引用论文:
孙一卓，张磊，林峰，等. 液浮粉末床激光增材制造过程温度研究[J]. 电加工与模具，2024（4）：55-60.
DOI: 10.3969/j.issn.1009-279X.2024.04.009
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1选题依据
2研究方案
3研究内容
激光作用过程为先加热再冷却的过程，粉末和成形件经历了固-液-固的转变，模型主要分析目标为在晶粒形核生长的冷却阶段，因此，为简化计算规模，对液相熔池阶段进行简化，忽略相变和熔池对流过程。液态锡在模型中流动可忽略，也简化为固体考虑。模型简化为固体传热过程。
1.2 物性参数
粉末床导热系数可通过计算得到，根据Hsu的颗粒材料导热系数模型，粉末床有效导热系数Kp包含自由流体辐射传热Kfrr、粉末颗粒核心传热Kcore、粉末颗粒接触传热Kcontact三部分：
自由流体辐射传热部分计算如下：
粉末颗粒核心传热Kcore部分计算如下：
式中：Ks为固体导热系数；Φ为与另一个颗粒接触的平坦表面分数（等于平坦的表面面积除以颗粒的横截面积），当颗粒无接触时，Φ=0，当完全接触时，Φ=1；B为颗粒的变形参数，当粒子是球体时，B=1，当粒子是长针状时，B＜1，当粒子是桶状体时，0＜B＜∞。
粉末颗粒接触传热部分计算如下：
Ks，contact为固体接触传热系数：
当Φ＞0.01时，Ks，contact在数值上接近Ks。实际粉末床情况中Φ较为复杂，简化为两球体弹性接触问题。
1.3 激光热源
通过粉末床的能量流，其公式如式（14）所示：
式中，λ为粉末床光学厚度，表示为λ=βZpd，并且β为粉末床的消光系数、Zpd为粉末床厚度；ξ为无量纲的局部深度坐标，表示为 ξ=βZ。
在粉末床厚度为30 μm的情况下，经上述计算可得：约50%能量被粉末层吸收，约20%能量被基底吸收。因此，在后续模型计算中将激光吸收率设为70%。
1.4 边界条件
在介观模型的模型上表面设置强制对流换热和向环境辐射条件。模型分析目标为极短时间内的瞬态温度变化，而激光输入的热量传递到边界需要一定的时间，因此，在足够短的时间内，在激光热量对边界产生影响之前，可将侧面和底面边界视为绝热边界。可通过增加模型的尺寸，增加模型计算中可视为边界绝热阶段的时长。在边界有明显温升后，绝热条件可能会导致计算所得的温度较实际更高、温度梯度更小。
1.5 几何模型和网格
将扫描区域设为3 500 μm×450 μm（图2），激光沿着长边按蛇形扫描5条扫描线（图3），总激光作用时间为25 ms。总高度设为3 000 μm，分为表层厚度30 μm的粉末和下层的成形件，外侧包围厚度为450 μm的粉末或锡液。扫描区域左下角设为原点，激光从点（45，45，0）开始按蛇形轨迹扫描。
粉末层厚度设为20 μm，锡液层厚度设为2 275 μm。经收敛性分析，网格划分如图4和图5所示，网格最小单元为0.88 μm，时间步长为0.01 ms。
根据表2结果，可发现在同一深度液浮情况下温度差比传统的大。其原因为锡液导热性能比成形件实体更好，激光热量在锡液中往下传导速度比在成形件内部更快。因此在一定深度下，锡液温度会比成形件更高，即成形件处于被锡液包裹加热的状态，如图6所示。
2.2 冷却速度
在使用液浮技术打印获得的成形件内，观察到了平均晶粒尺寸为5 μm，如图7所示。相较于传统LPBF技术获得的晶粒尺寸（20~120 μm）更细小，与计算结果对应。
4结论
作者简介
第一作者：孙一卓，1999年生，男，硕士。
团队简介
关 于 期 刊
《电加工与模具》（CN 32-1589/TH、ISSN 1009-279X）创刊于1966年，是中文核心期刊和中国科技核心期刊，现由苏州电加工机床研究所、中国机械工程学会特种加工分会主办，主要报道电火花加工、电化学/电解加工、激光及高能束加工、增材制造（3D打印）、超声及复合加工等特种加工以及模具制造领域的设计研究成果、工艺应用技术、使用维修经验、产品开发信息和行业发展动态等。
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编 辑：马中月
