摘要：东北大学和莆田学院的科研人员报道了熔池热对流模式及其在倾斜基板上定向能量沉积（DED）过程中的演化规律研究。相关论文以“Heat and convection pattern of the melt pool generated by DED on tilt
长三角G60激光联盟导读
东北大学和莆田学院的科研人员报道了熔池热对流模式及其在倾斜基板上定向能量沉积（DED）过程中的演化规律研究。相关论文以“Heat and convection pattern of the melt pool generated by DED on tilt surfaces”为题发表在《Physica Scripta》上。
在定向能量沉积（DED）过程中，熔池内的对流演化机制至关重要，尤其是倾斜基板上的熔池行为较水平基板研究更为缺乏。本研究通过建立综合计算流体动力学（CFD）模型，耦合传热传质、表面张力及重力驱动对流等多物理场，系统探究了不同倾斜角度下熔池的动态特性。研究发现当基板倾斜角在60°至90°区间时存在临界阈值，熔池主导对流模式会从马兰戈尼驱动转变为重力驱动流动，这将显著影响沉积层高度与形貌特征。具体表现为：沉积层高度在倾斜角60°以内逐渐降低，但当基板接近垂直取向时又再度增加。此外，基板倾斜会改变蒸发模式与流体流动行为，进而影响熔池温度梯度与张力梯度分布。该研究为优化复杂几何工况下的DED工艺提供了理论依据，对提升倾斜表面沉积质量具有重要指导价值。
图1.计算域配置示意图
图2.不同基板旋转角度设置方案
图3.仿真与实验结果对比（激光功率：750 W，扫描速度：8 mm/s⁻¹，送粉速率：12 g/min⁻¹）
图4.基板不同旋转角度下的宏观形貌
图5.t=0.01s时刻温度场与对流模式
图6.t=0.05s时刻温度场与对流模式
图7.t=0.1s时刻温度场与对流模式
图8.t=0.15s时刻温度场与对流模式
图9.t=0.2s时刻温度场与对流模式
图10.基板顺时针旋转30°时的沉积层形貌
图11.基板顺时针旋转60°时的沉积层形貌
图12.基板顺时针旋转90°时的沉积层形貌
图13.熔池对流模式对表面隆起的影响机制
图14.重力与流体驱动对流对沉积层几何特征的调控作用
图15.阻力系数D0的敏感性分析（水平基板工况）
图16.准稳态熔池的蒸发特性
图17.熔池表面蒸发区域的迁移规律
为揭示倾斜表面DED熔池动力学特性，本研究构建了倾斜基板DED数值模型，系统研究了不同倾角下熔池对流的演化规律及准稳态熔池的成形机制，并对比分析了基板倾角对熔池表面蒸发效应的差异化影响。主要结论如下：
（1）在工艺参数恒定的条件下，当基板从水平状态逐渐转为垂直状态时，沉积层高度呈现先降后升的非单调变化：倾斜60°时沉积高度从690.946μm降至615.916μm，而倾斜90°时又回升至689.473μm。这表明在60°至90°倾角区间存在沉积层高度变化的临界阈值，该阈值标志着沉积层高度由递减转为递增的转折点。这一发现具有重要工程意义——当倾角低于临界阈值时，马兰戈尼对流是熔池动力学的主导机制，导致沉积层高度降低；超过该阈值后，重力驱动流动转变为支配性机制，使沉积层高度增加。该认知对倾斜表面DED工艺优化具有指导价值，可确保构件成形质量的稳定性。
（2）熔池内部对流演化可归纳为梯度诱导的马兰戈尼流与重力诱导的传导流。研究表明：在基板倾斜情况下，马兰戈尼流始终主导大部分流动形态，且其强度随倾角增大而增强；当倾角超过60°并向90°过渡时，重力主导的传导流逐渐占据优势，并压缩马兰戈尼对流的作用范围，促使沉积层形貌从扁平化向饱满化转变。这种对流模式的转变会显著影响沉积层的几何特征与微观组织——表面张力梯度驱动的马兰戈尼流通过将流体推向凝固边界而使沉积层扁平化，而重力驱动流则使熔融金属在底部堆积形成更厚的沉积层。掌握该动力学规律可实现沉积过程的精准控制，尤其适用于对几何精度与组织结构有严苛要求的应用场景。
（3）虽然表面蒸发导致的质量损失几乎可忽略不计，但随着基板倾角增大，蒸发区域会从激光作用点逐渐前移。这是由于马兰戈尼主导的熔池流动将激光辐射点附近的高温流体带向凝固边界，传导大量热能所致。当基板接近垂直状态时，重力主导的流动向前边界推进，阻碍高温流体流动，致使高温区域逐渐回撤至激光辐射点，蒸发区位置随之同步后移。
最大蒸发速率出现在30°倾角工况，且蒸发区域随倾角增大从顶面向前面迁移。尽管蒸发质量损失相对于金属粉末喷射量微不足道，但蒸发与基板倾角共同导致的对流模式改变仍会影响熔池温度分布，进而调控温度梯度与表面张力梯度，最终诱发对流模式的转变。理解这些效应对减少缺陷、提升成形质量至关重要。
综上，本研究确定了60°至90°的临界阈值倾角，该角度标志着沉积层高度由递减转为递增的转折点，这一发现对非水平面DED工艺优化具有重要指导意义。随着倾角增大，熔池对流模式将从马兰戈尼主导转变为重力主导，该转变会显著影响沉积层的最终形貌与性能特征，为倾斜表面DED工艺参数调整提供了理论依据。熔池表面蒸发特性与基板倾角密切相关，通过优化激光参数与送粉参数来调控这些效应，可有效提升成形质量。
论文链接：
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
