颗粒与熔滴碰撞过程数值模拟及气流磨粉体性能研究

增材制造用金属粉末需具备纯净度高、球形度好、粒径分布集中、氧含量低等特点，金属熔体气体雾化工艺是制备金属粉末的重要方法之一。该方法制备的粉末常常伴随明显的卫星粉现象，即小颗粒在大颗粒表面的粘附现象。这种现象会降低粉末的流动性，从而影响基于送粉与铺粉工艺的金属增材制造过程。通过气流磨工艺对所制得的金属粉末进行后处理，可以有效地控制卫星粉。

采用开源计算流体力学软件 OpenFOAM 中的 multiphaseInterFoam 模型对颗粒与熔滴碰撞过程进行数值模拟，模拟出颗粒与熔滴发生融合与分离两种不同行为的碰撞过程。基于成功算例不断改变密度、粘度等参数，推导出颗粒与熔滴碰撞后发生融合与分离行为的临界动力学条件，计算出相应的雷诺数与韦伯数并建立两者之间的定量关系。该部分研究结果表明：雷诺数与韦伯数之间呈现负相关性，两者之间的关系可以使用反比例函数与指数函数进行良好的拟合。基于该关系，即可通过给定参数来判断颗粒与熔滴之间是否发生融合或分离，也可以通过给定除速度外的参数来估算颗粒与熔滴之间刚好发生分离的临界动力学条件。

对气体雾化 IN718 重合金粉末应用气流磨工艺，通过调节气流磨工艺参数（压强）处理出具有不同粒度粒形特征的粉末，再将不同粒度粒形特征的粉末通过激光粉床熔融工艺制备出不同性能的 3D 打印成形件。定量表征粉末性能与成形件间的相关性，分析出粉末特性对 3D 打印成形件性能的影响。进一步总结出气流磨工艺对粉末特性及 3D 打印成形件性能的影响。同时，针对不同粉末性能进行工艺参数优化，找到最优的工艺参数组合，以此来有效消除粉末卫星粉现象，提升粉末性能。

该部分研究结果表明：气流磨压强对成形件的高温屈服强度有极强正相关，对维氏硬度有极强负相关，对其他打印件性能的相关性较弱。

对 AlSi10Mg 轻合金粉末应用气流磨工艺，通过调节气流磨工艺参数（压强、时间）处理出具有不同粒度粒形特征的粉末。小数据集较难获取粉末性能随工艺参数组合变化的规律，因此借助插值与机器学习算法，通过预测估计的方式提高了原始数据的分辨率。该部分研究结果表明：粉末性能与工艺参数组合并非单调递增或递减的简单关系，因此在工艺参数优化过程中需要考虑数据极值而非变化趋势，通过选取粉末性能的前百分位来获得较优的工艺参数组合区间。

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