《International Journal of Thermal Sciences》：Magnetohydrodynamics flow, heat transfer, and solidification behavior of metallic components produced by innovative ESW-based 3D printing: Numerical analysis and experimental validation
编辑推荐：
摘要基于电渣焊接的3D打印技术是一种用于制造大型金属部件的新兴增材制造技术。为阐明其多物理场特性，研究者建立了将麦克斯韦方程组与质量、动量和能量守恒方程相结合的瞬态三维模型。该模型采用流体体积法追踪金属/熔渣/气体界面，利用焓-孔隙率方法描述凝固过程，同时通过滑动网格法模拟沉积过
摘要
基于电渣焊接的3D打印技术是一种用于制造大型金属部件的新兴增材制造技术。为阐明其多物理场特性，研究者建立了将麦克斯韦方程组与质量、动量和能量守恒方程相结合的瞬态三维模型。该模型采用流体体积法追踪金属/熔渣/气体界面，利用焓-孔隙率方法描述凝固过程，同时通过滑动网格法模拟沉积过程中的基体运动。研究结果表明，各种物理现象之间存在紧密耦合：洛伦兹力控制着液滴的形成与迁移，而集中在高电阻熔渣中的焦耳热则是主要热源。操作电流是被证明具有关键控制作用的参数——当电流密度从6.0×105提升至1.2×106安培/平方米时，总焦耳热从约3.1×105焦耳上升至9.6×105焦耳，从而使平均熔化速率从0.45千克/秒提高到0.92千克/秒。更高的电流还会形成更大更深的熔池；在1.2×106安培/平方米的电流作用下，先前沉积的层会再次熔化，这对层间结合至关重要。此外，在多层沉积过程中还会出现明显的热量积累效应，使得在相同电流条件下后续层的熔池更大且温度更高。因此，可能需要采用动态的、与层相关的控制策略，以确保整个部件的微观结构均匀性。
引言
金属3D打印，亦即金属增材制造技术，因其能够制造复杂几何结构、实现轻量化设计以及大幅缩短产品开发周期，已被广泛应用于航空航天、生物医学以及高端工具制造领域[[1], [2], [3]]。尽管具有这些优势，现有的粉末床熔融技术——尤其是选择性激光熔化技术和电子束熔化技术——仍受其工艺物理特性的限制[4,5]。这些技术依赖高度集中的能量源，从而导致强烈的温度梯度与快速凝固，进而产生巨大的残余应力，可能引发部件变形、开裂以及机械性能下降，还需进行昂贵的后处理工序[6,7]。此外，由于缺乏原位精炼机制，这些工艺对原料质量极为敏感，必须使用昂贵的高纯度金属粉末才能减少缺陷的产生[[8], [9], [10]]。
基于电线的增材制造技术，如电弧线材增材制造技术，通过电线创新实现了材料多样化，并且还能借助带芯电线实现原位复合材料的制造[12,13]。然而，该技术依然依赖电弧作为表面热源，且不存在精炼介质，因此对原料纯度依然十分敏感，同时还面临严重的温度梯度问题以及残余应力积累的挑战。与此同时，金属液滴打印技术则是在坩埚中熔化大量金属并将其以独立液滴的形式喷射出来，从而为复杂几何结构的制造提供了新的沉积策略[14]，而关于液滴间重熔的研究则阐明了表面形态对层间结合质量的影响[15]。虽然这种技术避免了电弧或激光带来的强烈局部加热，但它同样没有熔渣精炼环节，因此原料中的杂质会残留在最终产物中，而且液滴式沉积机制也限制了可实现的几何结构复杂程度。
在传统制造工艺中，电渣焊接技术的运作原理与之有显著不同[16,17]。在电渣焊接过程中，导电的熔渣层中的电阻焦耳热是主要热源，当导线穿过熔渣层时会被熔化。生成的金属液滴会穿过熔渣层，在水冷铜模具的冷却作用下逐渐凝固。先前的研究表明，电渣焊接过程中熔池的最高温度通常在2000到2300开尔文之间[18]，这一数值远低于电弧熔化及激光熔化工艺中所出现的2800到4300开尔文的温度[19]。正因如此，电渣焊接工艺具有更为温和的温度梯度以及更低的残余应力。此外，熔渣还是一种有效的精炼介质，当液滴穿过熔渣时，其中的杂质会被去除，这使得电渣焊接工艺能够使用纯度较低的原料，而传统金属增材制造技术则无法做到这一点[20,21]。
受这些优点的启发，我们提出了一种基于电渣焊接原理的创新3D打印技术，其结构示意图见图1。在该工艺中，连续供给的导线会被浸入位于精炼结晶器内的熔渣浴中。电流流经导线和熔渣时，由于熔渣具有较高的电阻，会产生强烈的焦耳热，逐步熔化导线末端。随后会形成金属液滴，这些液滴在重力作用下穿过过热的熔渣并向下移动，此过程中就会发生精炼作用。经过精炼的液滴会在结晶器底部的数控可移动基板上聚集，形成金属熔池。该基板会在X-Y平面上移动，从而确定每一层沉积后的截面形状。通过持续供给导线以及协调控制基板的逐层移动，最终可以从底部开始逐步构建出完全致密的三维部件。
从上述描述可以看出，基于电渣焊接的3D打印工艺受到电磁学、磁流体力学多相流动、传热以及凝固过程之间复杂相互作用的制约。这些多物理场现象彼此紧密关联：洛伦兹力控制着熔池的对流以及液滴的迁移，而温度梯度的空间变化则决定了凝固行为，最终决定了产品的微观结构与机械性能。
然而，由于高温环境以及熔渣的不透明特性，直接对这类相互耦合的物理场进行实验表征极具难度。因此，为了全面了解物质传输机制、优化加工参数并提升部件质量，本研究采用了数值模拟方法，构建了一个完全耦合的三维多物理场模型，能够系统地分析整个打印过程中的电磁场、磁流体力学流动、传热以及凝固行为。
此前针对金属增材制造技术的大量建模研究已经奠定了坚实的理论基础[[22], [23], [24]]。这些研究主要关注表面热源的建模方式[25]、由马兰戈尼对流与热浮力驱动的熔池动态[26]，以及层间热量积累的影响。这类模型在预测温度演变历程、微观结构发展以及缺陷形成机制方面表现出很强的准确性。不过，它们的理论基础本质上是基于表面能量沉积的，因此无法直接应用于以电渣焊接为原理的3D打印工艺，因为在那种工艺中起主导作用的是体积型焦耳热以及由洛伦兹力驱动的流体流动。
对于传统的电渣焊接以及电渣重熔工艺的数值模拟，则能够提供更具针对性的物理洞察。这类模型能够准确描述熔渣内部的体积型焦耳热现象，以及洛伦兹力在驱动流体流动过程中的核心作用[27]。几乎所有的相关研究都会采用流体体积法来追踪动态变化的熔渣-金属界面，从而清晰地呈现液滴的脱离、传递以及聚合过程[28]。此外，诸如埋弧焊接之类的焊接工艺模拟也为界面追踪与液滴动态分析提供了成熟的数值方法。这些方法共同构成了对本研究中所涉及的电-热-流多物理场现象进行建模的理论与数值基础。
尽管相关领域已经取得了不少进展，但仍然存在一个根本性的缺陷：现有的金属增材制造模拟通常忽略了对电渣焊接型3D打印至关重要的电磁效应。相反，传统的电渣焊接模型一般都是针对静止状态的熔池建立的，无法体现逐层添加材料时所固有的水平移动特性。本研究通过将磁流体力学、多相流体体积法以及焓-孔隙率凝固模型整合到一个包含移动基体的瞬态三维框架之中，弥补了这一缺陷。其中的电磁子模型通过简化后的麦克斯韦方程组计算电流密度与磁场的空间分布，进而得出体积型焦耳热与洛伦兹力的大小。焦耳热是用于熔化导线以及维持熔池稳定的主要能量来源，而洛伦兹力则被引入动量方程中，用以驱动熔渣流动并控制液滴的运动。该模型的准确性是通过实验验证来确保的。基于经过验证的模型，研究人员系统地研究了施加电流对瞬态多物理场的影响，从而明确了电流对打印质量的作用机制，也为工艺优化提供了科学依据。
章节要点
假设条件
为模拟基于电渣焊接的3D打印过程中的电磁场、流体流动、传热以及凝固现象，研究者建立了一个三维数值模型。该模型采用有限体积法对控制方程进行离散化处理，同时运用流体体积法来描述多相界面的变化。这个数值框架将电磁效应与三相流动以及传热过程相互关联，其建立过程是基于一系列符合物理规律的假设来实现的
数值模拟
该数值模型是在商业有限体积法求解软件ANSYS Fluent中通过大量自定义用户函数实现的。这些自定义函数融入了磁流体力学效应，从而实现了电磁场、多相流动以及传热过程之间的强双向耦合。
具体而言，研究者使用了定制的磁流体力学模块来求解电磁场方程。在每个时间步长上，都会计算出对应的焦耳热与洛伦兹力值，然后将这些数值作为源项加入到相应的方程中
多物理场耦合效应
电渣焊接3D打印工艺包含两个主要阶段。最初，与传统的电渣焊接工艺类似，导线原料会在熔渣层的电阻加热作用下在模具中熔化。随后，模具的下部开口会被打开，随着基体沿着预定路径移动，金属会逐层沉积下来。本节首先研究模具区域内的多物理场现象。图4展示了各相的分布情况以及洛伦兹力的作用效果，同时分析了这些因素之间的相互作用
结论与未来工作
本研究探讨了一种名为电渣焊接3D的新型金属增材制造技术，该技术旨在解决在制造大型金属部件时所面临的规模、效率以及成本等方面的关键问题。该技术充分利用了电渣焊接工艺本身的冶金优势——熔渣层不仅能有效防止大气污染，还能主动去除熔融金属中的杂质。
为深入理解并充分利用这一新工艺，研究者们开展了全面的
作者贡献说明
贾琪：负责撰写初始草稿。王浩杰：负责模型验证工作。刘昌：负责方法论设计。陈志远：负责相关研究工作。何 Zhu：负责项目管理工作。李光强：负责资源协调工作。严文：同样参与方法论相关工作。王强：负责概念构思工作。
利益冲突声明
所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的财政支持，特此表示感谢[项目编号：U22A20173]。
贾琪|王浩杰|刘昌|陈志远|何 Zhu|李光强|严文|王强
