基于离散元法的2195铝锂合金多层激光粉末床熔融孔隙缺陷演化多物理场模拟研究

针对2195铝锂合金激光粉末床熔融(LPBF)成形中孔隙缺陷的演化机制不明问题，研究人员通过耦合离散元法(DEM)与计算流体力学(CFD)，建立了多道次多层高保真数值模型。研究发现300W/500mm/s参数组合可优化熔池均匀性，揭示能量密度不足引发未熔孔隙、过量能量导致熔道坍塌的规律，阐明多层扫描中孔隙捕获机制，为航空航天轻量化构件成形工艺优化提供理论支撑。

　　

在航空航天领域对轻量化材料的迫切需求下，铝锂(Al-Li)合金因其低密度、高弹性模量等特性成为研究热点。然而传统加工技术难以满足复杂构件成形要求，激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术虽能实现复杂结构快速制造，但成形过程中产生的孔隙缺陷会显著降低构件力学性能。尤其对于2195 Al-Li合金这类新型材料，其大凝固区间、锂元素易挥发等特性更易引发冶金缺陷，而多层成形过程中孔隙缺陷的演化机制尚不明确，成为制约该技术工程应用的瓶颈。

江苏大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过建立DEM-CFD耦合的多物理场数值模型，首次系统模拟了2195 Al-Li合金多层LPBF过程中孔隙缺陷的动态演化。该研究采用离散元法精确模拟粉末铺展行为，结合计算流体动力学捕捉熔池流动特性，通过参数化分析揭示了单层/多层条件下孔隙形成机制。关键技术包括：采用喷射成形法制备2195 Al-Li合金粉末并表征形貌；建立多道次往复扫描的热-流耦合模型；通过熔池尺寸实验验证模型可靠性；对比分析不同能量密度（170-400W，400-1000mm/s）下的缺陷特征。

粉末床模型
通过SEM观察发现喷射成形制备的2195 Al-Li合金粉末多数呈高球形度，但存在少量不规则颗粒。DEM模拟中采用高斯分布生成粒径15-53μm的粉末体系，设置动态摩擦系数0.15，静态摩擦系数0.3，精确复现实际铺粉过程。

模型验证
对比AlSi10Mg合金的LPBF实验数据，模拟获得的熔池宽度误差<8%，深度误差<12%。在300W/500mm/s参数下，模拟熔池宽度为142μm（实验值150μm），深度为68μm（实验值75μm），验证了模型对2195 Al-Li合金的适用性。

热场与流体流动
采用线性往复扫描策略时，熔池最高温度达2500K，马兰戈尼效应(Marangoni effect)引发熔池中心向外围的强烈对流。低能量密度（170W/1000mm/s）导致熔池长度不足（85μm），相邻道次重叠率仅15%，产生链状未熔孔隙；高能量密度（400W/400mm/s）使熔池宽度突破200μm，引发熔道坍塌形成匙孔孔隙。

结论与意义
研究发现300W/500mm/s参数组合能平衡熔道质量与孔隙控制，其体积能量密度60J/mm³
时熔池形态最优。多层扫描中新粉层熔化可捕获下层约37%的未熔孔隙，但随层数增加会出现熔道边缘翘曲等新缺陷。该研究首次阐明2195 Al-Li合金多层LPBF中孔隙的跨层演化规律，建立的DEM-CFD模型为复杂工况下工艺参数智能优化提供了数字化工具，对推动航空航天轻量化构件成形技术发展具有重要指导价值。