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通过有限元建模研究激光诱导羽流及激光粉末床熔融（LPBF）中颗粒卷吸的尺度效应

DOI：10.1088/1361-6463/ab5900 期刊：Journal of Physics D: Applied Physics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 尽管在钻孔或焊接等几种激光加工过程中已观察到金属汽化现象，但蒸汽羽流的膨胀及其引发的副作用尚未被完全理解。特别是，由于近期激光粉末床熔融（LPBF）研究发现金属汽化是材料剥蚀和粉末飞溅的主要来源，这一现象正引发科学与工业界的广泛关注。本研究旨在深入揭示激光诱导汽化的动力学机制，并评估不同气体对颗粒夹带的作用潜力。为此，基于全面文献综述建立了激光诱导小孔与羽流的自洽有限元模型。通过高速成像测量蒸汽羽流上升速度的专项实验诊断对该模型进行了验证，从而量化了不同激光入射强度和气流模式（如蒸汽羽流的蘑菇状结构）下的瞬态动力学特征。最终，该模型被用作量化LPBF中夹带流动的工具，并推导出以背景气体特性为变量的颗粒夹带速度阈值解析模型。借此可预测气体环境改变时剥蚀现象的演变规律。
作者： Y. A. Mayi，M. Dal，P. Peyre，M. Bellet，C. Metton，C. Moriconi，R. Fabbro
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为激光诱导汽化动力学提供新见解，并评估不同气体在激光粉末床熔融（LPBF）中携带颗粒的潜力。

研究成果

多物理场有限元模型成功建立了熔池流体动力学与蒸汽喷射之间的关联，为蒸汽羽流动力学及其引发的副作用提供了更深入的认知。该模型展现了蒸汽羽流瞬态形成蘑菇状结构的过程，并描绘出微秒级短暂过渡后蒸汽羽流的线性增长特征。通过与粉末床侵蚀的简易解析模型耦合，该模型实现了激光粉末床熔融工艺中颗粒夹带行为的量化，为颗?？荚硕牧俳缣跫峁┝伺卸ㄗ荚?。

研究不足

当前建模方法仅适用于中等深宽比（深度/宽度<1）的钥匙孔。该模型未集成经典光线追踪算法，也未计算激光电磁场，这可能影响总吸收能量。蒸汽羽流的粘度被假定为恒定且等于背景气体，这可能无法反映实际情况。

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