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金属喷射增材制造中铜合金部件形貌与微观结构形成机制研究。通过数值模拟与实验验证，揭示了溶质稀释区在熔滴边缘及中心的形成机制，分析热历史、冷却速率对等轴柱状晶转变及晶粒尺寸的影响，指出工艺参数需平衡冶金结合与溶质分布均匀性。
李明凯|任能仁|杨涛|张瑞尧|曾龙|夏明旭|李建国|李军
上海交通大学材料科学与工程学院，中国上海200240
摘要
鉴于当前主流基于激光的增材制造（AM）技术的局限性，金属喷射打印被认为是一种有前景的低成本AM技术，适用于高激光反射率的金属打印。然而，对其生产具有精细微观结构和均匀化学成分的铜合金零件的能力尚未完全理解。本文开发了一个数值模型，以揭示打印零件形状的形成机制以及溶质元素和微观结构的演变过程。模拟和实验结果一致表明，溶质稀释区位于液滴的连接处和中心。前者是由于重熔后溶质分配中的流动诱导溶质稀释所致，而后者则是因为液滴振荡的连续动量下降导致溶质传输逐渐减弱。在重熔和凝固过程中的热历史控制了每个液滴中发生的等轴柱状-等轴过渡，其形态因子从10^7降至10^5 Ks/m^2。同时，降低的冷却速率（从10^4降至10^3 K/s）导致每个液滴内部的晶粒尺寸从底部到顶部逐渐增大。尽管需要冶金结合，但过度的热量积累也会导致分辨率降低和溶质偏析。对形状形态、微观结构和溶质传输机制的理解为金属喷射打印过程的性能控制和进一步应用提供了见解。
引言
包括航空航天、汽车和海洋在内的制造领域的快速发展，对铜合金提出了更复杂的结构、功能和性能要求[1]。增材制造为加速设计和制造具有复杂结构和集成功能的金属部件提供了最佳解决方案[2]。
虽然基于激光的增材制造对于钢[3]和钛合金[4]等材料是有效的，但由于铜合金的近红外激光吸收率较低（约为12%）[5]，它在铜合金应用中面临挑战。在这种情况下，热量输入不足成为一个重要问题，导致密度低和表面质量差。绿色激光和蓝色激光显示出增加激光吸收的潜力[6,7]，但由于激光功率和成本问题，它们尚未得到广泛应用。电子束熔化可以提供高能量输入，但由于铜合金的高电导率和热导率，存在过度预热的风险[8]。尽管粘合剂喷射技术规避了高反射率和热导率的问题，但打印出的零件密度相对较低[9]。因此，铜的增材制造需要一种能够平衡打印质量和材料内在特性的新兴技术。
金属喷射打印是另一种增材制造方法，它先将金属熔化，然后再以液滴形式添加到零件中[10]。这种方法不需要高能束和定制的金属粉末。同时，金属喷射打印的冷却速率和温度梯度远小于基于高能束的增材制造方法[11]。因此，这项技术路线可以实现更广泛材料的直接成型，特别是难以打印的合金和高激光反射率的金属[12]。通过气体脉冲作用于熔体表面，气动驱动的按需滴落（DOD）技术可用于打印高熔点金属[13]。预计该技术在增材制造领域将发挥重要作用。
研究[13,14]已经证实，通过喷射具有高表面张力和粘性特性的熔融铜来制造液滴是可行的。金属喷射打印通常用于制造高分辨率的铜柱[15,16]。通过优化工艺以确保液滴充分融合，提高了柱子的成型质量以及其电学和机械性能[17]。在大型组件的打印中也观察到了类似的模式[18,19]。此外，还讨论了在复杂合金系统中通过调节冷却速率实现相变和相组成[20]。微观结构表征表明，金属喷射打印更类似于一种带有原位退火热处理的铸造方法[18,20]。然而，对于大多数广泛使用的铜合金（如沉淀强化合金和旋涡分解强化合金），铸造产品的元素偏析严重损害了其机械性能[21]。Cu-15Ni-8Sn是一种通过旋涡分解强化的代表性铜合金，由于Sn的过饱和，总是表现出严重的宏观偏析[22]。尽管由液滴组成的样品的化学成分均匀性对构建的部件至关重要，但这一点尚未得到验证。在之前的数值模型中很少考虑物种传输，其对流体流动的潜在影响需要阐明[23,24]。
本研究旨在理解金属喷射增材制造过程中打印零件形状的形成机制以及溶质元素和微观结构的演变过程。开发了一个数值模型来阐明液滴沉积过程中的热传递、流体动力学和溶质传输。通过微观结构表征，揭示了每个液滴中的晶粒成核、生长和形状转变，以及液滴之间的界面行为。还讨论了操作条件对表面形状和元素分布的影响。
部分摘录
流体流动
采用体积法来描述气-金属两相流体流动[25]。连续性方程可以表示为：
