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摘要
了解复杂的多相相互作用对于减少金属基复合材料增材制造中的缺陷至关重要 。 在本研究中 ， 我们提出了一个高保真模型 ， 以揭示AM过程中熔池和增强固体颗粒的动力学 ， 使用具有双向动量和能量交换的解析计算流体动力学和离散元方法（CFD-DEM） 。 我们的模型通过元素粉末共混物制备的钨-铜复合材料的电子束熔炼（EBM）实验进行了验证 。 结果表明 ， 界面效应 ， 包括动态润湿现象和拉普拉斯压力 ， 在增强固体颗粒的动力学中起着重要作用 。 另一方面 ， 熔池中强化固体颗粒的存在改变了熔池的尺寸 ， 并改变了熔融过程中的流场 。 虽然界面效应导致钨颗粒在单轨表面聚集 ， 但具有适当层厚的分层沉积方案消除了团簇 ， 并促进了钨在致密块状样品中的均匀分布 ， 这表明AM能够实现增强固体颗粒在金属基体中的自发分散 。 这项工作提供了有关金属基复合材料AM过程中多相动力学的前所未有的详细信息 。
图形摘要
1 介绍
金属基复合材料（MMC）由金属基体（延展性和韧性）和增强相（高强度和刚度）的特性组成 ， 具有优异的机械和功能特性 ， 如优异的耐磨性、可控的热膨胀系数和良好的抗侵蚀性 。 由于所展示的优势 ， 近几十年来 ， 金属基复合材料在航空航天、电子和其他高附加值行业得到了显著发展 。 金属基复合材料的传统加工技术主要包括液态（例如铸造和液态渗透）和固态（例如粉末冶金）加工 。 遗憾的是 ， 采用这些传统方法仍然难以制造出经济、高质量的金属基复合材料产品 。
显示了微压缩下多晶样品中非基底变形机制的TEM分析 。 a、亮场TEM图像显示嵌入镁基体中的SiC纳米颗粒 。 b、 a中突出显示的区域的高分辨率TEM图像显示位错（以黄色表示） ， 位错终止于以c中的快速傅立叶变换表示的区域轴为方向的晶粒中棱锥面上的层错 。 加载方向和棱锥方向之间的角度约为30° 。
粉末熔化金属增材制造（AM）技术 ， 如选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）和直接能量沉积（DED） ， 已成为有效制造具有复杂结构和用户定义功能的金属产品的有力工具 。 通过AM技术制造高性能和近净形状MMC零件的这些优势引起了越来越多的关注 。 然而 ， 制造过程中的复杂多相动力学直接影响竣工零件的微观结构和机械性能 ， 目前的实验研究尚不清楚 。
金属打印的现状 。
最近 ， 已经实施了超快成像技术 ， 例如高速光学成像和超快x射线成像 ， 以观察熔融过程中的瞬态动力学 。 然而 ， 由于成像系统的限制 ， 增强颗粒的瞬态运动仍然难以实现 。 另一方面 ， 数值模拟正成为揭示AM中多相动力学的有力工具 。 在各种数值方法中 ， 计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）在再现AM过程中的中尺度现象方面尤其成功 。 以前的研究主要应用离散元来研究粉末扩散过程[ ， 生成的粉末层进一步转移到CFD模型中 ， 以模拟粉末床融合过程 。 已经成功再现了广泛的现象 ， 例如熔池流动、未熔合、球团效应、小孔孔生成和液体飞溅 。 然而 ， 无论是CFD还是DEM都不能独立阐明熔融过程中的多相相互作用 ， 这推动了AM的CFD-DEM耦合模型的发展 。
在本研究中 ， 提出了一种结合双向动量和能量交换的解析CFD-DEM耦合模型 ， 以揭示增强固体颗粒和熔池的耦合运动 。 我们的模型通过钨-铜元素粉末混合物的电子束显微镜实验进行了验证 。 通过模拟和理论分析 ， 以前所未有的细节阐明了强化固体颗粒和熔池流动的瞬态动力学 。 基于对熔池-固体-颗粒相互作用的理解 ， 提出了一种实用的制备策略 ， 以消除钨颗粒团聚并获得致密的大块样品 。 据我们所知 ， 这是第一份在MMC AM过程中清晰再现增强固体颗粒和熔池动力学的报告 。
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