基底温度在IN718超合金定向能量沉积过程中涂层几何形状和流动行为中的作用：多物理场建模与实验验证

《Optics & Laser Technology》：Role of substrate temperature in clad geometry and flow behavior during directed energy deposition of IN718 superalloy: Multiphysics modeling and experimental validation

镍基超合金激光增材制造中基体温度对覆层几何与熔池流动的影响研究。基于体积分数法（VOF）建立多物理场CFD模型，结合实验验证，系统分析基体温度变化对IN718合金覆层层宽、层高及熔池流动行为的作用规律。研究表明，基体温度升高使层宽线性增大，层高非线性变化，熔池峰值温度显著上升，且熔池表面流动动力学通过马氏效应对流影响层几何形貌。最终通过无量纲参数分析量化揭示基体温度升高加剧马氏对流，为精准调控覆层形貌提供理论支撑。

　　

刘彦明|刘伟伟|马亚丽|王志|张宏超

大连工业大学机械工程学院，中国大连116023

摘要

镍基超合金在激光定向能量沉积（L-DED）过程中对热历史非常敏感，这直接影响涂层层的几何形状和热流特性。本研究基于体积法（VOF）建立了一个多物理场计算流体动力学（CFD）模型，并结合仿真和实验方法系统研究了基材温度对IN718超合金涂层层几何形状和熔池流动行为的影响。结果表明，随着基材温度的升高，涂层层宽度增加，涂层层高度呈现非线性变化，熔池内的峰值温度也升高。此外，熔池自由表面的流动动力学影响了基材温度与涂层层几何形状之间的关系。最后，无量纲参数分析定量揭示了基材温度的升高加剧了马兰戈尼对流。本研究为通过调节基材温度精确控制涂层层几何形状提供了理论基础。

引言

增材制造（AM）已成为当代制造领域的一项关键技术，主要得益于其能够选择特定材料、定制性能以及实现轻量化结构设计[1],[2]。在各种AM技术中，激光定向能量沉积（L-DED）因其同步的材料输送系统而成为制造金属部件的有前景的方法[3]。与传统粉末床熔融（PBF）相比，L-DED具有显著优势，包括能够制造大型部件、高沉积速率、快速修复能力以及生产功能梯度材料[4]。因此，L-DED已广泛应用于复合材料生产、表面涂层改进和部件再制造。

L-DED过程涉及由多个相互作用变量控制的复杂冶金现象。沉积过程中的粉末-激光相互作用和颗粒碰撞影响熔池的形成和演变，熔池受到重力、浮力、马兰戈尼对流和表面张力等复杂物理力的作用[5],[6]。熔融金属的流动动力学显著影响热和质量传递过程，证实L-DED本质上受到复杂多物理场相互作用的控制。值得注意的是，熔池内的热和质量传递机制直接决定了沉积层的几何质量。因此，全面理解L-DED中的多物理场耦合对于确保使用AM制造的部件质量至关重要。

AM固有的高冷却速率导致熔池内快速凝固和陡峭的温度梯度。因此，在制造过程中会发生强烈的热膨胀和收缩，从而在制造部件中产生显著的残余应力。这些残余应力经常导致诸如孔隙和裂纹等缺陷，这些缺陷会降低部件的机械性能，甚至可能导致系统过早失效或整体使用寿命缩短[7],[8]。基材预热已成为减轻此类缺陷的最有效策略之一。Zhou等人[9]报告称，将基材温度提高200°C后，通过选择性激光熔化（SLM）制造的Ti-15Mo合金的缺陷形态从微裂纹和关键孔缺陷转变为主要是关键孔缺陷，并同时提高了延展性。Li等人[10]观察到，在较高的基材预热温度下，TiAl合金的纳米硬度增加。De Moraes等人[11]证明，在中等激光功率下适度预热可以减少残余应力，但在过高或过低功率下效果减弱。Chiang等人[12]在800°C的预热温度下实现了无裂纹的IN738对接接头；Isquierdo等人[13]强调了基材温度对激光吸收率的重要影响；Jin等人[14]研究了在基材预热条件下IN718合金的行为，并确定预热降低了凝固和冷却速率，并显著增加了初级枝晶间距。Corbin等人[15]发现基材预热通过减少薄基材中的累积应变减轻了激光沉积TC4部件的热变形。最近，Liu等人[16]提出了一种动态预热策略，以分析其对多层激光涂层热行为的影响。然而，大多数研究主要集中在减轻熔池凝固过程中的热梯度和降低冷却速率上，旨在缓解热应力并抑制制造部件中的裂纹形成。对于DED-L工艺而言，由于传热边界条件的不同，调节基材温度有助于缓解热应力，并影响涂层层与基材之间的润湿行为，从而影响DED-L的整体成形机制。尽管如此，现有研究很少从熔池动力学角度阐明基材温度对IN718合金成形机制的影响。

熔池动力学的实验分析既耗时又昂贵，而实时监测则面临额外的技术挑战。因此，大量研究整合了CFD来研究熔池流动行为。在以往的研究中，研究人员发现马兰戈尼对流是熔池流动的主要驱动力，并观察到在粉末中添加活性元素后流动方向的变化。此外，熔池内的马兰戈尼效应受到温度和表面张力梯度的影响。Gao等人[17]建立了一个高保真数值模型，考虑了热传递和相变，揭示了激光功率的变化显著影响了熔池内的流动动力学。Knapp[18]开发了一个能够准确捕捉瞬态温度和速度分布的数值热传递模型，以评估DED过程中的凝固参数和几何特性。S.M.A.[19]提出了一个能够精确跟踪自由表面变形的熔池动态模型。Manvatkar[20]和Gan[21]建立了多物理场数值模型，以探索多轨道和多层沉积场景中的复杂热流和流体流动现象，并提供了关于热传递和质量传输机制的见解。Wang等人[22]开发了一个多尺度、多维的相场模型，阐明了重熔对IN718合金热传递行为和微观结构演变的影响。Chen等人[23]结合光线追踪模拟，阐明了激光振荡对熔池热流行为和形成机制的影响。Tseng等人[24]整合了粉末流动和沉积过程，以阐明界面动力学和粉末流动之间的相互作用。Shi等人[25]采用介观建模揭示了熔池内的瞬态流体流动和几何演变。Li等人[26]提出了一个综合热流体模型，考虑了粉末-激光相互作用、表面张力和浮力，以捕捉熔池形状、温度和速度场的瞬态变化。这些建模工作为L-DED过程中的多物理场耦合条件下的热传递和流体流动行为提供了宝贵的见解。然而，以往的研究主要集中在优化激光工艺参数上，而关于L-DED中基材温度相关的基本物理机制的研究相对较少。

因此，本研究基于VOF方法开发了一个多相流模型，考虑了材料连续性、激光-材料相互作用、质量添加、熔化和凝固、金属蒸发产生的反冲压力、米氏散射、表面张力和重力效应。通过同轴CCD成像捕获的几何参数和熔池尺寸验证了热流体模型的准确性，通过整合仿真和实验进行了验证。最后，从仿真中获得的温度和速度场的变化阐明了基材温度对涂层层几何形状的影响。这些发现为精确控制涂层层几何形状提供了理论基础和实践指导，这对于优化工艺参数和确保航空航天及能源行业大规模、高性能部件的高质量制造具有重要意义。

实验设计

实验设计

图1展示了本研究中使用的同轴粉末供给半导体L-DED系统。实验装置主要包括一个半导体激光源（LDF4000 VGP）、一个KUKA机器人操作臂（KR30HA）、一个四喷嘴同轴激光头（YC52, Precitec KG）、一个加热基材平台（HP-2020）和一个粉末供给器（Raycham）。加热平台能够达到500°C的温度。在沉积过程中，使用了尺寸为

数值建模

L-DED涉及激光、粉末和基材之间的复杂多物理场相互作用。为了提高计算效率，基于以下假设建立了数值模型[5]：

• (1)
  计算域最初被划分为基材区域和空气区域，基材被建模为不可压缩的牛顿流体。
• (2)
  考虑到L-DED过程中熔融金属的相对较低速度及其相关的雷诺数（Re）

基材温度对涂层层宽度的影响

激光功率、扫描速度和基材温度直接影响能量输入，从而影响涂层层的宽度。为了定量评估这些影响，对涂层层宽度进行了回归分析，得到了以下模型：