摘要：大尺寸激光粉末床熔融（LPBF）技术因其能够制造复杂大型构件而备受青睐，随着成型尺寸的增大飞溅物残留问题日益凸显，严重影响了成型零件质量稳定性。汕头大学刘子欣博士联合华南理工大学杨永强教授团队与新加坡国立大学闫文韬副教授团队在《Journal of Mater

第一作者：刘子欣

通讯作者：王 迪、Wenjun Ge

通讯单位：华南理工大学、新加坡国立大学

大尺寸激光粉末床熔融（LPBF）技术因其能够制造复杂大型构件而备受青睐，随着成型尺寸的增大飞溅物残留问题日益凸显，严重影响了成型零件质量稳定性。汕头大学刘子欣博士联合华南理工大学杨永强教授团队与新加坡国立大学闫文韬副教授团队在《Journal of Materials Processing Technology》发表最新研究，创新性地将CFD-DPM 数值模拟与超快光学成像下喷射飞溅特征捕捉/粉床飞溅残留模式实验结合，揭示了不同气流速度下飞溅轨迹、残留分布与飞溅捕获率的变化规律及其对成型表面质量与力学性能的影响，该方法可为大尺寸LPBF气流场优化与飞溅带离效果提供直观依据！

该工作系统性地研究大尺寸激光选区熔化（LPBF）过程中，不同惰性气体流速下的飞溅轨迹与残留分布模式，将实际实验数据中的飞溅初始条件引入CFD-DPM 模型，以确保模拟结果的准确性。为了进一步提供深入见解并验证模拟结果，在四组不同气体流动条件下，通过图像处理与统计分析方法，提取了粉床上的残留飞溅模式，尤其关注熔池区域不同距离处的分布特征，实验过程采用大尺寸 LPBF 工艺中具有代表性的 S 形扫描策略。结合模拟与实验结果，系统分析了气体流场、飞溅轨迹与捕获率，从而全面理解不同气体流速下的飞溅行为，并进一步将飞溅行为与成形件的表面质量及拉伸性能建立联系。

图1 模拟与实验验证流程

一、揭示不同气流条件下飞溅喷射特征的差异

飞溅颗粒的喷射速度大小与喷射角由两个速度分量（u，w）决定。液滴飞溅的精确初始速度基于同一组实验获得，其代表性图像如图2所示。在不同气体流速（0.5 m/s, 1.5 m/s, 2.0 m/s 和 2.5 m/s）及逆气流与顺气流扫描方向（SD-A和 SD-W）下，飞溅的喷射速度与角度表现出显著的差异性和特征。这些特征被作为 DPM 模型中颗粒的初始输入，从而复现了多样化的飞溅行为。

图2 不同气流条件下从高速图像中提取的飞溅二维轮廓与速度 (u,v)

二、CFD-DPM模拟流场分布与气流带动下飞溅运动

CFD 模拟结果表明，不同入口气体流速下会形成明显差异的流场，从而进一步决定飞溅颗粒的运动轨迹，并导致残余飞溅分布的差异。具体而言，惰性气体以设定的流速由入口进入成形腔。当气体流速不足时，惰性气体无法覆盖整个基板。由于出口处处于负压状态，靠近出口的气体会因吸力而具有一定速度，但来自入口的气体在到达出口前已损失动量，无法及时输送至出口。相比之下，当气体流速超过 1.5 m/s 时，腔室内即可建立起稳定的惰性气体循环。随着入口气体流速的增加，整体气体速度升高，但其分布形态基本保持相似。

图3 不同气流速度下成形腔X-Z截面的气流速度云图

CFD计算稳定后引入喷射颗粒。图 4 为飞溅颗粒从熔池区域喷射后的轨迹。当气体流速为0.5 m/s 时，气流不足以将颗粒输送至出口，因而相当一部分颗粒下落并堆积在粉床表面。气流速1.5 m/s 时，颗粒的喷射速度处于中等水平，较强的气流场有助于将部分颗粒带至出口，但仍有大量飞溅颗粒沉积在粉床上。当气体流速为 2.0 m/s 和 2.5 m/s 时，颗粒的喷射速度明显更高，这些飞溅颗粒会飞向出口上方的壁面并发生反弹，随后被腔室内的循环气流夹带发生二次循环运动，最终被气流带走或是沉积到粉床上。

图4 不同气流速度下的飞溅轨迹

三、残余飞溅分布特征提取验证模拟结果

为识别和提取残余飞溅颗粒，采用了 Renyi 熵阈值分割方法来提取对表面质量和力学性能有显著影响的大型残余飞溅，取得了较为理想的结果。如图5，经处理后的图像中，残余飞溅以黑色点状或团簇状形式呈现。值得注意的是，大多数残余飞溅集中在 D 区域内，且在四种气体流速下的残余飞溅分布差异显著。

图5 ROI区域的实验图像和后处理图像

仿真结果通过残余飞溅在 A 至 D 区域分布的实验数据得到了验证。如图 6 所示，在四种工况下，实际残余飞溅在D 区域内的累积比例分别为 84.8%, 76.6%, 74.1% 和 66.9%。这一逐渐下降的趋势表明，随着气体流速的增加，飞溅颗粒被推动到远离熔池的位置。在仿真结果中，残余飞溅在 D 区域的比例分别为 75.6%, 70.8%, 69.2% 和 74.4%，其相对误差分别为 10.8%, 7.6%, 6.6% 和 11.2%。

图6 不同气流速度下实验和模拟的残余飞溅数量百分比

四、残余飞溅分布预测与捕获率计算

图7 模拟粉末床液滴飞溅的捕获率 (a) 各区域与熔化区域距离的捕获率；(b)飞溅累计捕获率

如图7所示，随着距熔池区域距离的增加，被捕获的飞溅数量逐渐减少，捕获率也随之降低。在气体流速分别为 0.5 m/s, 1.5 m/s, 2.0 m/s 和 2.5 m/s 的工况下，整个粉床的最终捕获率分别为96.5%, 90.6%, 85.1% 和 78.4%。可见，气体流速越高，捕获率越低。需要注意的是，在本实验 LPBF 工况下，熔化区域边缘与出口之间的距离为270 mm，整个粉床长度为450 mm。在之前优化得到的1.5 m/s高质量成形气速条件下，粉床上的飞溅捕获率仍高达90.6%。这表明，对于大尺寸 LPBF 工艺，仅依靠惰性气体高效带走飞溅是十分困难的，避免残余飞溅尤为具有挑战性。

图8 不同气体流速下的表面质量

图8 显示了在不同气体流速成型下测得的零件表面粗糙度。在1.5 m/s的情况下，表面质量最佳，Sa = 10.8 μm。无论气流较弱还是较强，都会使表面质量变差。图 9a2–d2 所示的三维表面形貌揭示了一些意外的表面波动，其特征表现为部分熔化的粉末颗粒/飞溅残留的痕迹，这些缺陷主要归因于残余飞溅。

研究工作总结

该研究首次在大尺寸LPBF 系统中，利用 CFD-DPM 模拟+ 高速相机实测，量化了气流速度对飞溅运动、粉床污染和零件性能的综合影响，并验证了该方法在飞溅轨迹与落点预测方面的准确性，研究成果为大尺寸增材制造设备的气体循环系统设计和工艺参数优化提供了工程化参考。

原文链接：

参考资料：

[1] Zixin Liu, Yongqiang Yang, Di Wang, Wenjun Ge, Wentao Yan.Spattering trajectory, residing pattern and trap ratio under various gas flow conditions in large-scale laser powder bed fusion: Experiment and simulation[J].Journal of Materials Processing Technology, 2025, 343: 118995.

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟