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上海交通大学特种材料研究所增材制造团队题为“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a newcoupled simulation model”的论文在材料加工领域高水平期刊Materials Design上发表。
该研究建立了多相流与离散相耦合模型，将数值模拟技术和粉末表征实验相结合，解释了气雾化制粉工艺过程中空心粉、卫星粉以及异形粉的形成机理，并基于此提出了相应的气雾化工艺及装备优化策略。本期谷.专栏，将推这一研究成果进行分享。
论文链接：doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110264
研究成果解析
论文主要使用ANSYS-FLUENT流体仿真软件中的多相流模型（VOF）和离散相颗粒模型（DPM），基于耦合的方式对气雾化工艺进行全过程模拟，分析了金属熔体的剪切、初次破碎、二次破碎、冷却凝固等过程（图1）。
图1.论文的图形摘要
由于研究对象是粉末缺陷，缺陷的尺度在微米级别，所以计算网格必须足够细。为了解决以上问题，论文采用了基于金属相体积分数梯度的自适应网格方法，在保证计算精度的同时提高了计算效率。通过模拟，解析了金属粉末以及缺陷的形成过程，结合运动学和动力学分析给出了各类缺陷形成的原因。研究表明，空心粉可以形成于初次破碎和二次破碎阶段。
图2.初次破碎空心粉形成过程
初次破碎阶段，气液交互作用使得界面处出现了开尔文-霍姆赫兹不稳定效应，产生卷气行为，形成了大量的气泡，该气泡部分进入到破碎的液滴中，导致空心粉产生（图2）；二次破碎阶段液滴的行为和韦伯系数相关，不同韦伯系数下液滴将会产生不同的的破碎行为，当韦伯系数在175到375之间时，其剪切破碎中极易产生空心粉，仿真和粉末表征实验验证了这一现象（图3）。
图3.二次破碎空心粉形成过程
仿真结果表明，不规则形状粉末主要产生在液滴冷却与凝固阶段。这个过程中，液滴被充分加速，气液的速度差导致了作用于液滴的曳力，和液滴自身的表面张力综合作用使得液滴发生变形，从而最终凝固形成不规则粉末（图4）。
图4.异形粉形成过程
在卫星粉形成机理方面，论文通过数值仿真和理论推导发现：二次破碎后不同粒径液滴的飞行速度不同，大液滴飞行速度小于小液滴；小液滴的冷却速度更快。当小液滴撞上大液滴时，并，会发生粘附，形成卫星粉（图5）。
图5.卫星粉形成过程
基于以上分析结果，论文最后给出了抑制缺陷的工艺措施，包括合理使用二级雾化喷嘴，合理布置喷嘴位置，以及控制气体温度等。研究结果对于指导气雾化制粉工艺优化、提升增材制造粉末质量具有重要意义。论文受到国家自然科学基金 (52075327，52004160)、上海市自然科学基金(20ZR1427500)、上海市扬帆计划（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大专项(Z2020001)等经费的资助。
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