Почему происходит разбрызгивание порошка при жидкостной порошковой наплавке: физические модели и данные рентгеновского анализа.

Феликс Ли | Генеральный директор Forgecise Опубликовано 25 июля 2026 г.

Сводка результатов поиска

Почему при лазерной порошковой послойной обработке (LPBF) происходит разбрызгивание металлического порошка? Разбрызгивание металлического порошка происходит из-за того, что мощные лазеры испаряют металл, создавая быструю струю пара (>100 м/с). Эта струя втягивает окружающий защитный газ аргон, создавая силы всасывания и давления, которые увлекают, поднимают или запускают отдельные частицы. В зависимости от положения частиц и воздействующих на них сил, порошок движется четырьмя способами: Режим отдачи, Режим синхронизации, Режим высоты, и Режим выброса. Когда частицы, находящиеся в воздухе, попадают под воздействие лазерного излучения, пар отталкивает их вниз в расплавленный жидкий слой со скоростью ~10 м/с — опасное явление, известное как Ныряние в пухляк.

1. Практический контекст и точка зрения автора

В ForgeciseНаша команда ежедневно работает над устранением дефектов в печатных металлических компонентах. Образование пустот, неполная сварка и шероховатая поверхность обычно вызваны одним фактором, вызывающим сбои: Разбрызгивание пороха и обнажение.

Для устранения разбрызгивания необходимо анализировать события, происходящие в микросекундном (мкс) и микрометровом (мкм) режимах. Порошковый слой представляет собой быстро движущуюся физическую систему, в которой встречаются поток жидкости, фазовые переходы и тепловое излучение.

В данном анализе рассматривается основополагающая статья, опубликованная в Аддитивное производство (Том 35, 101362, 2020) Сюсяо Ли, Цан Чжао, Тао Сунь и Венда Тан (Университет штата Юта и Аргоннская национальная лаборатория), озаглавлено:

«Выявление переходного взаимодействия порошка и газа в процессе лазерного спекания порошкового слоя с помощью многофизического моделирования и высокоскоростной синхротронной рентгеновской визуализации».

Сочетание высокоскоростная синхротронная рентгеновская визуализация с Двумерная многофизическая модельВ этой работе показано, почему металлический порошок перемещается, поднимается, разбрызгивается или падает прямо в расплавленную ванну.

2. Метаданные исследования и основные выводы

Вот точные справочные данные для этого исследования:

Атрибут	Подробности
Заголовок	Выявление переходного взаимодействия порошка и газа в процессе лазерного спекания порошкового слоя с помощью многофизического моделирования и высокоскоростной синхротронной рентгеновской визуализации.
Авторы	Сюсяо Ли, Цан Чжао, Тао Сун, Венда Тан
Учреждения	Кафедра машиностроения, Университет Юты; Центр передовых фотонных исследований, Аргоннская национальная лаборатория
Журнал / Год	Аддитивное производствоТом 35, статья 101362 (2020)
Материальная система	Порошковый слой из сплава Ti-6Al-4V в атмосфере аргона (Ar).
Первичные методы	Унифицированный метод вычислительной гидродинамики (CFD) + отслеживание границы раздела слоев методом уровня множеств + лагранжево отслеживание частиц + высокоскоростная синхротронная рентгеновская визуализация
Ключевые термины	LPBF, разбрызгивание пороха, взаимодействие пороха с газом, струя пара, унос аргона, давление отдачи, движение при погружении пороха.

Основные открытия:

Газовое сопротивление приводит в движениеДвижение порошка обусловлено сопротивлением газа, создаваемым всасыванием аргона, которое происходит за счет быстрых струй паров металла. Это происходит не под действием прямого давления фотонов лазера.
Четыре режима движенияДвижение порошка подразделяется на четыре различные категории в зависимости от преобладающих сил: Отдача, Вовлечение, Высота, и Изгнание.
Ныряние в пухляк: Летящие частицы, пораженные лазерным светом, испаряются сверху, вызывая отдачу, которая уносит их в расплавленный бассейн со скоростью $\sim 10\text{ м/с}$.

3. Последовательность действий: как воздействие лазера вызывает разбрызгивание.

Отследить разбрызгивание пороха можно пошагово, в рамках физической цепочки:

[High-Power Laser Hit]
         │
         ▼
[Rapid Local Heating & Melting (Ti-6Al-4V)]
         │
         ▼
[Boiling Point Surpassed]
         │
         ▼
[Vapor Jet Ejection + Recoil Pressure]
         │
         ▼
[Depression Zone / Keyhole Forms]
         │
         ▼
[Pressure Drops & Sucks In Shielding Gas]
         │
         ▼
[Aerodynamic Drag Pulls Loose Powder]
         │
         ▼
[4 Powder Modes: Recoil, Entrainment, Elevation, Expulsion]
         │
         ▼
[Spatter Lands / Powder Dives → Defects Form]

Когда лазерный луч направляется на слой порошка толщиной 20–60 мкм, локализованная энергия быстро испаряет металл. Пар поднимается вверх со скоростью в сотни метров в секунду. Этот быстрый поток создает зону низкого давления, которая втягивает окружающий аргон. Внутренний поток аргона действует как пылесос, увлекая находящийся рядом рыхлый порошок прямо к зоне расплава.

4. Полная математическая формулировка

Ли и др. создали полную модель, охватывающую твердую подложку, рыхлый порошок, жидкий расплав, газ и отдельные движущиеся зерна. Вот 10 основных математических формулировок из их модели.

4.1 Поток массы, импульса и энергии

Данная модель обрабатывает жидкий металл на низких скоростях и газ на высоких скоростях в рамках единой системы вычислительной гидродинамики (CFD).

1. Сохранение массы (непрерывность):

$$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0$$

Где $\rho$ плотность жидкости и $\mathbf{u}$ скорость.

2. Закон сохранения импульса (Навье-Стокса):

$$\frac{\partial (\rho \mathbf{u})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u} \mathbf{u}) = -\nabla p + \nabla \cdot \boldsymbol{\tau} + \rho \mathbf{g}$$

Где $p$ статическое давление, $\boldsymbol{\tau}$ вязкое напряжение, и $\mathbf{g}$ Это гравитация.

3. Энергосбережение:

$$\frac{\partial (\rho E)}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{u} (\rho E + p)) = \nabla \cdot (k \nabla T)$$

Где $E$ это полная энергия (внутренняя плюс кинетическая), $k$ это теплопроводность, и $Т$ это температура.

4.2 Твердое торможение: сила сопротивления Дарси

Чтобы предотвратить текучесть твердых участков подобно жидким, команда добавила Сила сопротивления Дарси ($\mathbf{F}_D$) к уравнению импульса:

4. Уравнение Дарси:

$$\mathbf{F}_D = -\mu \cdot C(T) \cdot (\mathbf{u} — \mathbf{u}_s)$$

Где $\mu$ — это динамическая вязкость жидкого металла. $C(T)$ является зависящим от температуры коэффициентом (высоким в твердых телах, равным нулю в жидкостях), и $\mathbf{u}_s$ скорость твердого тела ($\mathbf{u}_s = \mathbf{v}_p$ внутри порошка, $\mathbf{u}_s = 0$ (в твердой подложке).

4.3 Отслеживание границ: метод уровня множеств

Граница раздела между металлом и газом меняется каждую микросекунду.

5. Уравнение отслеживания уровня множества:

$$\frac{\partial \phi}{\partial t} + \mathbf{u} \cdot \nabla \phi = 0$$

Где $\phi$ — это функция расстояния ($\phi > 0$ внутри металла, $\phi < 0$ в газе, $\phi = 0$ на границе).

4.4 Движение частиц (лагранжево трекинг)

Каждое отдельное зернышко пороха отслеживается как твердое тело, на которое действуют сила сопротивления воздуха, гравитация и удары других зерен.

6. Трансляция частиц:

$$m_p \frac{d\mathbf{v}_p}{dt} = \mathbf{F}_{gas} + m_p \mathbf{g} + \mathbf{F}_c$$

Где $m_p$ масса частицы $\mathbf{v}_p$ скорость, $\mathbf{F}_{gas}$ сопротивление газа поверхности $S_p$, и $\mathbf{F}_c$ Это сила контакта при столкновениях.

7. Вращение частиц:

$$I_p \frac{d\boldsymbol{\omega}_p}{dt} = \int_{S_p} \mathbf{r} \times d\mathbf{F}_{gas}$$

Где $I_p$ момент инерции, $\boldsymbol{\omega}_p$ — это угловая скорость, и $\mathbf{r}$ — это расстояние от центра масс.

8. Разделение потока при сопротивлении:

$$\mathbf{F}_{gas} = \mathbf{F}_p + \mathbf{F}_\tau = \int_{S_p} (-p \mathbf{n} + \boldsymbol{\tau} \cdot \mathbf{n}) dA$$

Где $\mathbf{F}_p$ является сопротивление давления и $\mathbf{F}_\tau$ является сопротивление трения вдоль поверхности частиц.

4.5 Состояние газа и поведение потока

Температуры варьируются от 298 К до более чем 3000 К. Предположение о постоянных значениях газов приводит к огромным ошибкам в расчетах.

9. Уравнения плотности и вязкости аргона:

$$\rho_g = \frac{p}{R_{Ar} T}$$$$\mu_g = \mu_0 \left(\frac{T}{T_0}\right)^{3/2} \frac{T_0 + S}{T + S}$$

Где $R_{Ar}$ является газовой постоянной для аргона, $\mu_0$ динамическая вязкость при эталонной температуре $T_0$, и $S$ является ли Сазерленд постоянной?

Число Рейнольдса для частиц ($Re_p$):

$$Re_p = \frac{\rho_g |\mathbf{u}_g — \mathbf{v}_p| d_p}{\mu_g}$$

Расчетное значениеГорячий газ вблизи струи снижает плотность $\rho_g$ и повышает вязкость $\mu_g$. Это приводит к значению $Re_p \approx 10$. Это доказывает, что поток газа вокруг порошка остается в заданном диапазоне. ламинарное промежуточное граничное состояниеа не полная турбулентность или простое течение Стокса.

4.6 Сравнение тепловой энергии

10. Конвективный нагрев против прямого воздействия лазерной энергии

Модель проверяет числа Нуссельта (Nu), чтобы определить, нагревает ли газ порошок во время полета: $$Nu = 2 + C \cdot Re_p^m \cdot Pr^n \quad \implies \quad h_{conv} = \frac{Nu \cdot k_g}{d_p}$$$$q_{conv} = h_{conv} (T_\infty — T_p) \approx 10^6 \text{ Вт/м}^2$$

Прямое лазерное излучение обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии: $$q_{laser} \approx 10^9 \text{ Вт/м}^2$$

НахождениеПлотность энергии лазера ($10^9\text{ Вт/м}^2$) составляет в 1000 раз выше чем конвективное тепло горячего газа (10⁶ Вт/м²). Конвекция горячего газа практически не играет роли в плавлении порошка. Поглощение лазерного света приводит к поверхностному плавлению и кипению.

Энергия, необходимая для плавления зерна порошка ($Q_{melt}$):

$$Q_{melt} = \frac{1}{6} \pi d_p^3 \rho_s \left[ c_s (T_L — T_0) + \Delta H_f \right]$$

Где $\rho_s$ — это плотность твердого тела. $c_s$ удельная теплоемкость $T_L$ точка ликвидуса, и $\Delta H_f$ Это теплота плавления. Прямое поглощение лазерного излучения расплавляет частицу за десятки микросекунд.

5. Четыре режима движения порошка

Ли и др. разделили движение порошка на четыре основных режима на основе местных сил:

                            [Laser Beam]
                                 │
                                 ▼
                 ┌───────────────┴───────────────┐
                 │   High-Speed Vapor Jet Core   │
                 └───────────────┬───────────────┘
                                 │
       ┌─────────────────────────┼─────────────────────────┐
       ▼                         ▼                         ▼
[RECOIL MODE]            [EXPULSION MODE]          [ELEVATION MODE]
(Direct Beam)           (Vapor Jet Core)          (Jet Boundary)
• Recoil Pressure       • High Pressure Drag      • Upward Pressure Drag
• Pushes Downward       • High Friction Drag      • Vertical Lift
• Rapid In-Pool Melt    • Fast Oblique Launch     • Low Angle Ejection
       ▲                         ▲                         ▲
       └─────────────────────────┼─────────────────────────┘
                                 │
                         [ENTRAINMENT MODE]
                         (Outer Inflow Area)
                         • Low Pressure Sink
                         • Inward Argon Suction

Таблица сравнения режимов движения

Режим	Основной источник сил	Схема потока газа	Траектория и скорость	Качественный эффект
1. Режим отдачи	Давление отдачи пара ($p_{recoil}$)	Прямой лазерный луч попадает в верхнюю часть частицы.	Толкнул вниз в бассейн в течение десятков мкс	Быстрое плавление или нарушение поверхности
2. Режим вовлечения	Сила внутреннего сопротивления ($\mathbf{F}_p$) + сила трения ($\mathbf{F}_\tau$)	Паровая струя всасывает окружающий аргон.	Вытащил горизонтально в направлении лазера (1–3 м/с)	Очищает порошкообразный слой вокруг рельсов.
3. Режим определения высоты	Вертикальное трение + градиент давления	Внешний слой сдвига на краю паровой струи	Поднят вертикально вверх под крутыми углами	Настройка состояния для разбрызгивания или ныряния
4. Режим выброса	Сопротивление высокого давления + Сопротивление трения	Ядро быстрой струи пара (>100 м/с)	Выстрелил под углом на высокой скорости ($\sim 10\text{ м/с}$)	Создает отложения и пустоты от холодных брызг

Подробная информация по каждому режиму.

Режим 1: Режим отдачи

МеханикаЭто происходит, когда лазерный луч попадает непосредственно на рыхлый порошок. Испарение с верхней поверхности выбрасывает пар вверх, создавая сильную реактивную силу отдачи, направленную вниз.
Шкала силСила отдачи варьируется от $10^{-3}\text{ Н}$ до нескольких Ньютонылегко преодолевая сопротивление газа (10⁻⁵–10⁻³ Н).
РезультатЧастица погружается в расплавленный слой и растворяется за 20–50 мкс.

Режим 2: Режим синхронизации

МеханикаБыстрые струи пара поднимаются вверх и втягивают находящийся поблизости аргон внутрь.
Шкала силСуммарное сопротивление составляет примерно 10⁻⁵ Н.
Результат: Рыхлый порошок вокруг лазерной траектории смещается внутрь, к бассейну. Это образует зоны обнажения (зоны денудации) вдоль напечатанных дорожек.

Режим 3: Режим определения высоты

МеханикаЗахваченная частица достигает края паровой струи, где газ движется быстрее с одной стороны, чем с другой.
Шкала силСила восходящего сопротивления составляет около $10^{-4}\text{ Н}$.
РезультатЧастица плавно поднимается вертикально вверх над слоем порошка.

Режим 4: Режим выброса

МеханикаЧастица проникает в центр парового шлейфа, блокируя быстрый поток газа. Давление на передней поверхности нарастает, а за ней образуется зона низкого давления. Трение на поверхности еще больше ускоряет движение частиц.
Шкала силОбщее сопротивление достигает $10^{-3}\text{ Н}$.
РезультатЧастица с огромной скоростью (примерно 10 м/с) проносится на большие расстояния, оседая на холодном порошке в виде брызг.

6. Многорежимные последовательности и ныряние в пухляк

Зерна пороха переключаются между режимами во время полета.

Путь 1: Стандартная последовательность разбрызгивания

Режим вовлечения (горизонтальное скольжение) Режим подъема (вертикальный подъем) Режим выброса (быстрый запуск)

Маршрут 2: Последовательность прыжков в пухляк

$$\text{Режим синхронизации} \longrightarrow \text{Режим подъема} \longrightarrow \text{Лазерный луч} \longrightarrow \text{Взрыв паровой отдачи} \longrightarrow \text{Высокоскоростное пикирование}$$

   [Laser Beam] ──┐
                  │ (Direct or Reflected Light)
                  ▼
         ● Floating Powder Grain (Elevated)
         │
         ├── Top Surface Evaporates Instantly
         │
         ▼ [Massive Downward Recoil Force]
         │
         │  (Velocity ~10 m/s Downward)
         ▼
~~~~~~~~~🌊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   [Melt Pool Surface Waves & Turbulence]
~~~~~~~~~🌊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Механика погружений с использованием порошковых материалов:

Захваченная частица поднимается в лазерный луч или улавливает яркий свет, отраженный от стенок лазерного отверстия.
Верхняя поверхность поглощает излучение ($q_{laser} \approx 10^9\text{ Вт/м}^2$) и мгновенно закипает.
Быстрое испарение с поверхности приводит к выбросу пара вверх, в то время как частица с силой опускается вниз.
Направление роста волокон меняется, и въезжает в талую воду на скорости, близкой к $\sim 10\text{ м/с}$.
Влияние качестваПопадание в бассейн со скоростью 10 м/с поднимает поверхностные волны, нарушает равновесие в замочной скважине и задерживает нерасплавленные, покрытые оксидами включения глубоко внутри твердого металла.

7. Сравнение силовых шкал

Вот как распределяются силы, действующие на движущиеся зерна порошка в процессе лазерной порошковой наплавки:

Force Magnitude (Log Scale)
  ▲
  │  10^0 N  ├─────────────────────────────── Peak Recoil Force (Direct Laser Hit)
  │          │
  │  10^-3 N ├─────────────────────────────── Expulsion Drag Force (Vapor Core)
  │          │
  │  10^-4 N ├─────────────────────────────── Elevation Drag Force (Jet Boundary)
  │          │
  │  10^-5 N ├─────────────────────────────── Entrainment Drag Force (Argon Inflow)
  │          │
  │  10^-7 N ├─────────────────────────────── Particle Gravity (mp * g) [Negligible]
  └──┴───────┴───────────────────────────────► Physical States

Table of Contents

Сводка результатов поиска