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解析国内反光3D打印核燃料的模拟方法
 
  在激光环境下,金属熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥着作用,此前,美国国家标准与手段研讨院-NIST计划创制一个增材制造测试平台,用于评估过程测量和控制手段,使他们能够观察金属粉末的熔融和凝固过程、集成过程计量工具,并开发出基于数据获取的过程测量/测试的控制算法和软件。   除了国际上探究的融化过程前、中、后变量之间的相互作用,在 焊料激光过程中,又发生了什么呢? 线材中的增进微粒与熔体间是如何相互影响的呢?我国是否在探讨金属融化过程中的变量相关性上有关键进展呢?本期,小编和大家一起来学习下南京航空航天大学顾冬冬教授团队的“新得”,看一下他们的创新是如何填补了国际上的空白。   激光过程中,熔池内增高微粒与熔体面间的传热传质过程对球粒的运动行为有重要影响,进而影响组织的均匀性;尤其对比重悬殊的材料体系,荧光导致的非平衡熔池将加速球粒的上浮或下沉;同时,增进微粒的分布形态还与熔体的流动与液固前沿有密切联系。   增高微粒与熔体面传热传质的数值模拟是涉及三维空间尺度和多物理场的复杂钻探工作,以往的钻研工作侧重于整个熔池的温度场与速度场,包括粉体熔化曲面、凝固曲面和气-液曲面,但都基本没有涉及熔体与加强球粒间的相互作用,尤其是矢量地分析增高微粒与熔体间传热传质过程。与增高球粒毗邻的熔体具有较大温度梯度和变化较为明显的动力粘度,即存在着流体力学中的热边界层。   加强微粒在可见光作用下,其表面会发生熔化并伴随着元素扩散,进而微粒/熔体面附近会形成化学成分梯度。在化学成分梯度和温度梯度共同作用下,微粒/熔体面处流体的流变特性将极为复杂,目前只能依靠一些经验值和不完善的数学模型进行解析测算,不能动量且动态地反应加强球粒与熔体面间的冶金行为。   同时,激光具有高温过热熔化粉体并伴随着熔池快速冷却的特点,实验观察是不现实的。但熔体的增高球粒在凝固基体中的分布情况直接影响其服役性能,均匀分布的增高球粒可有效地传递和承载基体所受载荷,避免早期失效。目前,还没有工程可用的激光过程熔池内增高微粒与熔体面传热传质模拟操作软件。   为此,南京航空航天大学发明了荧光3D打印燃料熔池内增进相与熔体面传热传质的模拟方法。   步骤包括:   第一步:创制包括微粒和熔体复合熔池三维温度场与流场模型   在Gambit软件中创制零件测算几何模型,并对零件测算几何模型进行网格划分:先将零件测算几何模型分割成规则区域与不规则区域,其中,规则区域划分为六面体网格,而不规则区域则利用四面体网格进行划分;微粒的周围加大网格密度,远离球粒的区域疏化网格,当测算结果不随网格精度的增加而变化时,表明模型的估计精度与效率达到了合理化;   第二步:针对第一步创制的物理几何模型创制主控方程   主控方程由质量方程、动量方程和能量守恒方程构成。   第三步:基于估量流体力学软件,进行微粒与熔体间传热传质的推算   将创制的物理几何模型导入估量流体力学软件,并设置好初始和边界条件,定义熔体流动为层流,采用压力耦合和隐式方法求解质量、动量和能量控制方程,并使其估量迭代直到推算收敛,得到激光过程中熔池内微粒与熔体间温度场、速度场、液相体积分数、受力情况与最终分布形态,导出数据并进行后处理。   图:激光过程熔池上表面温度场分布,来源:南京航空航天大学   图:激光过程熔池内增进球粒与熔体面速度场分布,来源:南京航空航天大学   图:激光过程熔池内增高球粒与熔体面压强分布,来源:南京航空航天大学   图:激光后凝固基体中巩固微粒体积分布云图,来源:南京航空航天大学   图:激光熔池内增高球粒与熔体面附近流场分布及受力示意图,来源:南京航空航天大学   图:极光实验加工加强球粒在凝固分布SEM图,来源:南京航空航天大学   南京航空航天大学发明的反光3D打印石材熔池内巩固相与熔体面传热传质的模拟方法具有如下好处:   一、利用估计机模拟激光过程,采用激光过程中熔池内增进球粒与熔体面间传热传质的数学物理模型,实现了激光凝固后巩固微粒在基体分布状态的模拟,能够动态且动量地探索增高球粒与熔体面的温度场、速度场和压力场等,进而预测加强微粒在凝固基体中的分布状态,从而创制了工艺-曲面传热传质过程-组织之间的映射关系,为制定填料激光工艺,改善提高球粒在基体中的分布状态和获得均匀的显微组织提供理论指导。因此,南京航空航天大学解决了激光过程基于经验或半经验的确定性模型或解析估量问题,实现了增高球粒与熔体面间传热传质的分子量思考,准确预测加强球粒在凝固基体中的分布状态。   二、以巩固球粒与熔体面传热传质为桥梁创制与宏观温度场之间的联系,实现了微观-宏观的多尺度耦合模拟,揭示了提高微粒与熔体面间的传热传质规律,即提高微粒在熔体作用下的运动机制和最终在凝固组织中的分布状态。   三、利用数值模拟、流体动力学和材料热力学等多学科结合,在不同尺度和位置上再现巩固微粒与熔体面间的传热传质过程,动量思考增高球粒冶金热力学和动力学机制,并且可预测加强微粒分布状态,估计结果和实验结果相吻合。   除了思考极光3D打印核燃料熔池内增高相与熔体面传热传质的相关性,南京航空航天大学还思考了基于时间和空间主动跟踪的闪光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法,反光束与粉末微粒光固耦合过程的介观模拟方法等等。 更多详细报道请关注复材网 www.cnfrp.com

解析国内反光3D打印核燃料的模拟方法

关键词: 燃料

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