姚楊，孫占朋,2*，張茹，楊光,2

激光粉末床熔融成形腔內非穩(wěn)態(tài)流場特性研究

姚楊1，孫占朋1,2*，張茹1，楊光1,2

（1.河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018； 2.河北省增材制造產業(yè)技術研究院，石家莊 050018）

研究激光粉末床熔融（LPBF）中成形腔內保護氣的流動規(guī)律，獲得氣流速度脈動和旋渦等流場非穩(wěn)態(tài)特征及其變化規(guī)律。利用熱線測速計測量腔內的瞬時速度，研究保護氣的速度分布及其脈動特性；基于數值模擬方法探究腔內氣流形成的旋渦情況，分析渦的分布及其旋轉速度；利用煙霧示蹤方法對保護氣流場進行可視化處理，分析氣流的運動過程。腔內氣流經歷了射流擴散、上下波動、大渦流、匯流等復雜運動過程，氣流速度隨時間的變化呈明顯脈動特征，且氣流脈動幅度受位置影響較大，進出風口的平面流速最大可達2.4 m/s，最小為0.25 m/s。同時，氣速隨平面高度的增大而逐漸減??；腔內存在以縱向大尺度旋渦為主、若干小尺度旋渦共同作用的渦流，由腔內邊壁至中心，渦流切向速度呈先上升后下降的趨勢，且隨入口氣速的增大而增大，在切向速度急劇降低的腔體角落、透鏡等區(qū)域，易形成流動“死區(qū)”，導致煙塵顆粒聚集且難以排出，影響構件的高質量成形制造。保護氣在LPBF成形腔內形成了復雜的非穩(wěn)態(tài)流動，并以劇烈的速度脈動和多尺度的渦流為典型特征，而針對非恒定的層流、成形腔結構的優(yōu)化設計仍需進行更深入的研究。

激光粉末床熔融（LPBF）；流場；非穩(wěn)態(tài)；數值模擬；渦分析

增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）是一種基于離散堆積成形思想，通過三維軟件對目標零件進行建模，再將模型按一定厚度分層切片，最后逐點、逐線、逐層累積成形的先進制造技術[1]。金屬零件增材制造技術作為整個增材制造體系中最前沿和最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技術利用高能激光束逐層掃描粉床并熔融成形[2]，具有成形幾何精度高、表面光潔度高、設計自由度大等優(yōu)點，是直接金屬增材制造技術的重要發(fā)展方向，在航空航天、生物醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景[3-4]。但LPBF工藝中普遍存在顆粒飛濺、煙塵等現象以及氣孔、未熔合等構件缺陷[5]；此外，彌散的煙塵顆粒會黏附于激光透鏡表面，這樣不僅會降低激光輸入功率，還可能造成鏡片升溫、開裂等嚴重后果[6]；尤其在多激光、大幅面打印過程中，會產生大量飛濺顆粒、煙塵，嚴重影響了零件的高質量成形。

優(yōu)化工藝參數（調整激光輸入功率及掃描速度[7-9]、改變金屬粉末材質[10-12]等）、改變氣氛條件[13-14]和引入橫向氣流是當前抑制顆粒飛濺和煙塵的主要措施。其中，引入橫向惰性氣流已成為LPBF設備的基本配置，這樣不僅可將飛濺顆粒、煙塵等及時引出，還能防止金屬粉末氧化[15]。Reijonen等[16]使用熱線風速計測量了基板上方的氣體流速，研究了惰性保護氣流對316L樣品孔隙率和熔體池幾何形狀的影響。Anwar等[17]研究發(fā)現，惰性氣體流速越高，殘留在粉末床的飛濺顆粒越少，零件成形質量越高。Zhang等[18]研究發(fā)現，受柯達效應影響，進入成形腔的氣流有下行貼壁運動的趨勢。Shen等[19]研究發(fā)現，在鎳合金粉末成形中，當粉床表面的氣流速度為1.5～4.8 m/s時，成形構件的缺陷率及孔隙率最低。梁平華等[20]通過對成形腔下進風口進行格柵化設計，降低了截面風速分布標準差，提高了流場分布均勻性。多家3D打印廠商采用改變進出風口結構[21]、增加循環(huán)過濾系統(tǒng)[22]、改進回風管道[23]等方式優(yōu)化腔內流場分布。然而，成形腔多為突擴入口和突縮出口結構，這會導致低黏性惰性氣體難以在腔內形成穩(wěn)定層流，非穩(wěn)態(tài)的氣流可以強化細漂浮顆粒的擴散運動，并延長了其在腔內的停留時間[24]，使惰性氣流對細漂浮顆粒的帶出能力下降，但目前缺乏對腔內流場非穩(wěn)態(tài)特性的研究。

本文以雷尼紹AM250打印機成形腔為研究對象，基于實驗測量和數值模擬方法，分析了腔內氣流的非穩(wěn)態(tài)運動過程及腔內流場的典型非穩(wěn)態(tài)特征（包括氣流速度脈動和旋渦等），以期為成形腔結構的優(yōu)化設計提供指導。

1 方法

1.1 實驗裝置及流程

雷尼紹AM250金屬3D打印機成形腔如圖1a所示。忽略送粉、鋪粉等結構，成形腔的簡化三維模型及尺寸如圖1b所示。成形腔殼體為高透有機玻璃，利用煙霧示蹤方法分析腔內的氣流運動情況，煙霧發(fā)生器的功率為400 W，通過加熱煙油液體產生煙霧并向成形腔內噴射，對氣流從進入到排出成形腔的過程進行示蹤。利用熱敏風速儀（量程為0.0～30.0 m/s，測量精度為±3%）測量腔內不同高度、位置處的瞬時氣流速度。

實驗測量系統(tǒng)如圖1c所示，該系統(tǒng)主要由成形腔體、煙霧發(fā)生裝置、速度測量儀器、蝶閥和引風機等組成，由于在工作條件下成形腔中的保護氣體氬氣需滿足嚴格的氣體密封循環(huán)，故實驗采用空氣對氬氣進行模擬，并將空氣通入成形腔內，且在實驗狀態(tài)下腔內為負壓，氣體經入口管吸入成形腔后，通過出口管排出。利用熱敏風速儀對入口管內的氣體流速進行測量，并確定系統(tǒng)流量，進而通過調節(jié)閥門實現對成形腔體突括入口處氣速的控制。在腔體頂板開設9個測量孔，利用熱敏風速儀測量并記錄特定位置處的氣流速度。在進行煙霧示蹤實驗時，將煙霧發(fā)生器的煙霧發(fā)生口置于入口管處，通過拍照記錄不同時刻的煙霧分布情況。

圖1 實驗裝置及流程示意圖

1.2 數值模擬方法

1.2.1 模型網格劃分

利用Gambit軟件對成形腔進行網格劃分，如圖2所示。劃分的網格均為六面體結構化網格，網格增長率為1.26，網格總數為217 670。經Examine Mesh模塊網格質量驗證，網格的EquiSize Skew數值最大為0.89，滿足數值計算要求。

圖2 成形腔網格模型

1.2.2 控制方程

采用ANSYS-FLUENT 15.0軟件對成形腔內的流場進行分析。忽略熱量交換，成形腔入口位置氣流的當量雷諾數為3 180.84，遠高于圓形管道內臨界雷諾數，故認為腔內流動為不可壓縮的湍流流動。使用湍流模型對腔內湍流流動進行數值模擬，湍流模型選擇標準-方程[25]，其中，湍流動能的輸運方程如式（1）所示，耗散率的輸運方程如式（2）所示。

式中：為流體密度；為時間項；x為流體運動沿軸的分量；x為流體運動沿或軸的分量，具體取決于流體所處的坐標系；為黏度；u為黏度的瞬時項；t為恒定的湍流黏性系數；Pr為的湍流普朗特數，取1.0；G為平均速度梯度引起的湍流動能的產生項；b為湍流產生項；M為湍流間關聯項，對于不可壓縮流體，b=0、M=0；Pr為耗散率的湍流普朗特數，取1.3；1ε、2ε、3ε為經驗常數，分別取1.44、1.92、0。

式中：C為湍流黏度比例常數，通常取經驗數值0.09。

1.2.3 條件設定

成形腔內的介質氣體為惰性氣體Ar，采用半隱式SIMPLE算法進行速度-壓力耦合求解。設定進風口截面為速度入口，氣流速度分別為2、4、6、8、10 m/s；設定出風口截面為壓力出口，采用標準壁面函數法求解近壁面流場。

2 結果與討論

2.1 模擬可靠性驗證

為了驗證數值模擬結果的準確性，首先將模擬結果與文獻[26]中的實驗測量結果對比，得到模擬與實驗速度差值，如圖3a所示，成形腔內的氣流速度呈現中部大、兩側小的特點，中部實驗值與數值模擬結果吻合較好，總體差值不超過0.4 m/s；但由于次級旋渦等極端不穩(wěn)定流動的影響，腔體角落處的實驗值與數值模擬結果的誤差稍大，最大差值為0.6 m/s，因此取腔體角落以外、速度波動較小的5個測量點為典型位置，對比不同高度、位置處實驗與模擬的氣流速度，如圖3b所示，可見，時均氣流速度實驗數據與數值模擬結果基本吻合。

2.2 氣流運動軌跡分析

利用煙霧示蹤方法分析成形腔內氣流的運動情況，將氣流進入成形腔的初始時刻記為=0 s，不同時間（）下的氣流軌跡如圖4所示。由圖4a可知，在=0 s時，在突擴進風口結構的影響下，氣流以射流方式進入成形腔后開始擴散，結合圖4b可發(fā)現，在氣流上方小尺度旋渦的作用下，大部分氣流傾斜向上運動；在=0.84 s時，由于壁面效應和腔體中心低壓卷吸的影響，一部分氣流轉而貼近基板流動，另一部分氣流向腔體上部運行，此時旋渦隨氣流運動至腔體中心。在=1.8 s時，旋渦尺度隨著氣流的擴散而增大，腔體上部出現明顯的旋渦流動現象，同時靠近出風口基板側受高氣速影響較大。在=2.98 s時，示蹤旋渦與入口氣流交匯融合，充滿整個腔體，此時保護氣流場基本形成。由此可知，成形腔內的氣流經歷了射流擴散、上下波動、大渦流、匯流等復雜的非穩(wěn)態(tài)過程，而非簡單的層流運動狀態(tài)。

成形腔內的氣流運動軌跡如圖5所示?？梢钥吹剑尚吻粌鹊臍饬鬟\動軌跡十分紊亂。按照成形腔內氣體流動的分布規(guī)律及作用，可將整個流場分為3個區(qū)域：腔兩側偏流區(qū)域（見圖5b）、水平流動區(qū)域（見圖5c）和混亂旋渦區(qū)域（見圖5c）。其中，水平流動區(qū)域位于進出風口平面及下方，基本覆蓋整個基板，主要由流速較高的水平氣流組成，因此該區(qū)域在飛濺顆粒外排中起主導作用；腔兩側偏流區(qū)域主要處于成形腔門和粉倉的近壁區(qū)，兩側偏流主要表現為氣流受壁面阻礙并產生回流旋渦，回流旋渦易將煙塵顆粒卷吸至腔體邊角，造成腔體角落粉塵堆積?；靵y旋渦區(qū)域處于成形腔的中心空間，靠近鋪粉導軌、透鏡等附件，被混亂旋渦夾帶的煙塵顆粒的停留時間將顯著增加，形成高濃度煙塵區(qū)，這樣不僅易污染重要附件，還會增大入射激光的能量衰減和粉末床吸收激光能量的不穩(wěn)定性。

圖3 成形腔內氣流速度實驗值與模擬值對比

圖4 氣流軌跡隨時間變化

圖5 成形腔內氣流運動軌跡

2.3 氣流速度分布

不同水平截面上不同位置處氣流瞬時速度的變化情況如圖6a～e所示。分析可知，各位置處的氣流瞬時速度隨時間的變化呈明顯脈動特征，但不同位置處的氣流脈動幅度差異較大。由于料倉處腔體形狀多變，造成P32位置的最大氣流脈動速度甚至與其時均速度相當，流場的非穩(wěn)態(tài)特性尤為明顯。此外，在靠近基板的=3 mm和=75 mm平面上，除個別位置的脈動速度較大外，總體氣流運動比較穩(wěn)定，但氣流時均速度的變化值較大，受突擴進氣口結構引起的射流影響，正對進風口的P23位置流速最大，最大流速約為2.4 m/s，而該平面的最小流速約為0.25 m/s，說明基板附近氣流速度分布均勻性較差。

氣流時均速度分布情況如圖6f所示。可知，隨著位置高度的增大，同一平面上氣流速度差異和速度波動均減小，流場均勻性得到改善。同時，不同平面間的氣流速度差異也變小?？拷敳客哥R平面（=310 mm），個別位置（如P21和P31）的氣流速度很小，易形成流動“死區(qū)”，這增大了煙塵細顆粒黏附透鏡的概率，對粉末成形過程和透鏡使用壽命產生了不利影響。

2.4 旋渦分布規(guī)律

為更直觀地分析氣流運動過程，利用Q判據方法[27]對成形腔內渦結構進行可視化。成形腔空間的渦等值面如圖7a所示。分析可知，成形腔內分布著不同尺度的多種渦，其中貼壁小尺度旋渦的數量最多。同時，在射流效應的影響下，在氣流入口位置也產生了多個小尺度旋渦（見圖7b）。但從空間分布來看，以基板上方的大尺度縱向旋渦為主導，如圖7b和圖7c所示，以上主渦將不斷地夾帶新生煙塵顆粒流向透鏡區(qū)域，為細顆粒黏附透鏡提供了顆粒源。此外，在主渦中心出現了較大范圍的氣流低速區(qū)，且該低速區(qū)正處于透鏡下方，易引起煙塵在該處聚集而難以排出，嚴重影響了粉床吸收激光能量的穩(wěn)定性，故該氣流低速區(qū)是對粉末成形過程危害最大的非穩(wěn)態(tài)流動區(qū)。

圖7 成形腔內旋渦分布及變化規(guī)律

不同氣速下縱向渦的切向速度分布情況如圖7d～f所示。分析可知，從成形腔邊壁至中心，主渦1的切向速度呈先增大后減小的趨勢，隨入口氣速的增大，最大切向速度增大，當入口氣速為8 m/s時，切向速度取得最大值，約為1.1 m/s。在基板上方區(qū)域，切向速度急劇下降，此處氣流形成流動“死區(qū)”。主渦2緊貼基板表面，切向速度波動較大，分布均勻性較差，波動幅度隨著入口氣速的增大而增大。在靠近腔門及粉倉角落，切向速度很小，易導致煙塵及飛濺顆粒在此堆積，增大了廢舊顆粒收集和腔體清理的難度。

3 結論

氣流非穩(wěn)態(tài)運動是激光粉末床熔融（LPBF）成形腔內流場的重要特征，利用數值模擬、瞬時速度實驗和煙霧示蹤方法對氣流速度脈動和旋渦等非穩(wěn)態(tài)特征進行了研究，主要結論如下：

1）成形腔內流場分布受不規(guī)則結構影響，存在水平流動、腔兩側偏流、混亂旋渦3種流動特征，這3種特征分別位于基板上方、成形腔門和粉倉的近壁區(qū)以及成形腔中心空間。氣流進入成形腔后經歷了射流擴散、上下波動、大渦流、匯流等復雜的非穩(wěn)態(tài)過程，腔體充滿示蹤煙霧的時間約為2.98 s。

2）氣體速度隨時間的變化而呈明顯脈動特征，且氣流脈動幅度受位置影響較大，料倉附近氣流脈動幅度最大，當高度不同時，脈動幅值最大約為1.5 m/s，最小僅為0.2 m/s。緊靠基板平面氣流速度分布的均勻性最差，最大流速可達2.4 m/s，最小約為0.25 m/s。透鏡周圍的氣流速度普遍較低，最大不超過0.9 m/s。

3）對成形腔內流場進行渦分析發(fā)現，運動氣流形成了多種渦結構，以透鏡下方大尺度縱向旋渦為主，大尺度縱向旋渦邊界處的切向速度較大，而中心處則存在大范圍低速區(qū)，卷吸煙塵及飛濺顆粒聚集在此，因此，加大了顆粒黏附透鏡的概率，造成粉床表面激光能量波動。在氣流入口、腔體邊角存在若干小尺度旋渦，其較小的切向速度將導致粉塵在此處堆積。

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Characteristics of Unsteady Flow Field in Forming Chamber of Laser Powder Bed Fusion

YAO Yang1, Sun Zhan-peng1,2*, Zhang Ru1, Yang Guang1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science & Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2. Hebei Additive Manufacturing Research Institute, Shijiazhuang 050018, China)

The work aims to obtain the unsteady flow characteristics and variation such as flow velocity pulsation and vortex by studying the flow pattern of shielding gas in the forming chamber of laser powder bed fusion (LPBF). The instantaneous velocity in the chamber was measured by hot-wire anemometer, and the velocity distribution and pulsation characteristics of the shielding gas were studied. Based on numerical simulation methods, the formation of vortex in the chamber flow was investigated, and the distribution and rotational speed of vortex were analyzed. The shielding gas flow field was visualized by smoke tracer method and the movement process of flow was analyzed. The flow underwent complex motion processes such as jet diffusion, up-and-down fluctuation, large vortex, and gas confluence. The flow velocity exhibited obvious pulsation characteristics, and amplitude of flow pulsation varied greatly with the position. The maximum and minimum velocities at the middle plane across the air inlet and outlet were 2.4 m/s and 0.25 m/s, respectively. Simultaneously, the flow velocity decreased gradually with the increase of the plane height. There were vortices in the chamber, including the large-scale longitudinal vortex and several small ones. The tangential velocity of vortices increased firstly and then decreased from the inner wall to the center, and increased with the increase of inlet flow velocity. Those vortices of which tangential velocity decreased sharply led to the "dead zones" at the corners of the chamber and below the lens. Then, the small floating particles were accumulated and difficult to discharged, affecting the high-quality manufacturing process of components. The shielding gas forms a complex unsteady flow in the LPBF forming chamber, characterized by intense velocity pulsation and multi-scale vortices. For constant laminar flow, further research on the optimization design of the forming chamber structure is needed.

laser powder bed fusion; flow field; unsteady; numerical simulation; vortex analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.023

TH48

A

1674-6457(2023)10-0196-08

2023-05-16

2023-05-16

中央引導地方科技發(fā)展資金項目（206Z806G）；河北省自然科學基金京津冀基礎研究合作專項（H2022208073）；河北省“三三三”人才工程資助項目（B20221004）

The Central Guiding Local Science and Technology Development Fund Projects(206Z806G); Natural Science Foundation of Hebei Province, Beijing-Tianjin-Hebei Basic Research Cooperation Project(H2022208073); “Triple three” Talent Funding Project of Hebei Province(B20221004).

姚楊, 孫占朋, 張茹, 等. 激光粉末床熔融成形腔內非穩(wěn)態(tài)流場特性研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 196-203.

YAO Yang, Sun Zhan-peng, Zhang Ru, et al. Characteristics of Unsteady Flow Field in Forming Chamber of Laser Powder Bed Fusion[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 196-203.

責任編輯：蔣紅晨