基于離散相法的沉積層結(jié)構(gòu)對粉末流場的影響

基于離散相法的沉積層結(jié)構(gòu)對粉末流場的影響

1噴嘴出口距和濃度激光金屬直接加工技術(shù)可以形成任何復(fù)雜的零件，并對零件的形狀進(jìn)行控制。近年來，它已成為國內(nèi)外智能制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在載氣式同軸送粉激光成形過程中,同軸送粉噴嘴(CPFN)中粉末流場分布直接影響了沉積層的尺寸精度和性能,也引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。衡量粉末流場的匯聚特性的兩個(gè)主要評價(jià)指標(biāo)為粉末匯聚焦點(diǎn)的濃度及匯集焦距(噴嘴出口距粉末匯聚點(diǎn)的距離)。因?yàn)榉勰﹨R聚焦點(diǎn)的濃度大小直接決定沉積時(shí)沉積層的尺寸,濃度越大,表明在沉積時(shí)粉末利用率越高,匯集特性越好。而在沉積時(shí)設(shè)定的噴嘴出口距基材或沉積層的距離由粉末匯集焦距決定,所以在沉積時(shí),讓沉積點(diǎn)與粉末匯聚點(diǎn)重合。若兩者不重合或加工過程中粉末匯聚點(diǎn)發(fā)生變化,造成在匯聚處粉末濃度變化,導(dǎo)致沉積層尺寸發(fā)生變化,進(jìn)而影響成形精度,所以需要對其進(jìn)行深入的研究。Zekovic等借助FLUENT軟件計(jì)算得出氣固兩相流三維濃度場分布,并得出噴嘴粉末流場的最佳匯聚范圍及濃度最大值;Lin研究了噴嘴在不同結(jié)構(gòu)布置下的粉末濃度分布,得出粉末匯聚焦距及濃度最大值;楊楠等研究了激光成形中粉末流場中粉末的速度分布規(guī)律及濃度分布規(guī)律;張安峰等研究了CPFN在不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下對粉末濃度場的影響。本文重點(diǎn)研究在實(shí)際成型過程中,隨著沉積層層數(shù)的增加,沉積層寬度及高度將對氣體流場和粉末顆粒流場產(chǎn)生的影響。建立沉積層變化的物理模型進(jìn)行求解,從而使粉末流場數(shù)值計(jì)算模型更符合實(shí)際激光金屬直接成形制造工況,并就不同沉積層高度及寬度對單層沉積高度影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。2不同沉積層結(jié)構(gòu)的模型2.1粉末流場分布規(guī)律顆粒流場的擴(kuò)散聚集等各種運(yùn)動(dòng)都是氣體流對顆粒作用及顆粒與沉積層的碰撞相互作用的結(jié)果。由于流體對顆粒的作用機(jī)理較為復(fù)雜,顆粒與沉積層發(fā)生碰撞,然后再擴(kuò)散。當(dāng)粉末匯聚處與沉積層碰撞時(shí),顆粒濃度擴(kuò)散規(guī)律發(fā)生變化。為了獲得粉末與沉積層發(fā)生碰撞后粉末流場的分布規(guī)律,假設(shè)基材為平板,成形零件為薄壁件。建立的物理模型如圖1(b)所示。2.2顆粒相流動(dòng)模擬載氣粉末在錐環(huán)空間內(nèi)的流動(dòng)物理模型是氣固兩相流動(dòng),氣相流場中加入顆粒相,必然引起氣相質(zhì)量、動(dòng)量和能量的變化,因此氣固兩相流動(dòng)模擬的關(guān)鍵在于顆粒相的模擬。本文選用FLUENT軟件中的離散相模型進(jìn)行研究,利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對氣相進(jìn)行求解;而離散相的求解則是通過建立顆粒軌道模型,求解顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)方程獲得。2.2.1u3000ym在計(jì)算模型中,氣相被看作為理想氣體。氣相湍流基本控制方程包括質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程(不考慮能量變化)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。該模型由Launder等于1972年提出。在模型中,k方程和ε方程分別為?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk?(1)?(ρε)?t+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε,(2)?(ρk)?t+??xi(ρkui)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb?ρε?YM+Sk?(1)?(ρε)?t+??xi(ρεui)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)?C2ερε2k+Sε,(2)式中μt為湍流黏度,Gk為由于平均速度梯度而引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng),Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn),σk,σs分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε對應(yīng)的湍流普朗數(shù),C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),ρ為氣體的密度,μ為流體的動(dòng)力黏度,Sk,Sε為用戶自定義的源項(xiàng),下標(biāo)i和j為采用張量指標(biāo)形式表示的時(shí)均連續(xù)方程。根據(jù)Launder等的推薦值及后來的試驗(yàn)驗(yàn)證,其值為σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,不考慮源項(xiàng)則Sk=0,Sε=0,氣相主流方向與重力方向平行時(shí),C3ε=1。2.2.2速度型各因子的影響在FLUNT軟件中,通過積分拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程在笛卡兒坐標(biāo)系下的形式為dVpdt=fτ(V-Vp)+g(ρp-ρ)ρp+F?(3)式中ρ,V分別為顆粒所在氣相密度及速度矢量,f=1+0.15Re0.687p為顆粒阻力系數(shù)的修正因子,Rep=|V-Vp|dp/ν為顆粒雷諾數(shù),ν為氣相流體的運(yùn)動(dòng)粘度,τ=ρpd2p/(18μ)為顆粒松弛時(shí)間,μ為氣相流體的動(dòng)力粘度,Vp,dp,ρp分別為粉末的速度矢量、直徑、密度,g為重力加速度,F為其他作用力。忽略熱泳力、布朗力和Saffman升力,只考慮氣相場的Stokes阻力和顆粒自身的重力作用。3層間配合性試驗(yàn)在FLUENT軟件計(jì)算中可做如下假設(shè):1)基材相對于噴嘴為無限大平面,則計(jì)算區(qū)域內(nèi)基材為平面;2)在計(jì)算中沉積層的橫截面為矩形;3)沉積層距噴嘴下端5mm(由粉末匯聚焦距決定);4)不考慮激光對粉末的熱影響,計(jì)算在冷態(tài)下進(jìn)行;5)粒子與沉積層碰撞為彈性碰撞,碰撞過程中動(dòng)能無損失;6)只考慮氣相場的Stokes阻力和重力的影響,忽略附加質(zhì)量力、升力等;7)不考慮顆粒之間的碰撞,不存在顆粒壓力和顆粒粘性;8)粉末顆粒為均勻球體,具有相同的直徑。3.1沉積層設(shè)計(jì)參數(shù)為研究沉積零件形狀為薄壁時(shí),不同高度和不同寬度的沉積層對粉末流場的影響,需將沉積層高度和寬度綜合考慮。研究中,沉積層寬度和高度的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1,2所示。選擇4種不同高度的沉積層及4種不同寬度沉積層進(jìn)行計(jì)算。3.2顆粒軌跡及流體相模型由于模型為軸對稱模型,在計(jì)算時(shí)只對其中1/2區(qū)域進(jìn)行計(jì)算,二維計(jì)算區(qū)域?yàn)?0mm×(20~40)mm,幾何尺寸如圖2(a)所示,對其網(wǎng)格劃分如圖2(b)所示。采用離散相模型計(jì)算時(shí),顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及流體相是通過其顆粒軌道基本方程進(jìn)行求解獲得的。u1,u2分別為載氣流速和保護(hù)氣流速。其邊界條件可設(shè)為:1)速度進(jìn)口邊界(VelocityInlet);2)自由出口邊界(Outflow);3)壁面邊界(Wall)。其中顆粒相沖擊處其壁面邊界為反彈(Reflect),顆粒碰撞后經(jīng)過噴嘴的反彈落到基材上,基材邊界為逃逸(Escape);4)軸對稱邊界(Axis)。在應(yīng)用離散相模型求解時(shí),顆粒到達(dá)邊界時(shí)可分為反彈、逃逸、吸收(Trap)等狀態(tài)。在本計(jì)算模型中,主要研究匯聚點(diǎn)與基材或沉積層的相互作用,研究其碰撞后的軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4計(jì)算與分析4.1x方向的影響及粉末聚合處的濃度分布激光直接制造是逐層形成的。對于薄壁零件成形,隨著層數(shù)的增加,高度不斷增加,對氣固兩相流的流場阻礙作用也發(fā)生變化。設(shè)定計(jì)算參數(shù)為:載氣速度u1=1m/s,外層保護(hù)氣體速度u2=2m/s,送粉量Gp=12g/min,平均粒徑dp=45μm。沉積層高度為0和10mm的粉末濃度分布的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。分別計(jì)算了沉積層高度為0,5,10和20mm時(shí)的濃度分布,沿x方向(以粉末區(qū)域中心為原點(diǎn)的圓周)和y方向(以噴嘴出口為原點(diǎn)沿軸線向下)的濃度分布規(guī)律的計(jì)算結(jié)果如圖4所示,不同高度對粉末匯聚處的最大濃度CFmax的影響及粉末匯聚焦距如表3所示。比較4種不同結(jié)果可知,在x方向的粉末濃度分布近似服從高斯分布,與J.M.Lin等的一致;在y方向,隨著沉積層高度增加,粉末匯聚處最大質(zhì)量濃度CFmax值逐漸降低,從2.702kg/m3降到2.436kg/m3;在沉積點(diǎn)處粉末濃度由2.454kg/m3降到2.311kg/m3;與自由射流相比粉末匯聚焦點(diǎn)上移,粉末匯集焦距由5mm減少到4.6mm,上移量為0.4mm;隨沉積層高度增加,粉末匯聚焦距由4.6mm增至4.7mm,粉末匯聚特性基本不變。這主要是由在沉積過程中,進(jìn)入熔池的粉末反彈造成的。在自由射流時(shí)無反彈現(xiàn)象,而當(dāng)噴嘴下端有沉積層時(shí),被輸送的粉末與基材或沉積層發(fā)生相互作用,部分粉末發(fā)生反彈,進(jìn)而造成粉末與噴嘴下端也存在碰撞。隨沉積層高度的增加,粉末顆粒與基材碰撞強(qiáng)度減小,一部分顆粒與沉積層碰撞,經(jīng)碰撞后的反彈顆粒脫離沉積層,造成匯聚點(diǎn)及沉積點(diǎn)處粉末濃度降低。4.2沉積層寬度影響為了研究不同寬度沉積層對粉末流場分布的影響規(guī)律,設(shè)定沉積層高度為10mm時(shí),分別計(jì)算沉積層寬度為0.5,1,2和4mm時(shí)粉末濃度的分布規(guī)律,不同寬度沉積層對粉末匯聚的影響規(guī)律計(jì)算結(jié)果如圖5所示,對粉末匯聚最大濃度及焦距的影響如表4所示。由表4及圖5可看出,隨沉積層寬度增加,粉末匯聚點(diǎn)處濃度增大,最大質(zhì)量濃度CFmax值由1.993kg/m3增大到2.769kg/m3;粉末沉積處質(zhì)量濃度由1.864kg/m3增大到2.649kg/m3。與自由射流相比粉末匯聚焦點(diǎn)也上移,粉末匯集焦距由5mm減少到4.6mm,上移量為0.4mm;隨沉積層寬度增加,匯聚焦點(diǎn)略微上移,粉末匯聚焦距由4.9mm降低至4.6mm,粉末匯聚性變好。主要原因是當(dāng)粉末粒子與沉積層或基材碰撞后,一部分顆粒逃出碰撞區(qū)域,一部分顆粒又回到沉積層上發(fā)生二次碰撞;當(dāng)寬度變大時(shí),碰撞粒子數(shù)目越多,反彈后的粒子經(jīng)過與噴嘴下邊緣碰撞后與沉積層發(fā)生二次碰撞的幾率越大,顆粒濃度變高,造成匯聚濃度值升高且焦點(diǎn)位置沿軸線上移。5單道熔覆層高度與寬度的測量為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性和合理性,采用與模擬參數(shù)完全相同的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選用相同材料的不同寬度及不同高度沉積層,把薄壁零件放置在距噴嘴正下方5mm處,試樣如圖6所示。因?yàn)槔肅CD相機(jī)拍攝需根據(jù)光強(qiáng)的強(qiáng)度去確定粉末濃度大小,而光強(qiáng)不能準(zhǔn)確地標(biāo)定,并且還需要一些圖像處理方面的知識才能分辨出具體粉末濃度,操作起來較困難。所以選用間接的方法去驗(yàn)證熔覆層變化對粉末流場匯聚的影響。利用在激光能量足夠時(shí),粉末濃度越大則沉積層的高度也相應(yīng)地越大的原理,通過在選定試樣上面熔覆一單層軌跡,進(jìn)行測量單層熔覆層高度與寬度,通過高度與寬度的變化反映出零件結(jié)構(gòu)對粉末匯聚的影響,實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表5所示。沉積層高度為0,寬度為∞時(shí)所獲得的軌跡截面如圖7所示,并設(shè)成形軌跡的寬度為w,高度為h。用KEYENCEVH-600顯微鏡進(jìn)行測量,具體的測量結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,隨沉積高度增加,單道熔覆層高度由0.1mm降至0.055mm,呈下降趨勢,單道寬度幾乎穩(wěn)定在0.54mm左右;隨沉積寬度的增加,單道熔覆層高度呈上升趨勢,從0.064mm增至0.076mm,單道寬度也保持在0.53mm左右不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢基本一致,表明計(jì)算模型的正確性。所以在沉積壁厚不均高度逐漸變化的薄壁零件時(shí),會(huì)出現(xiàn)沉積層高度增長不均勻的現(xiàn)象,進(jìn)而造成沉積層表面不平整,降低沉積層的表面成形質(zhì)量。6沉積層寬度對粉末匯聚特性的影響采用氣固兩相流理論對載氣式CPFN粉末流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,應(yīng)用FLUENT軟件中的離散相模型對載氣式同軸送粉粉末在沉積層不同結(jié)構(gòu)時(shí)對粉末匯聚特性的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,且對于不同沉積層結(jié)構(gòu)進(jìn)行單層熔覆試驗(yàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。在噴嘴下端存在沉積層與自由射流相比粉末匯聚焦點(diǎn)上移,粉末匯集焦距由5mm減少到4.6mm,上移量為0.4mm。在沉積層寬度一定時(shí),隨沉積層高度增加,粉末匯聚處質(zhì)量濃度逐漸降低,從2.702kg/m3降到2.436kg/m3;在沉積點(diǎn)處粉末質(zhì)量濃度由2.454kg