传热和流体活动建模

激光粉末床融合 (L-PBF) 增材制造触及复杂的物理过程。特别是，吸收的激光束能量凝结颗粒并构成熔池，在熔池中主要由名义张力梯度（或马兰戈尼剪切应力）驱动发作激烈的流体活动。传热和流体活动受粉末床中粉末颗粒的部分排列的显著影响，这些排列可能因位置而异。由于高度瞬态的流体活动，熔池名义（自由名义）的外形不时演化，影响最终的名义质量。

数值建模措施

为了定量了解粉末堆积特性、工艺参数和熔池动力学对名义质量的影响，本研讨运用了两个模型。第一个模型是基于 Yade开发的粉末颗粒堆积模型，Yade是一种开源的离散元措施 (DEM) 代码。它提供粒子堆叠信息（例如，单个粒子的位置和半径）。然后将此类信息输入到第二个模型中，即基于FLOW-3D的 3D 瞬态熔池模型。两种模型的细致信息可在文献 [1] 中找到。基于FLOW-3D的熔池模型的显著特征，总结如下。

瞬态流体活动模仿在尺寸为 1000 μm（长度）、270 μm（宽度）和 190 μm（高度）的 3D 计算域中执行，如图 1 所示。该域包含 50 μm 厚的层粉末颗粒铺设在 90 微米厚的基板上。域的提示最初是用空白填充的。运用 DEM 模仿的结果初始化粉末层几何外形。为了在减少细胞总数的同时最大化空间分辨率，运用偏置网格划分，其中网格尺寸在基板中从 9 μm 连续减小到 3 μm 到基板/粉末层界面。粉末层及其上方的空隙中的网格尺寸坚持恒定为 3 μm。细胞总数为143万个。

关于边疆条件，基于高斯散布的指定热通量施加在粉末层的顶面上，以表示沿 X 方向移动的激光的热输入。运用FLOW-3D中可用的改进名义张力模型包含与温度相关的名义张力 。关于其他热物理特性，运用 FLOW-3D 数据库中可用的 IN718 合金数据。

在配备 Intel Xeon 处置器 E5335 和 4 GB RAM 的中等功率工作站中，大约 600 微秒长的 L-PBF 的瞬态仿真需求大约 40 小时的时钟时间才干完成。

结果与讨论

图 2 绘制了时间 = 55 μs 时熔池中的温度等值面和速度矢量的纵向截面图（即，平行于激光行进方向的截面）。熔池边疆由 1608.15 K 处的等温线表示，这是 IN718 的液相线温度。如图右侧所示，颗粒部分凝结到熔池中。在熔池名义左近，熔融金属从激光束正下方的中心位置被拉到池的后端。熔池名义左近熔融金属的这种回流产生了在激光束下方凹陷的名义轮廓，同时它构成了朝向池后端的隆起。正如下面所讨论的，隆起的外形会招致球化缺陷的构成。

如图 3 所示，当熔池变得不连续并决裂成分别的岛时，可能会呈现球化缺陷。如 Flow-3D AM 模仿所示，激光束正下方的熔池不稳定，后端疾速决裂从正面构成一个独立的岛屿。分别从熔池中间的空隙开端，如图 3（c）所示。随着激光继续向前行进，这个空隙会扩展，最终将熔池分红两部分，如图 1 和 2 所示。3(e) 和 (f)。空隙的构成及其收缩可能是由名义张力梯度（马兰戈尼效应）驱动的激烈回流惹起的。

总结

Flow-3D AM 对 L-PBF 中的传热和流体活动中止 3D 瞬态模仿，以定量了解球化缺陷的构成。固然只模仿了一个简单的线性轨道，但本模型显现了粉末水平模仿在研讨熔池名义轮廓和球化缺陷构成方面的重要性，这是最终构建质量的重要属性。

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