度，Fr是菲涅耳吸收系数，并且e是与激光器类型相关的系数I（r，z）被建模为高斯函数[25]：我是说，我是说，我是说，.pR2exph-3r2=R2i8其中R是有效光束半径，P是激光功率。为了处理自由表面上的Marangoni力、反冲压力和表面张力作用的物理因素，我们采用了R. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571159RðþÞf½ð --×100bRP0expDHvpT fs1-Tv平衡力连续表面力（CSF）算法来处理边界条件[23，28]。值得注意的是，该算法已被证明类似于尖锐界面方法，该方法也可以克服毛细主导流体流动（例如熔焊和3D打印）的模拟中的寄生电流问题这些因素的影响可以表示如下[23，28]：FsrjnrTrjjTpsnds9其中ds是狄拉克δ函数。fs，r，j，rT，k分别代表界面的正应力，表面张力系数，界面曲率，热毛细力系数和界面切向梯度算子。为了考虑环境压力对SLM过程中介观行为的影响，我们计算了表面压力ps，它与反冲压力和环境压力有关，在方程中。（八）、我们还采用了表面压力模型来计算表面压力[29]。表面压力模型表示如下[29]：物理场的原始值与重建值之间的差异在目前的工作中，我们设置网格自适应的自由表面曲率和局部温度。AMR的详细策略可以在我们之前的研究中找到[27]。为了研究环境压力对输运现象的影响，我们分别模拟了大气压力和100 Pa环境压力下的SLM过程。我们进行了模拟过程-在3D域中的尺寸为620lm（长），350lm（宽）和300lm（高）的情况下，如图所示。1.一、 该区域包括放置在200 μ m 厚的基底上的54μm厚的粉末颗粒层。网格的最小大小设置为2.5lm以确保准确性。 粉末颗粒直径为27μm。 粒子排列简单而规则。然而，在这方面，更好的选择是使用粉末颗粒的随机分布，这将在不久的将来实现激光功率为200 W，扫描速度为2m·s-1，光束半径为100 nm。大约是27升。为了避免降低模拟的准确性8>pamb- 是 的ΣΣ0≤TfsTL<钢粉在本工作中使用，根据参考文献。ð10Þ[11，13]如表2所示。任何温度下的参数值s2kBTv>：Tfs可以通过内插或外插来获得温度pcTfsTL≤TfsTR<其中pamb是环境压力，kB是玻尔兹曼常数，bR是冷凝系数，Tv是沸点，P0是大气压，DHv=mLv表示蒸发期间的相变焓（m是每个原子的质量，Lv是蒸发潜热），Tfs是表面温度，TL和TR是光滑曲线pc（Tfs）与环境线和反冲压力曲线之间两个切点的温度。模型的推导过程如下。从以前的研究[22，29]来看，经典的反冲压力公式没有考虑环境压力的影响，适用于真空环境的情况。为了考虑环境压力的影响，需要分别处理三种情况。首先，当温度相当高时，反冲压力比环境压力大相当大的量，并且环境压力可以忽略不计。表面压力是直接计算通过古典形式（一）BR P0expDHv1Tv=Tfs=kBTv=2）。第二，当…温度足够低，蒸发几乎不发生，反冲因此，压力可以忽略不计。表面压力被认为等于环境压力。第三，为了避免不连续性，构造了一条光滑的曲线pc（Tfs）来连接环境线和后坐压力曲线。更多细节可参见参考文献[27]。在本工作中，使用三次多项式来描述光滑曲线，其表示如下：pcTfsaT3bT2cT11其中，对于316L不锈钢，在100 Pa和大气环境压力下的系数a、b、c和d以及交点温度（TL、TR）均示于表1在确定耦合数学模型后，采用AMR方法求解方程组。在这里，我们使用基于八叉树的AMR方法，其中使用多分辨率算法来控制动态网格细化，遵循我们以前的研究[27，28]。该方法的关键是确定3. 结果和讨论3.1. 可变环境压力图图2（a）-（d）示出了在大气压力下316L不锈钢粉末的SLM打印期间温度场和自由表面形态的模拟演变。当激光从左向右扫描时，温度场和熔池轮廓都逐渐达到准稳态在大约100ls内。在准稳态下，它可以是发现温度分布很不均匀。最大-在激光直接照射的区域内，最低温度超过钢的沸点（3083K）。熔池是放热的，并且熔池表面的大部分温度在2800 K左右熔池的宽度大约是73升最大温度梯度估计值偏大大于4.2 × 107K·m-1。(The最高温度之间的差异-温度和固 相线温度约为1500 K ， 熔 池中 心 到边 缘 的距离约为35μm。由于粉末被认为是定期包装在我们的模型，印刷的轨道是规则的。然而，由于熔池的流体动力学，在印刷的轨道表面上存在一些小的波纹（高度：约1lm;间隔间距：约25lm）。涟漪会增强，可能意味着-在典型的SLM工艺中，表面粗糙度会影响印刷产品的表面粗糙度，因为通常有数万或甚至数百万条以逐层方式沉积的轨迹此外，在熔池的自由表面上有两个不同的区域（图1）。 2（d））：第一个是前部中的空腔区域，第二个是位于后部中的相对平坦的区域。空腔的直径和深度约为50，20lm，分别为Y. 先前的研究表明，根据激光功率密度和扫描速度，两个政权的表1变环境压力下316L不锈钢表面压力模型参数压力TLTR一BCD100 Pa1.0 atm2 000 K3 000 K2 200 K3 500 K1.9300× 10-41.0654× 10-3-0.1171-9.3882236.895027 563.5728--15959526 861 1451大气压= 101 325帕。T1>Tfs≥TRR. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571160表2模拟中使用的物理参数[11，13]。物理参数单位值密度qkg m-37900（300 K），7430(1700K）的导热系数kW m-1<$K-113.96（300 K），35.95(1700K）的比热CpJkg-1K-1434（300K），965(1700K）的动态粘度lPa·s 0.00642固相线温度TsK 1727液相线温度TlK 1697蒸发温度TvK 3086表面张力系数rN m-11.7在可变环境压力下的熔池 在熔池的型腔区域中，沿横截面方向在熔池的侧面上出现较高温度区域，并且在中心处出现较低温度区域，如图1所示。 2（h）。而在常压下，在现有的工艺参数下，熔池中心区域的温度始终较高很明显，传导传热不能用来解释这种现象，因为激光的能量分布是高斯分布，峰值密度在中心。因此，只有对流传热才能导致这种意想不到的现象。比较图2（d）和(h)表明，对流换热效果增强，SLM在较低的环境压力下。 在第3.2节中，我们将展示热毛细力系数rTN m-1 K-1- 8.9×10- 4有更有力的流体流动在横向侧的冷凝系数bR-0.08辐射发射率er-0.9玻尔兹曼常数kBeV <$K 8.617×10- 5在SLM过程中，在低于环境压力下的熔池常压此外，当环境压力从0.01MPa变化到0.01MPa时，熔池的尺寸显著变化。Stefan-Boltzmann恒定rsW m-2K-45.67× 10-8大气压至100 Pa。在低气压下，熔池宽度（80lm，深度：84lm）比在大气压下（宽度：73lm，深度：28lm）大得多，熔化模式（即，传导模式和小孔模式）将发生在SLM工艺中，例如激光焊接[29]。由于空腔区域的温度接近沸点，将发生强烈的蒸发因此，可以得出结论，在这个过程中，锁眼模式熔化开始发生，腔区是由反冲压力的位移效应产生的。但由于腔体较浅，在目前的工艺参数下，小孔图图2（e）-（h）示出了在100 Pa环境压力下316 L不锈钢粉末的SLM打印期间温度场和自由表面形态的模拟演变。 可以看出，与大气压力下的物理行为相比，在低环境压力下发生非常相似的物理行为。然而，在较低的环境压力下，可以观察到几个明显的特征。首先，熔池的温度显著降低，如图2所示。在100 Pa的环境压力下，腔区的峰值温度和平均温度分别只有2600和2300 K左右，远低于大气压下的相应温度（3100和2800 K）。此外，热传递行为是显着不同的，这导致不同的温度分布在高温区的如图3所示，在大气压下观察到的熔池比在低压下观察到的熔池小，如图2（d）和图2（h）所示。此外，有趣的是注意到，在较低的环境压力下，熔池的波纹更小，并且打印的轨迹比在大气压下更平滑。为了验证所提出的模型，我们进行了模拟与随机分布的粉末。工艺参数保持不变。为了随机排列粉末，采用了雨滴法[12]。与均匀的粉末床相比，可以容易地获得不均匀的沉积，如图4（b）所示。我们将模拟的熔池轮廓与图4和表3中大气压力下相同材料的SLM打印的独立文献结果[11]进行了比较。熔体的宽度和深度都与独立的实验数据。最大偏差小于6lm。由于缺乏低压或真空环境下熔池形状的控制数据，并结合文献报道模拟了其物理行为的变化趋势。模拟结果表明，在较低的环境条件下，SLM可以获得图二、 温度场和表面形貌的演变。 在大气压力下：（a）5ls;（b）80ls;（c）150ls;（d）220ls。 在100帕压力下：（e）5ls;（f）80ls;（g）150ls;（h）220ls。R. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571161图3.第三章。 计算的熔池轮廓在220ls在SLM在可变的环境压力。(a)在大气压力下;（b）在100 Pa压力下。压力这一结果与之前的所有实验结果完全一致，表明真空下的表面质量更好[6此外，我们对低压情况与大气之间的温差的模拟与之前的激光焊接理论研究一致[22，29，30]。在小孔模式激光焊接中，当环境压力从真空变为大气压时，焊缝宽度在一定程度上增加[22，29，30]，这与SLM工艺的当前模拟结果这种差异可以解释如下。在大气压力下的SLM工艺中，熔化模式在很大程度上可以被认为是传导模式，因为熔化深度非常浅，如本模拟和之前的独立文献报告所示[11，15，21]。当环境压力降低到100Pa时，熔化深度显著增加，熔化模式开始由传导模式向小孔模式转变，如图11所示。3.第三章。由于蒸发诱导反冲压力的存在，对流换热得到了增强，因此，根据目前的预测，观察到熔化宽度的增加。这种现象与激光焊接的广泛接受的现象是一致的，其中在小孔模式焊接过程中比在传导模式过程中有更剧烈的流体流动。3.2. 变环境压力图5显示了大气压下熔池流场的预测演变。速度用箭头表示，其大小用箭头的颜色表示。熔池中存在两个不同的流动区域（空洞区域和其他部分）。空腔内流体流动剧烈（可达5m·s-1），主要由中心向外围流动腔的区域（图5（b）-（e））。由于空腔中心的温度高于其他地方和沸点附近的温度，这种剧烈的流动是由Marangoni剪切应力和反冲压力引起的。在熔池的后部，流体相对于激光扫描方向向后流动，在准稳定状态下，其幅度约为2 m·s-1（图1）。 5（d））。此外，熔池中的流体流动表现出明显的非线性，周期为14ls的周期振荡，结果这种流动主要来源于在高斯激光束照射下腔体前部的反冲压力。其在小孔模式激光焊接过程中的机理已经得到了很好的研究[22，25，29]。振荡产生高度约为1lm的波纹在当前参数下，在打印图6示出了在150 l s的低环境压力下熔池的预测流体流场。 这一时间确保锁孔达到准稳定状态。存在类似的流动模式在低环境压力下，可以看出，在比较图。 5（e）. 这表明在两种环境压力下熔池的流体力学机制然而，在熔池中也有明显的流体流动，如图11所示。 六、首先，在较低的环境压力下，在熔池的侧面存在更剧烈的流动如图6（b）所示，这些流动的平均幅度高达4 m s-1，而在大气压下为2 m s-1。其次，在较低的环境压力环境中也会发生小孔模式SLM;在这种情况下，印刷过程更倾向于小孔模式，因为在较低的环境压力下蒸发更容易。在激光与材料相互作用过程中，蒸发诱导反冲压力的作用(Note这种机制是在近20年前在激光焊接中提出的[31]。最近，反冲压力项被计算为表面压力，假设在激光-材料相互作用期间，蒸发的原子在温度接近沸点在大气压下，表面压力仅在材料温度接近沸点（3086 K）时起作用[22]。在100 Pa环境压力下，根据Clapeyron-Clausius方程[22]，当材料温度低得多时（不锈钢约为2000 K），表面压力开始发挥重要作用这意味着熔池流体动力学的主要驱动力--表面压力与环境压力的压差这表明在较低的环境压力下沸点将显著降低它可以很容易图四、模型的验证（a）随机分布的粉末;（b）250ls时的预测表面形态;（c）实验结果;（d）计算的熔池轮廓。(c)经Elsevier B.V.许可，转载自参考文献[11]，©2014年。R. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571162表3熔体特性与文献[1]的实验结果进行了比较。[11]和目前的模拟。此外，在100 Pa压力下，回流量沿熔池后部表面迅速减小。这表明粘性耗散是显着的，案例熔体深度（lm）熔体宽度（lm）熔体高度（lm）流体沿着深腔的表面流动。从上面可以看出，环境压力具有显著的影响。实验30 - 75 26影响流体流量的大小。均匀粉床模拟非均匀粉床28 73 2331 76 203.3. 低环境压力据估计，当环境压力从大气压变为真空时，316L不锈钢的沸点将降低约1000 K。当材料温度远离3086 K时，在100 Pa的环境压力下，材料会发生强烈的蒸发，并产生较大的表面压力。因此，在这种情况下，小孔模式SLM打印过程更可能发生，并且在熔池的横向侧中将存在更剧烈的图7示出了在不同压力下熔池内部的预测流体流动。可以看出，流动模式相似，但幅度不同。从流动形态上看，熔池后部存在旋涡流动 靠 近 熔 池 前 表 面 的 部 分 流 动 沿 表 面 向 下 。 涡 流 是 由 于 在Marangoni剪切应力和反冲压力的驱动下，向后的流体流动遇到凝固部分而产生的 这种流型在激光焊接过程中很常见[22]。从速度幅值上看，在100 Pa压力下，由于上述较大的表面压力效应，出现了较大的局部流动（可达7 m·s-1）。先前的独立实验已经表明SLM工艺的印刷质量可以得到改善（即，具有更光滑的表面和更少的缺陷）基于我们的介观数学模型，我们直接再现了较低环境压力对改善印刷的影响，如图1A和1B所示。图3和图8：在较低的环境压力下，熔化轨迹宽度较大，轨迹深度较深，并且模拟出较好的表面粗糙度。下面，我们用流体力学理论来解释这些现象。我们的理论模拟表明，更有力的流体流动存在于较低的环境压力（100帕）比在大气压下。在SLM过程中，粉末的熔化能力取决于从激光束照射的位置到其他位置的热传递。Peclet数（Pe=UL/a，其中U是平均流速（在环境压力下为2 m·s-1，在100 Pa压力下为4 m·s-1），L是流体的特征长度（熔池的宽度在常压下为73lm，在100Pa压力下为80lm），a为热扩散率（5×10- 6m2·s-1），图五.大气压下的预测流体流动。箭头表示熔池的流体速度，箭头颜色表示速度（vel）大小。(a) 5ls;（b）15ls;（c）80ls;（d）150ls;（e）150 l s时流体流动的局部放大视图和自由表面被透明地可视化以说明3D流场。R. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571163×××图六、150l s时100Pa压力下的速度场预测。（a）俯视图;（b）流体流动的局部放大视图，其中自由表面透明地可视化以捕获3D流体动力学。图7.第一次会议。 220l/s时熔池内的预测流体流动。（a）在大气压力下;（b）在100帕压力下。见图8。在可变环境压力下模拟表面外观的比较。(a)大气压力;（b）100帕环境压力。表示对流传热的程度（在SLM工艺中对熔化能力的主要影响），从32增加因此，在较低的环境压力下，粉末的熔化能力显著增强。当然，尤其是在相邻路径之间的粉末熔化的缺乏可以得到显著改善。此外，由于对流的增强，传热，熔化宽度和深度都增加。因此，在较低的环境压力下，熔池的曲率显著减小。这一结果也与实验报告一致，在较低的环境压力下，可防止SLM工艺中的粉末成球[6]。此外，我们的研究结果表明，在100帕的环境压力下产生的波纹很少。波纹流起源于型腔前壁，从型腔表面底部向熔池后部输送。无量纲雷诺number的的熔融流（Re=qUL/l，q= 7200 kg·m-3，U= 2-L= 7.310-510-5 m，l=5.9 10- 3kg·m-2·s-1），远低于SLM过程中流体为层流的湍流这意味着粘性效应在熔池的流体流动中起重要作用。在100 Pa的环境压力下，产生更深的空腔，这意味着波纹（其源自空腔的前壁）的轨迹长度当然，波纹流在较低的环境压力下比在大气压力下经历更严重的粘性耗散。因此，可以理解，在真空或较低的环境压力下，波纹流-表面的主要原因R. Hu，M.Luo，中国茶条A.Huang等人工程7（2021）11571164由于熔融流体的粘性作用，表面粗糙度更容易消失，从而显著改善了印制磁道的表面质量。8.第八条。4. 结论首先建立了变环境压力下SLM过程的介观模型，然后研究了常压和100 Pa环境压力下的输运现象。主要结论如下：(1) 该模型可以模拟熔池的三维传热和流体流动行为，以及在不同环境压力下的打印形貌预测的熔池尺寸与独立文献的结果是一致的。(2) 在较低的环境压力下，蒸发诱导反冲压力更容易在介观熔池前部形成空腔在大气压下，腔体的平均表面温度接近2800 K，而在100Pa的环境压力下，腔体的平均表面温度才达到2300 K这主要是因为不锈钢的沸点在低环境压力下低得多，并且材料在较低压力环境中更容易蒸发(3) 在较低的环境压力下，由于蒸发诱导的表面压力与环境压力之间的差值（熔体流动的重要驱动力）在100 Pa的环境压力下比在大气压下相对较大，因此更容易发生小孔模式的SLM打印过程，并且在熔池的侧面存在更剧烈的流动(4) 在较低的环境压力下的传输现象和打印质量的改善之间的关系被揭示：缺乏粉末熔化可以显着改善，因为粉末的熔化能力显着提高，通过促进对流传热;和一个更光滑的表面，可以得到作为打印轨道，因为波纹流，这是一个主要原因的表面粗糙度，可以更容易地消散的熔融流体的粘性效应在较低的环境压力下。确认本研究得到了国家优秀青年科学基金（52022033）和中国国家重点研究发展计划（2017 YFE 0100100和2018 YFB 1105300）的支持，并得到了彼尔姆边疆区政府（S-26/794）和俄罗斯基础研究基金会（16-48-590208）的部分支持。遵守道德操守准则Renzhi Hu ， Manlelan Luo ， Anguo Huang ， Jiamin Wu ，Qingsong Wei，Shifeng Wen，Lichao Zhang，Yuseng Shi，DmitryTrushnikov，诉Ya. 贝伦基岛Yu. Letyagin，K.P. Karunakaran先生及彭胜勇先生声明彼等并无利益冲突或财务冲突须予披露。引用[1] 伯曼湾3D打印：新工业革命Bus Horiz 2012;55（2）：155-62.[2] 陆乙，李丁，田X.增材制造和3D打印的发展趋势。Engineering2015;1（1）：085-9.[3] Sames WJ，List FA，Pannala S，Dehoff RR，Babu SS.金属增材制造的冶金和加工科学。Int Mater Rev 2016;61（5）：315-60。[4] GuDD，Meiners W，Wissenbach K，Poprawe R. 金属部件的激光增材制造：材料、工艺和机制。Int Mater Rev2012;57（3）：133-64。[5] 王海明。高性能大型金属部件激光增材制造的材料基本问题。Acta AeronautAstronaut Sin 2014;35（10）：2690-8. 中文.[6] 张B，廖H，Coddet C.真空下选择性激光熔化工业纯钛。真空2013;95：25-9.勘误表：真空2018;152：358。[7] 作者：Jiang Yu，Jiang Yu，Jiang Yu.真空选区激光熔化制备Ti-6Al-4V板材的表面形貌 应用物理B 2015;119（3）：545-9。[8] Everton SK，Hirsch M，Stravroulakis P，Leach RK，Clare AT.金属增材制造的原位过程监控与原位计量研究综述。Mater Des 2016;95：431-45.[9] ZhaoC，Fezzaa K，Cunningham RW，Wen H，De Carlo F，Chen L，et al. 利用高速X射线成像和衍射实时监测激光粉末床熔化过程。Sci Rep 2017;7（1）：3602。[10] Li Z，Liu X，Wen S，He P，Zhong K，Wei Q，et al. 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