1、西安航空职业学院毕业论文激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场的数值模拟姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：采用 CFD-ACE+多物理场软件对激光熔融沉积增材制造中同轴送粉过程的粉末颗粒运动轨迹及温度场进行了模拟研究。运用 N-S 方程组和拉格朗日方程组模拟气相与颗粒离散相的运动轨迹，并且建立了温度场计算模型计算粉末流与激光光束的互相作用。通过改变载气量，颗粒度，激光功率以及送粉量等工艺参数，得出了对颗粒运动轨迹及温度场影响的变化规律。最终，将模拟结果与实际情况进行了对比。运动轨迹的模拟外观轮廓与实际情况基本符合。温度场的实际测量限制于图像捕捉器材的局限性
2、，虽然所得出的结果并达不到模拟温度场的温度，但可以发现其颗粒度、送粉量以及激光功率对温度场的影响规律与模拟温度场结果基本相似。关键词：温度场， 粉末颗粒，运动轨迹，同轴送粉，数值模拟，激光沉积成型0 前 言激光熔融沉积成形技术具有生产效率高、成本低和基本上无污染等优点，具有很好的应用前景。由于激光熔融沉积成形是一个快速熔凝的过程，工艺过程中的粉末颗粒运动及温度场变化难以实验测定，使得数值模拟方法在此领域快速发展 1。同轴送粉法是目前最为先进的激光沉积送粉技术，它能够将粉末均匀分散成环型再汇聚后送入聚焦的激光光束中，从而达到各向同性的功能 2。送粉过程中激光束照射在粉末流颗粒群上，颗粒吸收了激光
3、能量温度升高。由于颗粒在激光束中的流动形态各不相同，如速度、位置均有差异，因此温升会有所不同。部分粉末颗粒没有熔化、部分颗粒发生熔化，所以到达熔池时粉末颗粒的不同物理状态对熔覆层的形成会产生影响。另一方面，在气载输送条件下的气体和粉末颗粒流动过程的速度分布以及下落过程空间分布具有一定的规律，这些参数的变化及分布情况对金属粉末颗粒吸收的能量及温度场有一定影响，有必要从流体力学和热力学的角度对粉末的送粉过程进行研究。近几年来随着计算机科学、计算方法、计算传热学和计算流体力学研究工作的发展及工程分析软件的不断完善，使研究者有可能对工程实际问题进行数值模拟和仿真。天津工业大学激光研究所得靳晓曙等建立了
4、无激光作用的冷粉末流场模型，但该数值模拟不适合于更为复杂的多物理场的同轴送粉的粉末流温度场的模拟计算 3。曼彻斯特大学的 Juansethi Medina 博士对同轴送粉喷嘴粉末流场进行了模拟与试验研究，建立了激光熔覆中粉末喷嘴输出的保护气体金属粉末两相流场计算模型以及两相流动量和质量传输数值模拟模型，并对温度场和速度场进行了计算机模拟，其研究为同轴送粉的数值模拟提供了基础 4。本文将根据多物理场模型采用 CFD-ACE+软件对激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场进行模拟。该软件是由美国 CFDRC 公司开发的最先进的 CFD 及多物理场软件，CFD-ACE+它包括最先进的数值和物理模型及高
5、级的前后处理模块 5。对于同轴送粉的数值模拟将采用流体力学、传热/辐射和喷雾/颗粒等模块进行对其多物理场的仿真模拟。1. 物理模型1.1模型建立方案与假设（1）材料参数本次试验选取 TC4 合金板为基体材料，成形粉末为 TC4 合金球型粉末，颗粒度为150m，粉末的物理性能参数如表 1 所示，激光功率为 800W，粉末流量为 4g/min，送粉气体的流量为 5L/min，送粉气体为氩气，氩气的物理性能参数如表 2 所示，每次试验其参数只有一项变化，其他参数均保持不变。表 1 钛合金 TC4 粉末的物理性能物理性能 数值颗粒熔化温度-熔点（K） 1923.15颗粒能量吸收率 0.4293K 时颗
6、粒固相密度(kg/m 3) 4440固相密度的温度系数(kg/(m2K) -0.275293K 时颗粒传热系数(W/(mK) 6.8293K 时颗粒传热系数温度系数(W/(mK2) 0.006293K 固相颗粒比热(J/（kgK）) 611固相颗粒比热温度系数(J/kgK2) 0.224表 2 氩气的物理性能物理性能 数值密度（kg/m 3） 1.67导热系数（W/(mK)） 0.0163比热（J/(kgK)） 520动力粘度（Pas） 2.09*10-5（2）粉末颗粒运动模拟CFD-ACE+提供流体力学（Fluid Dynamics）模块及喷雾/颗粒（Spray/Particles）模块模拟
7、保护气体及颗粒运动： 采用有限体积法求解 N-S 方程，可以模拟颗粒周围的保护气体运动； 采用拉格朗日-欧拉耦合方法，可以模拟颗粒-气体两相流运动； 可以定义喷射颗粒的大小、位置、角度、速度及成分组成； 通过仿真可以分析颗粒运动过程及空间分布状态。（3）激光加热模拟CFD-ACE+提供传热/辐射（Heat Transfer）模块模拟激光加热过程： 采用预先设定的热力学热量传递的数学模型，可以耦合 Fluid Dynamics 模块及Spray/Particles 模块进行求解； 模拟激光对颗粒的加热过程。激光同轴送粉过程中激光束和粉末流之间的互相作用比较复杂，可产生的影响因素繁多，为建立描述其
8、整个过程的数学模型本文做出如下假设：（1） 激光束光强为均匀分布；（2） 颗粒形状为球形，粉末颗粒是均匀的吸光介质；（3） 忽略激光对保护气体的加热效果；（4） 粉末颗粒随保护气体送出时浓度分布保持均匀不变，并且颗粒之间的碰撞忽略不计（5） 气相流体为不可压缩 Newton 流体1.2 模型建立模型参考的实际激光系统是由 YLR-6000 型光纤激光器、双通道气动送粉器、同轴连续送粉熔覆头等部分组成。模型选取的具体工艺参数为：激光功率 800W，送粉率 4g/min，氩气流量 4L/min，粉料汇聚的焦点位置位于基底平面。激光模型中，激光焦点位于喷枪下方13mm 处，激光光斑直径为 1.6mm
9、，激光角度为 2.29，通过调整喷枪上下位置使激光焦点位于基底上方 5mm。图 1 为激光送粉过程的物理模型。图 1 激光沉积成形的粉末与激光的物理模型实际的激光熔覆头的送粉通道位于喷口处上方 82mm 处。在模拟过程中，4 个 90分布的送粉通道所送出的粉末运动轨迹的分布在焦点上方和下方并不均匀，然而在粉末汇聚的焦点处其分布是均匀的。为了减少计算量，将送粉处下移并且改成粉末运动均匀分布，经过模拟表明其焦点位置以及在焦点处的粉末分布与初始模型一致。如图 2 所示。图 3 粉末流初始模型和简化模型（a）粉末流初始模型 （b）粉末流简化模型 （c）粉末流初始模型放大图 （d）粉末流简化模型放大图2
10、 数学模型2.1 气粉两相流数学模型建立该计算模型将气相流体视为连续的流体，首先考虑气相流体质量守恒方程即连续性方程可表达为 5： +()+()+()=0为气体的密度，u、v、w 为笛卡尔坐标系的速度分量。动量守恒方程运用 N-S 方程 5：+()=+()+()=+()+()=+()+式中：u，v，w 是速度向量， 为气流压力， 为气相的动力粘性系数，g 为重力分量。 由于粉末颗粒被看作为离散相，该模型运用拉格朗日法来计算颗粒相的运动模式。运用该方法的优势是可以计算在气相区间范围之内的任意离散相颗粒粒子的位置。颗粒粒子的运动模式可表达为 6：=2 ()|+式中： 为颗粒粒子质量， 为粒子在卡迪
11、尔坐标系某方向上的速度矢量， 是颗粒粒 子的表面积，可定义为 Ap=dp2/4, dp 为颗粒粒子的直径， 为粒子的密度，g 是重力加速度，CD 为曳力参数，颗粒雷诺数与其经验关系式如表 3 所示 6表 3 不同流区阻力系数表达式区域名称 区域范围 表达式层流区 Re1 CD=24/Re过渡区 1Re1000CD=24/Re(1+0.15Re0.687)湍流区 Re1000 CD=0.44表中 Re 为流体相中的颗粒雷诺数，其定义为：=|式中的 为动力粘度2.2 温度场数学模型建立粉末流从喷嘴处喷射出后汇聚到焦点处并进入激光束区域吸收激光辐射能，从而使自身的温度升高。在此段温度场的模拟空间中，
12、粉末之间通过热传导、对流和辐射进行热传递。通过利用毕渥数（Biot number）来计算粉末流与气流之间的热传导关系 7：=其中，h 为表面传热系数； 为粉末的导热系数，l 为特征长度，在此模型中为粉末颗粒的直径 dp。由于粉末颗粒足够小，导致毕渥数极小，表示粉末颗粒内部的热传导远远快于表面的热对流，之间的温度梯度可以忽略不记，从而粉末颗粒在光束中能量的表达式为 8：=2()42(44)42等式左边表示颗粒中吸收的总能量，等式右边第一项表示激光束的热输出，第二项为热对流过程中的热量损失，第三项为热辐射过程中的热量损失。式中： 为颗粒粒子质量，为比热，T 为在 t 时间下的颗粒温度， 为颗粒的能
13、量吸收率， h 为传热系数， 为周围气 体温度， 为表面辐射系数， 为斯忒藩-波尔兹曼常数（ Stefan-Boltzmann constant）， 为环境温度， 为颗粒半径， 为均匀分布照射到粉末颗粒上的激光能量，表达式为 9： = （ tan(2)+） 2式中：P 为激光功率， /2 为粉末喷射的分散角度如图， 为光束腰宽如图， 为焦点处 到颗粒之间的距离如图 3 所示9。图 3 激光焦点下方单个粉末颗粒加热示意图3 模拟结果和分析3.1 粉末流运动轨迹模拟结果分析送粉过程中一般通过载气来实现远程送粉，因此通过改变载气流量（3L/min、5L/min、7L/min），其他参数不变，来研究载
14、气流量对粉末流运动轨迹影响规律。采用不同的载气流量来分析粉末颗粒运动轨迹，图 4 为模拟获得的粉末流速度分布。可以看出，气体流量越大粉末流的运动速度也越大。颗粒随着载气流相汇后即出现分叉，在焦点相汇聚之前速度逐渐增大，说明气流从层流区到过渡区阻力的变化，在相交位置后速度又逐渐增大，说明气流从过渡区到湍流区的转折。图 4 不同载气量（3L/min、5L/min、7L/min）的粉末流速度分布（a ） （b） （c ）（a ）3L/min 时粉末流速度分布 （b）5L/min 时粉末流速度分布 （c）7L/min 时粉末流速度分布3.2 粉末流温度场模拟结果分析在其他参数不变的情况下，采取不同功率
15、（500W，800W, 1000W），模拟获得了各自的粉末流温度场。如图 5 所示，粉末流从送粉头喷出时，在此处粉末并没有进入激光束，粉末流的温度很低；随着粉末流汇聚进入激光束中吸收能量温度升高，相互作用时间越长，粉末流中达到熔点的金属粉末颗粒逐渐增多，粉末流在焦点及以下位置的温度随之增加。随着激光功率的增加，也就是激光能量密度增大，激光与粉末流相互作用越来越强，粉末流的温升越快，在较短的时间内粉末流的温度达到高温值，使粉末流高温区域离焦点处越近，随着粉末逐渐离开焦点，通过热对流与热辐射对热量的散失，其温度场的温度也逐渐降低。图 5 不同激光功率下粉末流温度场示意图（a ）500W 时粉末流温
16、度场示意图（b）800W 时粉末流温度场示意图 （c）1000W 时粉末流温度场示意图在其他参数不变时，不同粉末颗粒度（75m、106m、150m）的粉末流的温度场如图 6 所示。可以发现随着颗粒尺寸减小，其焦点以下的温度场温度越低。焦点位置之下的温度场也同样经历热对流以及热辐射的热量散失。由之前公式可推得，同样质量下的粉末颗粒，颗粒越小其总表面积越大，对激光能量的散热程度越大，其焦点下方的温度场温度会越低。（a ） （b） （c ）图 6 不同粉末颗粒度下粉末流温度场示意图（a ）150 m 时粉末流温度场示意图（b）106m 时粉末流温度场示意图 （c）75m 时粉末流温度场示意图不同送粉
17、量（2g/min、4g/min、8g/min），其他参数都不变的粉末流温度场如图 7 所示。图中可以发现随着送粉量的增加，热粉末流区域的大小没有太大变化，粉末流中心温度也在不断增加，但增加幅度不大。可以看到从粉嘴口到距其 13mm 处，温度从 20上升至 2647左右且不同送粉量产生的温度差约只在 90左右。图 7 不同送粉量下（2g/min、4g/min、8g/min）粉末流温度场示意图（a ）2g/min 时粉末流温度场示意图（b）4g/min 时粉末流温度场示意图 （c）8g/min 时粉末流温度场示意图4 模拟计算的试验验证由于粉末颗粒非常小，通过普通拍摄方式并不能捕捉到粉末的轮廓。采
18、用线光源挡板并加设一面黑色背景墙在送粉头背后将可以最大程度地将粉末颗粒和轮廓捕捉到，如 8 所示。（a ） （b） （c ）（a ） （b） （c ）由于器材局限性，不能捕捉到颗粒的运动速度，模拟结果与实际的速度并不能进行比较。但是实际情况的粉末外界轮廓与运动轨迹跟模拟结果基本一致。图 8 捕捉粉末流方法示意图以及捕捉到的图像采用 Vario CAM research 780 的红外热成像捕捉相机对粉末流的温度场进行测量，并通过改变送粉气流量，送粉流量及激光功率来测量其温度场如表 4 所示。温度场的实际测量情况如图 9 所示，粉末流焦点处最高温度只达到了 34-36，与模拟结果极不相符。这是由
19、于粉末流喷射是一个高速运动的过程，普通的热成像并不能准确的捕捉到粉末流温度场的温度。但是其颗粒度、送粉量及激光功率对实际温度场影响规律和模拟结果是基本一致的。在激光功率增大时，可从图中看出其粉末流温度场颜色逐渐变亮。在粉末颗粒度大小变化时，可以发现，颗粒度大的温度场要比颗粒度小的温度场明亮。在送粉量变化时，其温度场变化不大。表 4 实际温度场测量的试验方案工艺 颗粒度/目 150 150 150 100 200 150 150送粉量/g/min 4 4 4 4 4 2 8激光功率/W 500 800 1200 800 800 800 800 图 9 实际温度场测量的热成像照片5 结论（1） 改
20、变载气流量和粉末颗粒度大小可以直接影响粉末流颗粒运动速度。载气流量越大，颗粒的运动速度越高。（2） 改变激光功率，粉末颗粒度大小可以直接影响粉末流温度场的变化。激光功率越高，其温度场温度越高。粉末颗粒越大，其温度场温度越高。而送粉量对其温度场的影响十分有限。（3） 模拟得到的运动轨迹及其外形轮廓与实测基本符合。模拟的的温度场与实际测量结果有较大出入，但其变化规律基本符合。参考文献1. 王华明，张凌云，李安，等高性能航空金属结构材料及特种涂层激光熔化沉积制备与成形研究进展J金属热处理，2008，33（1）：82-852. 张永忠，石力开， 章萍芝.稀有金属材料与工程J. 2000，29（6）：3
21、61-365.3. 杨楠，杨洗陈激光熔覆中金属粉末粒子与激光相互作用模型J光学学报，2008，28(9)：1745-17504. Juansethi Ramss Ibarra Medina. Development and application of a CFD model of laser metal depositionD. the University of Manchester, 20125. Wendt, J.FComputational fluid dynamics: an introduction. 3rd ed.M. Springer-Verlag. Berlin.2009.
22、6. Esi-Group, CFD-ACE+ V2010.0 User manualM. ESI Group: Huntsville, 2010.7. Bourdin, E., Fauchais, P., and Boulos, M., Transient heat conduction under plasma conditions. J International Journal of Heat and Mass Transfer, 1983.26(4): 567-582.8. Pfender, E., Particle behavior in thermal plasmas. J Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1989. 9(1): 167-194.9. Liu, C.Y. and Lin, J., Thermal processes of a powder particle in coaxial laser cladding. J Optics and Laser Technology, 2003. 35(2): 81-86.致 谢这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意!
