粉床增材过程刮刀驱动下的颗粒流动行为探讨

【作者】 刘其鹏； 高月华； 楚锡华； 张昭； 刘征； 陈玉华；

【机构】 南昌航空大学； 武汉大学； 大连理工大学；

【摘要】 粉床熔融增材已成为当前最具商业化潜力和实用价值的金属增材制造技术。作为该工艺的第一环节,铺粉及所得粉床质量显著影响后续熔融过程以及最终产品的成形质量和精度,因此研究并掌握颗粒铺展过程的流动行为及其影响因素十分必要和重要。针对该问题,近期开展了一些研究工作,主要有:研究了刮刀几何、刮刀材料特性对铺粉行为及粉床质量的影响规律和机理,明晰了铺粉过程中粉堆内颗粒的典型流动模式及其随工艺参数的变化规律和机理。研究发现:(1)刮刀几何方面,相比于传统垂直刮刀,倾斜刮刀改变了作用力大小和方向,增强压实作用并促使粉堆内颗粒运动更为充分,有益于沉积层的致密度和均匀性;将刮刀前方局部改进为圆形得到了比倾斜刮刀更优的铺粉效果,且增大圆形半径进一步提升粉床致密度,但对均匀性影响不大。(2)刮刀材料方面,与硬刮刀相比,软刮刀的本质特点在于它的粘粉效应,黏附粉末在大、小大间隙下分别表现为"保持"和"更新"模式,该效应引发了"有效间隙高度"的定义与表征,大间隙下黏附粉末形成的粗糙表面会增强刮刀的拖拽效应从而降低沉积质量,小间隙下软刮刀提供了更加柔和稳定的作用力从而提升沉积质量。(3)流动模式方面,粉堆颗粒的整体流动模式主要表现为"环流"和"泄流"两种,二者在铺粉过程中呈交替发生态势,降低间隙高度、增大铺粉速度、以及增大刮刀倾角均会增强环流模式减弱泄流模式;基于颗粒运动学和动力学特征构建两个量化指标,对相关变化机理给出了详细分析和解释。这些研究工作为铺粉过程颗粒动力学行为的深入理解以及工艺参数的进一步优化提供了有益参考。更多还原