直接激光沉积中金属熔池演化过程能量输运的多尺度行为研究

Direct laser deposition (DLD) is one of the frontier technologies in additive manufacturing (AM), which is promising in advanced equipment manufacturing industries such as aerospace, shipping and biomedical science. Therefore, understanding the energy transport characteristics of melt pool in DLD is the pivotal issue for the industrial application and efficiency promotion of DLD. Currently, lots of studies have been carried out on the flow and heat transfer process in the melt pool. Nevertheless, the microcosmic mechanism of the evolution of melt pool, the complicated macroscopic connections among coupled flow and heat transfer process, the energy transmission characteristics on the boundary of melt pool and the optimization method of energy utilization during DLD have not been studied thoroughly. In the present project, the multi-scale behavior of energy transport characteristics of melt pool in DLD will be investigated with numerical, experimental and analytical methods. The goals are to establish both microcosmic and macroscopic mathematical models of the energy transport process, to clarify the microcosmic mechanism of the evolution of melt pool, to reveal the complicated macroscopic connections among the coupled flow and heat transfer process, to obtain the energy transfer characteristics on the boundary of the melt pool, and to propose an optimization method for the energy utilization during DLD. The results can broaden and deepen the knowledge of the flow and heat transfer characteristics in the melt pool during DLD, and will give a theoretical support for industrial application, which has important academic significance and engineering value.

直接激光沉积作为金属增材制造中的前沿技术，在航空航天、船舶制造、生物医学等领域具有广泛应用前景，掌握直接激光沉积过程中金属熔池的能量输运特性是推广其走向实际应用和提升效率的关键所在。当前国内外学者对金属熔池的流动与传热过程开展了初步研究，但是对其演化过程的微观特性、宏观流动与传热过程的复杂耦合机理、熔池边界能量传输规律以及能量高效利用优化方法尚未开展深入研究。本项目拟采用数值模拟、实验测试和理论分析相结合的方法，对直接激光沉积过程中熔池能量输运的多尺度行为进行研究，旨在构建直接激光沉积过程中熔池微观/宏观能量输运数学模型，阐明熔池演化过程的微观机理，揭示宏观熔池内复杂耦合流动传热过程相互影响机制，获得熔池边界能量传输特性，提出直接激光沉积过程能量高效利用优化方法。研究结果可拓宽和深化对直接激光沉积中熔池内流动与传热特性的认识，并为有关工程实践提供理论支持，具有重要的学术意义和工程实用价值。

直接激光沉积作为金属增材制造中的前沿技术，在航空航天、船舶制造、生物医学等领域具有广泛应用前景。金属熔池作为该技术所涉一系列迅速发生并相互耦合的物理过程的桥梁，掌握其演化规律进而实现其内部能质输运的控制是提升制造效率和推广该技术走向实际应用的关键所在。然而，由于当前国内外对直接激光沉积过程的研究仍处于起步阶段，此外研究所涉方法不足的限制，导致制造过程难以预测，产品存在制造效率低、成型公差较大、表面粗糙度高及表面开裂等问题，因此急需开展相关基础研究。本项目通过相关的理论分析、数值模拟和实验测试相结合的研究方法，从微观、宏观两方面揭示熔池演化过程，阐明金属熔池演化复杂过程机理，获得瞬态多因素耦合下熔池内部流动与传热规律；此外，更深入地开展了DLD过程多层熔覆过程的热力传递及结构变化研究，提出了金属增材制造直接激光沉积过程的高质量成型及制造过程的主动控制的有效手段。主要结果如下：（1）联合从微观角度出发的分子动力学方法，及从宏观角度出发的基于多孔-焓方法、VOSET方法及界面“等效速度”法所开发的气-固-液三相FVM数值模型，构建了多尺度瞬态多因素耦合作用下的熔池演化过程的预测数值工具。（2）熔池的演化宏观上表现为对流作用驱动的内部物质疏运；微观上则取决于表面高能量原子的飞离、震荡及再沉积的作用，此外，在移动热源的干涉下，熔池前缘演化被削弱，后缘演化被加强，最终在其尾部形成包覆层。（3）采用以正交试验设计为基础的田口方法分析激光参数在熔池演化中的影响比重，明晰了控制熔池演化的主导因素，并基于其提出了以引入磁场力为代表的外加动量控制策略，结果表明外加磁场力在熔池演化及熄弧后界面自由收缩阶段的控制效用明显，最佳情况下，表面变形可以减少近40%。本项目研究结果拓宽和深化对直接激光沉积中熔池内流动与传热特性的认识，并为工程实践中如何控制制造过程及改善制造工艺提供理论支持，具有重要的学术意义和工程实用价值。