LPBF过程中熔池演化与层间结合的数值模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Numerical Simulation of Melt Pool Evolution and Interlayer Bonding in LPBF Process

　　

激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）涉及快速熔化、凝固和重复层沉积，使得熔池演化与层间结合对粉末床形貌和工艺参数高度敏感。在本研究中，研究人员开发了一种耦合流体体积法（Volume of Fluid, VOF）的介观CFD-DEM模型，用于模拟具有非均匀粉末粒径分布的Inconel 718的单道单层和双道双层LPBF过程。通过对比模拟与实验的熔道形貌对模型进行验证，熔道宽度的最大相对误差保持在6%以内。结果表明，激光功率和扫描速度对熔池形貌产生相反的影响。增加激光功率会增大熔池宽度和深度并改善熔体连续性，而增加扫描速度会降低有效能量输入并促进不连续或断裂的熔道。第一层熔道的形貌强烈影响第二层粉末的重新铺展和重熔。光滑且连续的底层熔道促进均匀的粉末覆盖、充分的重熔和致密的冶金结合，而断裂的熔道导致局部粉末堆积、热穿透不足和层间未熔合孔隙。在测试案例中，200 W和1000 mm/s的参数组合提供了平衡的能量输入，并产生了最佳的层间结合质量。相比之下，250 W和1500 mm/s导致断裂的熔道和严重的层间缺陷。这项工作阐明了底层熔道形貌、二次粉末重新铺展和层间缺陷演化之间的耦合机制。

激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技术通过逐层熔融金属粉末制造三维构件，在复杂几何形状成形和快速制造方面具有显著优势，但熔池演化与层间结合对粉末床形貌和工艺参数高度敏感，导致球化、孔隙和裂纹等缺陷，限制了其工业应用。传统实验试错法效率低、成本高，且难以揭示微观尺度的物理机制，而现有数值模拟多局限于单层模型，忽略粉末床作为非连续介质（含非均匀粒径粉末-气体混合物）的特性，对多层工艺中层间缺陷演化机理的理解尚不完善。为此，研究人员开发了耦合流体体积法（VOF）的介观CFD-DEM框架，以Inconel 718合金为对象，研究单道双层层间结合机制。

研究人员采用离散元法（Discrete Element Method，DEM）生成随机粉末床（粒径15–53 μm，层厚40 μm），利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）求解熔池内的质量、动量与能量守恒方程，并耦合VOF法追踪金属-气体界面。模型考虑了马兰戈尼对流、蒸发冷却和反冲压力等边界条件。实验使用EOS M290系统，Inconel 718粉末，基板预热300°C，高纯氩气保护，共制备18组样品（三组激光功率150–250 W，三组扫描速度500–1500 mm/s，组合九个参数组）。通过对比模拟与实验的熔道形貌验证模型，熔道宽度最大相对误差<6%。

### 3.1 单道单层
模拟九组参数下的熔道形貌，发现激光功率和扫描速度对熔池产生相反影响。激光功率从150 W增至250 W，熔池宽度从134.32 μm扩至184.70 μm，熔体连续性改善；扫描速度从500 mm/s增至1500 mm/s，有效能量输入降低，熔道从平坦/波纹型（500 mm/s）转变为光滑型（1000 mm/s），再转变为断裂型（1500 mm/s）。200 W和1000 mm/s组合获得最光滑连续的熔道，边缘颗粒充分熔融，缺陷最少。

### 3.2 单道双层
提取第一层熔道模型并重新铺粉，模拟第二层LPBF过程。第一层熔道形貌显著影响第二层粉末铺展和重熔。平坦型熔道（如500 mm/s组）导致第二层粉末局部堆积，实际层厚达55.72–61.31 μm（理论值40 μm），阻碍热向下传递，重熔不充分，层间残留未熔合孔隙。光滑型熔道（200 W，1000 mm/s）使第二层粉末厚度适中（48.35 μm），重熔充分，填充底层微小空隙，形成致密冶金结合。断裂型熔道（250 W，1500 mm/s）在断裂处形成V形沟槽，第二层粉末堆积达80 μm，激光热穿透不足，熔池温度低于液相线（1300°C），产生大尺寸未熔合空洞和球化缺陷。通过归一化面能量密度E_a（P/(v·r)）分析，200 W和1000 mm/s对应E_a=5.00 J/mm2，提供适中能量输入，平衡熔池稳定性与重熔效果，为最优参数组；250 W和1500 mm/s对应E_a=4.17 J/mm2，能量过低导致严重缺陷。重熔过程可消除部分微孔，但断裂型熔道中的大空洞无法被修复。

### 3.3 对多层LPBF制造的启示
双层层模型揭示了早期层形貌对后续层间结合的基础机制，但实际多层制造中热积累效应会改变最佳参数窗口。中等热积累可提高底层初始温度，延长熔池寿命，改善润湿和回填；但过度热积累会增强蒸发和反冲压力，导致匙孔不稳定和气体孔隙。因此，本文确定的最优参数组（200 W，1000 mm/s）应视为双层层参考窗口，而非通用参数。

### 3.4 多尺度热-力耦合的前景
当前介观CFD-DEM模型虽捕捉了瞬态热-流行为和熔道缺陷，但未直接计算宏观热-力应力场。未来可通过顺序多尺度耦合策略，将介观模型获得的熔池轮廓和温度场映射到连续介质有限元（FEM）网格，预测多层制造中的残余应力积累和变形。

### 讨论与结论
讨论部分指出，双层层模型不能直接外推至多层厚壁件，需考虑热积累引起的参数窗口偏移。结论如下：（1）验证的CFD-DEM-VOF模型捕捉了Inconel 718单道LPBF的主要熔道形貌转变。增加激光功率增大熔池宽度和深度，增加扫描速度降低有效能量输入，使熔道从平坦/波纹型变为光滑型，再变为断裂型。（2）底层熔道轮廓改变二次粉末沉积，使实际第二层粉末床厚度变化并超过理论值40 μm。平坦型熔道导致局部层厚达55.72–61.31 μm。（3）粉末厚度异常决定层间冶金融合和缺陷形成。超过55 μm的粉末床厚度阻碍激光热穿透，缩短液体寿命，在层间诱导V形未熔合孔隙。200 W和1000 mm/s实现适中粉末厚度和最佳层间结合质量，250 W和1500 mm/s产生最差成形性能伴严重缺陷。本研究为优化LPBF工艺提供了指导，并揭示了熔道形貌、二次铺粉与层间缺陷的耦合机制。