清华和新加坡大学研究流体流动，如何影响金属3D打印中的枝晶生长

南极熊导读，金属3D打印的发展速度极快，随着该技术的发展，人们已发现，晶粒结构对打印结果的各项参数有着深远的影响。

2022年5月31日，清华大学和新加坡国立大学的研究人员，正在研究流体流动对金属3D打印零件机械性能的影响。

△钴钐铜合金中3D枝晶结构的SEM成像

对于激光粉末床融合等金属3D打印技术，可控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成，对于调整最终晶粒结构至关重要。他们解释这很重要，因为晶粒结构和晶粒尺寸对几乎所有机械性能都有显着影响，包括硬度、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度和冲击强度。

这里面有很多因素和参数会影响，3D打印中新晶粒和枝晶的形成，其中，温度梯度和凝固速度已经被认为是主要的决定因素。然而，根据研究人员的说法，而3D打印中流体流动的影响从未被研究过。

通过CFD模拟树枝状生长
冶金领域的枝晶，是典型的树状晶体结构，随着熔融金属的凝固而生长和传播。就像晶粒尺寸一样，枝晶生长会对金属零件的机械性能产生深远的影响。

为了研究流体流动的影响，研究团队使用计算流体动力学(CFD)模型，来模拟流动液体熔池中枝晶的生长。该模型涵盖了在各种温度梯度和凝固速度下（ 0、0.2和0.4m/s流速），以实现全面性。为了将流体流动与枝晶生长联系起来，团队双向耦合了CFD模型和多网格枝晶发展模型。

该团队还利用实验方法来补充模型，使用激光和电子束对Inconel 718样品进行单轨测试。

随后的数值建模过程，涉及模拟具有不同构建方向和凝固条件的，各种流动条件下的枝晶生长。此外，利用物理实验的流场和温度数据，对熔池尺寸的枝晶生长进行了模拟。

△CFD模拟的枝晶结构

流体流动如何影响枝晶生长？
从结果来看，熔池边界处的温度梯度越高，最高枝晶尖端与冷面之间的距离就越长。

模拟结果表明，流体流动和凝固速度，对金属3D打印中枝晶和新晶粒的形成都有非常显着的影响。效果也与传统铸造工艺中的效果相似。

该团队相信他们的发现，可以为基于温度梯度和凝固速度的成核理论提供有用的见解。最终为金属3D打印过程中，实现更精细的晶粒结构（和机械性能）控制铺平了道路。

△该研究的更多细节可以在题为“流体流动对增材制造中枝晶生长和新晶粒形成的影响”的论文中找到（点我传送门）

△模拟枝晶XZ和YZ截面中Nb分布的比较

金属3D打印制造领域的研究范围广泛而令人震惊。就在本月，来自Tallinn科技大学和 Estonian的研究人员，开了新的技术来解决3D打印可以保障磁芯效率的问题，该团队现在提出了一种基于激光的3D打印工作流程，声称可以产生优于软磁复合材料的磁性。

在其他地方， Virginia理工大学近期与3D打印技术开发商MELD Manufacturing合作，推进了该公司的3D打印摩擦搅拌沉积技术。

随着金属3D打印的发展，该技术除了具备无模化可定制优势外，在打印效率和打印质量上相比传统金属加工工艺均有较为明显的提升，甚至能够完成传统工艺无法制造的高复杂度高精密度零部件的打印，未来，具有无限的发展潜力。