金属熔体重熔性分析

刘 伟，张永军，甘代伟

( 陕西国防工业职业技术学院, 陕西西安 710302)

金属熔体重熔性分析

刘 伟，张永军，甘代伟

( 陕西国防工业职业技术学院, 陕西西安 710302)

采用数值计算与实验分析相结合的方法，深入研究了金属熔体的断裂、铺展过程及与基体重熔性，结果表明：熔体受自身重力、金属表面张力以及脉冲气压向下压力作用，其中重力和脉冲气压力是促使熔体断裂，脱离喷嘴的作用力，而金属表面张力使得断裂后的熔体逐渐形成圆球形。金属熔体沉积过程依据金属熔体形态特征变化，将整个沉积过程划分为三个阶段：运动、沉积铺展和平衡阶段。当金属熔体沉积在基体上，如果界面温度超过基体的熔点，基体会熔化，形成很好的冶金结合。

金属熔体；基体；重熔性；断裂；铺展。

0 引言

由于早期的3D打印技术采用非金属材料，无法直接制作金属零件，故在生产中通过先制作非金属原型件，再用原型件充当工具、模具的方法来批量制造金属零件[1-3]。这种方法虽然也能对缩短生产周期和降低制造成本一定的作用，但由于较复杂的后续工艺，会造成一定的精度损失。而采用金属材料直接成形金属零件，则可以直接完成CAD模型到金属零件的转换，不受工、模具等的限制，使零件的设计、制造有更好的灵活性[4]。

1 金属熔体断裂过程数值计算模型的建立

图1为位于喷嘴末端部金属熔体的简化受力模型，在此模型中假设熔体的形状为理想球形。熔体受自身重力Fg、金属表面张力Fδ以及脉冲气压向下压力FQ作用，其中重力Fg和脉冲气压力FQ是促使熔体断裂，脱离喷嘴的作用力，而金属表面张力Fδ使得断裂后的熔体逐渐形成圆球形[5]。

图1 金属熔体受力模型

在熔体受自身重力Fg及脉冲气压向下压力FQ的作用下，聚集在喷嘴端部熔体的尺寸会不断增大，直到等于表面张力Fδ产生的阻力时，熔体的直径达到了其最大临界直径，继而从喷嘴端部脱落。其中喷嘴直径不同时，形成熔体直径是不同的[6]。

2 金属熔体成形数值计算模型过程分析

金属熔体沉积过程中形态变化复杂，铺展半径R（t）（图2基板上液固接触线的半径）不断变化，依据金属熔体形态特征变化，将整个沉积过程划分为三个阶段：运动、沉积铺展和平衡阶段[7]。

图2 金属熔体变形示意图

1）运动阶段

运动阶段由于液体表面张力和粘性的作用，金属熔体仍能保持如图2（a）所示的球面性质。金属熔体与基板发生碰撞形成激波，以激波波面（图2虚线）为界，上面是低压区，而受到压缩形成高压区。激波波面未突破金属熔体表面而保持图2.a所示形状。

2）沉积铺展阶段

激波突破金属熔体表面带动液体逐渐沉积，图2.b金属熔体变形生成薄层H是沉积铺展阶段开始的标志，随着喷射的继续薄层不断变大，液固接触线速度为零时金属熔体的半径达到最大。由能量守恒可以推导出最大铺展半径Rmax和R0之间的关系。

式中,

式中，D为 碰撞前金属熔体直径；σ为表面张力；α为前进接触角；1-cosα和分别表征毛细力和碰撞动压力对Rmax的影响。

3）平衡阶段

金属熔体在沉积铺展过程中逐渐凝固，由能量最低原理知金属熔体将趋于平衡。耗散作用使金属熔体的动能和势能变为零，表面能则处于最低的状态。若基板光滑且金属熔体是基板材料的可湿性液体，金属熔体会铺展形成一个等厚液膜，即完全浸润；若基板表而粗糙或者不干净等因素，形成的是不完全浸润，即得到如图2.c所小的形状。平衡态时液固接触线的半径Requ可由下式求得：

式中，θequ为平衡态时的液固接触角。

3 金属熔体与基体重熔性分析

金属熔体良好的冶金结 合是制件获得良好强度的前提，其关键取决 于金属熔体的温度和基板的温度。当金属熔体沉积在基体上，如图3所示。基体的材料属性很重要，如果界面温度超过基体的熔点，基体会熔化，形成很好的冶金结合[8-10]。

图3 基体重熔分析模型

假定熔体温度为Td，基板温度T，熔化温度Tm。流体区域热传导：

固体区域热传导：

界面温度：

Stefa n条件：

式中：X（t）为固液界面（移动边界）。

该解析解可预测初始金属熔体与基板界面的温度。产生融化的温度条件是位移与时间的平方根成正比，获得融化界面的表达式为：

金属熔体与基体的热传递模型可视为两相Ste fan模型，如图4所示。显示了在与基体有良好熔合时，熔体温度的变化情况。当基体和熔体温度在曲线之上，可以确保有良好的熔合，反之，在曲线之下，基体和熔体不会发生重熔[11-12]。

图4 Stefan模型

图5显示了不同基体温度下，金属熔体与基体的重熔性。从金属熔体在不同基体温度时的成形形貌可以看出：基体温度高时（稍低于金属熔点），金属熔体铺展程度较大，铺展后接触角较小，重熔性较好；反正基板温度较低时（室温），金属熔体在基板上铺展程度小，铺展后的接触角较大，重熔性较差。这是因为基板温度越高（金属熔体和基板之间的热量传递较少），传热速率越低，而反过来，基板温度较低，金属熔体的热量很快的的传递给基板，致使熔体还没有铺展很大就凝固，因此铺展程度较小。

当基体温度较高时，其相同熔覆层不同放大倍数SEM图可以看到，当基体加热到一定温度时，与金属熔体已经完全熔合。放大40倍时，金属熔体和基板微观组织一致，放大120倍时，金属熔体和基板之间没有裂纹。可见只要基体加热到一定温度，金属熔体和基体可以很好的熔合。

图5 熔体和基体的重熔

4 结语

在熔体受自身重力及脉冲气压向下压力作用下，聚集在喷嘴端部熔体的尺寸会不断增大，直到等于表面张力产生的阻力时，熔体的直径达到了其最大临界直径，继而从喷嘴端部脱落。金属熔体沉积过程中形态变化复杂，铺展半径不断变化，依据金属熔体形态特征变化，将整个沉积过程划分为三个阶段：运动、沉积铺展和平衡阶段。金属熔体良好的冶金结合是制件获得良好强度的前提，其关键取决于金属熔体的温度和基板的温度。当金属熔体沉积在基体上。基体的材料属性很重要，如果界面温度超过基体的熔点，基体会熔化，形成很好的冶金结合。

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Analysis of molten metal remelting

LIU Wei, ZHANG YongJun, GAN DaiWei
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710302,Shaanxi, China)

Adopt the method of numerical calculation and experimental analysis, further study of the fracture, the spreading process of metallic melts and remelting and substrates, the results showed that the melt under its own gravity, metal surface tension and pulse pressure downward pressure, gravity and gas pressure pulse is melt fracture, from the reaction between the nozzle and the metal surface tension makes melt gradually formed round ball after fracture. Metal melt deposition process on the basis of morphological changes of metal melt, will the whole process is divided into three stages: sedimentary stage movement, sedimentary spreading and balance. When the metal melt deposition on the substrate, if interface temperature above the melting point of matrix, and the substrate can melt, forming a good metallurgical bonding.

metallic melts; substrate; remelting; fracture；spreading

TG249.9；

A；

1006-9658（2017）01-0023-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.007

项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy16-06）

2016-11-18

稿件编号:1611-1579

刘伟（1982—），男，讲师，主要从事机械加工及3D打印方面的工作.