高沉积速率激光定向能量沉积过程中的传热、质量传输与微观组织形成数值模拟

摘要： 在激光定向能量沉积（L-DED）工艺中，通过采用汇聚粉末流、较高激光功率和较大激光光斑，可提高粉末利用率和加工速度。然而目前缺乏L-DED的数学模型。本文建立了三维数值模型，研究316L不锈钢高沉积速率（HDR）L-DED熔池中的质量传输与传热过程。采用流体体积法（VOF）追踪熔池自由表面，利用焓-孔隙法模拟固液相变。通过考虑非均匀粉末喂料速率分布，开发了离散粉末源模型。结果表明该模型能准确预测沉积轨迹尺寸（宽度、高度和稀释深度）。与传统L-DED工艺不同，更高熔覆材料添加量对熔池流体流动和温度分布的影响显著。在填充粉末注入区域可观察到向下质量流，且温度略有降低。基于提取的凝固前沿温度分布和几何特征，计算了凝固条件及沉积轨迹的一次枝晶臂间距（PDAS）。由于高激光能量输入，其温度梯度较低，与传统L-DED相比形成了更粗大的微观组织。模拟结果与实验数据吻合良好。