CoCrNi 粉末 / AISI 4140 基板 · 1100 mm/min · 612–1404 W · 2026-10-07 14:31

熔池模型的三项修正:表面活性元素、网格与粉末入池

612 W 的瞬态算例(med 网格,σ 取 Thermo-Calc 的 TCFE15 表)给出的熔池偏浅偏宽:深宽比 0.130(冷态估计 0.140),实测 0.186。分析仿真过程,找到三个误差来源:

  1. Thermo-Calc 的表面张力表没有计入表面活性元素(氧 O、硫 S)在液面上的吸附,导致 dσ/dT 只在 1850–1926 K 的窄窗内为正(计入硫的吸附后,约 2048 K 以下都为正),以至于 612 W 的表面流以向外为主、把熔池摊平,而实测需要向内的流动把熔池加深约 35%。
  2. 熔池液面附近的网格虽已加密(沿扫描方向 24 µm,横向与竖向 12 µm),对表面流仍不够细,导致表面流速偏低约 26%,表面流汇合处的下沉流量损失约 83%。
  3. 粉末从自由面加入,与实际颗粒落到液面以下约 50–200 µm 才熔化不符,使液面富粉(f 中位 0.419,体相约 0.30),导致液面的硫含量偏小(约 52 对 63 ppm)。

0 三项修正一览

修正问题证据现状
一表面活性元素TCFE15 表没有吸附项,612 W 液面流以向外为主只含基板硫、无可调量的表在稳态模型中复现四个功率的形状变化(流动因子 1.351、1.144、0.740、0.688,实测所需 1.35、0.99、0.72、0.61)所有算例已改用硫表;瞬态在较粗网格上仍未加深
二网格med 液面附近 24 × 12 × 12 µm,表面流偏慢,汇合处的下沉解不出来汇合流方腔:沿面 12.5 µm、竖向 4 µm 的格形液面速度与参照(已收敛)差 −3.4% ± 1.8%(热侧)、−7.2% ± 3.0%(冷侧)生产算例 G4 B′ 在工作站上算(125 → 300 ms,约 8 天)
三粉末入池粉末质量加在自由面,液面富粉,成分差引起的表面张力梯度反推表面流只有硫的瞬态液面 f 中位 0.419,体相约 0.30待修正

1 修正一:表面活性元素(氧、硫)

本节的模型结果出自稳态随动坐标模型(S 模型):随光斑移动的坐标系里求定常解,自由面按实测冠道固定;与瞬态模型同物性、同光斑、同送粉规则。几何一律经实验侧同一个量法函数(0822 曲线)。

1.1 现象:截面随功率由抛物线形变为平底陡壁

四个功率的实测截面
功率熔宽 W / µm熔深 D / µmD/W饱满度 A/(W·D)肩深比 d(W/4)/D壁深比 d(0.4W)/D
612 W974.2181.50.1860.6630.7460.341
792 W1363.9245.30.1800.7480.8440.567
1188 W1929.7284.60.1470.8070.9120.645
1404 W2213.2290.50.1310.7980.8580.655
抛物线 / 半椭圆0.667 / 0.7850.750 / 0.8660.360 / 0.600

612 W 与抛物线重合;792 W 起两壁变陡;1188、1404 W 比半椭圆更满。深宽比随功率由 0.186 降到 0.131。

1.2 流动的净作用:由加深变为摊平

同一面积下只解导热(关掉流动),深宽比随功率上升;实测的深宽比随功率下降。实测深宽比与同面积只导热深宽比之比,即实测所需的流动因子(大于 1 为流动使熔池加深):

功率实测 D/W只导热 D/W(同面积)所需流动因子
612 W0.1860.1381.35
792 W0.1800.1820.99
1188 W0.1470.2050.72
1404 W0.131约 0.2160.61
高功率熔池变平来自流动,不来自导热;而 612 W 需要流动把熔池加深约 35%。流动的方向必须随功率翻转。

1.3 流动方向由变号温度 Tc 决定,Tc 由基板的硫决定

氧、硫吸附在液面最外一层,压低 σ;升温使它们脱附,σ 回升,所以低温段 dσ/dT > 0,直到变号温度 Tc。dσ/dT > 0 的液面被拉向热的中心,< 0 的被拉向外。两种元素里,决定 Tc 的是基板的硫,不是粉末的氧:氧只随粉末进来(成分单 420 ppm,全部溶解时熔体中有 100–180 ppm),而按氧、硫同时吸附的文献式,液面溶解氧到 50 ppm 时 dσ/dT 已处处为负,液面只会向外流,612 W 的熔池不会加深;由实测的截面形状反推,液面溶解氧只有 0–15 ppm(1.6 节)。硫只来自 4140 基板(S 0.009 wt%,即 90 ppm),被粉末稀释为 90·(1 − f) ppm;功率越高粉末占比 f 越大、硫越少,Tc 随之下降。

四层链:T_c 与液面温度,液面上的径向拉力,流动因子

功率越高 → 粉越多(f 增大)→ 硫越少 → Tc 越低。与此同时液面温度大幅升高,两者合起来,液面高于 Tc 的份额就变大了。(a) Tc 随液面成分与溶解氧(文献组合式),圆点为各功率只有硫算例的液面成分(f 中位)及其 Tc;(b) 液面温度的分布:纵轴为液面上温度低于 T 的面积份额,圆点为各功率的 Tc;(c) 液面上的径向拉力:热毛细的向内、向外分别求和,成分差(CCN 对 4140)一项另列,TCFE15 表对只有硫的表;(d) 流动因子随功率。(b)、(c) 只给份额与拉力之和,不给位置;位置见 1.4 节的液面图。

612 W 的液面大部分低于 Tc,整片被拉向中心;1188、1404 W 的热核高于 Tc,液面外圈向内、内圈向外,在 Tc 等温线那一圈汇合下沉,形成平底陡壁。

1.3 附 Tc 的计算过程

先算不含氧、硫的干净表面张力 σclean,再减去氧、硫吸附在液面上造成的压低。σ 随温度先升后降,最高点(dσ/dT 由正转负)即 Tc。常数全部取自文献,没有为本熔池调过的量。

σ = σclean(f, T) − ΓORT ln 1 + KOaO + KSaS1 + KSaS − ΓSRT ln 1 + KOaO + KSaS1 + KOaO

Γ 为饱和吸附量,K 为吸附平衡常数,a 为活度,R 为气体常数(8.314 J/(mol·K))。此式即 Small, Sahoo & Li 1990 的式 (8),由 Gibbs 吸附等温式与两种溶质争同一批表面位的 Langmuir 吸附积分得到;原式第一项是纯溶剂的 σ,这里换成不含氧、硫的本熔体的 σclean。Chia, Wang & Yan 2023 在增材熔池模型中用的也是此式(其式 (10))。只有硫时(aO = 0),式子化为 Sahoo, DebRoy & McNallan 1988 的单一溶质形式 σ = σclean − ΓSRT ln(1 + KSaS)。

量取值出处
干净金属:σclean
σclean多组元 Butler 方程:各组元在表面层与体相之间平衡;表面层的偏摩尔过剩 Gibbs 能取体相式的 β = 0.75 倍方程的写法:Tanaka & Iida 1994;β 与 Costa 2014 相同。本项目 P1 的自算代码已复现 Costa 2014、Tanaka & Iida 1994、Choe 2014 的计算
过剩 Gibbs 能Muggianu 外推:GE = Σi<j xixj Σk Lij(k)(xi − xj)k,即各二元的 Redlich–Kister 项直接相加;x 取多元熔体中的摩尔分数,不加三元项Costa 2014 式 (35)(Redlich–Kister–Muggianu 模型)
二元参数 LijCo–Cr、Cr–Ni、Co–Ni:Costa 2014 表 1;Fe–Cr:Choe 2014 表 3;Fe–Co、Fe–Ni:Tanaka & Iida 1994 表 3P1 的自算代码
摩尔体积 V、摩尔表面积 AV:Tanaka & Iida 1994 表 2;A = 1.091 NA1/3V2/3Tanaka & Iida 1994 表 2、式 (2)
纯 Fe、纯 Ni1.94 − 3.50×10⁻⁴ (T − 1808)、1.77 − 3.11×10⁻⁴ (T − 1728) N/mXiao & Brillo 2022 表 3(电磁悬浮,O < 0.003 at%)
纯 Co1.884 − 0.37×10⁻³ (T − 1768) N/mCosta 2014 表 1(座滴法)
纯 Cr1850 K 时 1.4202 N/m,斜率 −0.544 mN/(m·K)水平按 Xiao & Brillo 2022 表 3 的 8 个干净 Fe–Cr、Ni–Cr 合金拟合;斜率 Chung 1992
熔体成分等原子 CoCrNi 占 f,4140 按 Fe–1Cr(质量分数)占 1 − fP1 的成分规则(4140 的 Mn、C、Si、Mo 并入 Fe)
氧:ΓO、KO、aO
ΓO2.03×10⁻⁵ mol/m²Sahoo, DebRoy & McNallan 1988 表 III(Fe–O)
KOk·exp(−ΔH°/(RT)),k = 0.0138,ΔH° = −146.3 kJ/molSahoo, DebRoy & McNallan 1988 表 II(Fe–O)
aO[%O],不作 Cr 修正Lee, Yamamoto & Morita 2005:1823 K 下 σ 与 [%O] 的关系几乎不随 Cr(0–30%)变
液面溶解氧只有硫的表取 0;下图另取 5、15、50 ppm实际值未知;粉末的氧(成分单 420 ppm)全部溶解时为 420·f ppm,见 1.6 节
硫:ΓS、KS、aS
ΓS6.7×10⁻⁶ mol/m²Su, Li & Mills 2005(304、316、430 不锈钢的均值)
KSln KS = 28798/T − 8.5647,即 k = 1.91×10⁻⁴,ΔH° = −239.4 kJ/molSu, Li & Mills 2005 式 (7),不锈钢实测拟合;对 Brooks & Quested 2005 的检验见 1.7 节
aShS·[%S],lg hS = −0.011 [%Cr] + 0.0026 [%Co](Ni 项为 0)Sigworth & Elliott 1974 表 I
硫含量90·(1 − f) ppm;粉末不含硫4140 质保书 S 0.009 wt%;粉末成分单未列硫
液面成分与 Tc 的取法
f只有硫算例液面(顶层全液相格)f 的中位:612 W 0.254、792 W 0.205、1188 W 0.375、1404 W 0.389稳态算例;即 1.3 节图 (a) 的圆点
Tcσ(T) 在 1740–2700 K 每 2 K 取值,差分求 dσ/dT,取由正转负处(线性插值)sigma_ads_model.py 的 tc_of
σ 随温度先升后降,最高点即 T_c

(a) 612 W、1404 W 只有硫算例的液面成分。低温时硫占住表面层,σ 比干净值低 0.26 N/m(612 W,1771 K);升温使硫脱附,σ 回升,到 2500 K 只差 0.014 N/m。回升与干净 σ 本身的下降相抵处即最高点 Tc:612 W 2060 K,1404 W 2017 K。(b) 612 W 的液面成分再加氧:Tc 降到 2047 K(5 ppm)、2011 K(15 ppm);50 ppm 时 σ 随温度一路下降,没有 Tc。

1.4 612 W:从硫到熔深(只换 σ 表的一对稳态算例)

TCFE15 表对只有硫的表,同为 η 0.395、同一网格与自由面。

两张 σ 表

σ(T) 与 dσ/dT(f = 0.3232)。TCFE15 表只在 1850–1926 K 为正;只有硫的表在约 2048 K 以下为正。

液面温度

液面温度:TCFE15 表最高 2108 K,只有硫的表 2189 K。

热毛细力

热毛细力的方向:dσ/dT > 0 的液面,TCFE15 表占 20%,只有硫的表占 79%。最高温点后方的合力(热毛细 + 成分差,向内为正):TCFE15 表 −25 Pa(向内的面积 37%),只有硫的表 +118 Pa(86%)。

液面流速

液面流速:向内流动的液面份额 TCFE15 表 27%、只有硫的表 74%。

对称面上的环流
熔池底与竖直流速

只有硫的表:最高温点后方 0.20 mm 处下沉最强(液面下 60 µm 处 194 mm/s),熔池最深 216 µm 正在那里;TCFE15 表最高温点下方为上升流(9 mm/s),池底平、最深 146 µm。

面积对上的截面
只换 σ 表,612 W 熔深 146 → 216 µm。面积对上(η 0.375)时,只有硫的表熔深 183 µm、熔宽 1035 µm、深宽比 0.177(实测 181.5、974.2、0.186);TCFE15 表为 146、1140、0.128。

1.5 四个功率:没有可调量的检验

只有硫的零参数检验
功率所需流动因子只有硫的表TCFE15 表饱满度:实测 / 只有硫肩深比:实测 / 只有硫
612 W1.351.3510.9010.66 / 0.630.75 / 0.71
792 W0.991.1440.6600.75 / 0.700.84 / 0.76
1188 W0.720.7400.6330.81 / 0.770.91 / 0.90
1404 W0.610.6880.6210.80 / 0.740.86 / 0.86

只有硫的表(σ 表中 S = 90·(1 − f) ppm、液面溶解氧为零,吸附常数取自文献,没有为本熔池调过的量)给出流动作用随功率由加深到摊平,以及截面由抛物线形到平底陡壁的转变;TCFE15 表在 612 W 方向相反。

1.6 氧不是主因

氧只随粉末进来(成分单 420 ppm,按 f 进入熔体,全部溶解时 100–180 ppm)。氧和硫同时吸附时,两者争夺同一表面层;按文献的组合式(Small, Sahoo & Li 1990),含硫熔体里加氧,Tc 下降,50 ppm 起正斜率段消失(下表为四个功率液面成分下的 Tc)。本项目早先自拟的组合式(「从氧到熔深」所用的 sh 表)给出相反的趋势,已不用。

液面上的氧组合式Tc / K(612 / 792 / 1188 / 1404 W 液面)
0(只有硫)文献式2060 / 2076 / 2022 / 2017
15 ppm文献式2011 / 2031 / 1961 / 1955
50 ppm文献式无正斜率段 / 无正斜率段 / 无正斜率段 / 无正斜率段
420·f(粉末的氧全溶)自拟式(sh,已不用)2207 / 2190 / 2253 / 2259
420·f(粉末的氧全溶)文献式无正斜率段 / 无正斜率段 / 无正斜率段 / 无正斜率段
  • 按自拟式让粉末的氧全溶(sh 表),612 W 加深(流动因子 1.325,所需 1.35),但 1188 W 也加深(1.043,所需 0.72):跨功率不成立。
  • 由液面受力平衡反推,形状只容许液面溶解氧 0.0–13.4、11.3–15.2、0.0–2.0、2.3–4.9 ppm(612、792、1188、1404 W),远低于全溶的 100–180 ppm:粉末的氧大部分不以溶解态停在液面上,以 CO 离开,或以氧化物留下(下图)。
粉末氧的去向

1.7 稳健性检验

  • 硫的吸附常数。本项目取 Su, Li & Mills 2005(不锈钢实测拟合):对奥氏体不锈钢,dσ/dT 在 29 ppm 变号、60 ppm 时 +0.116 mN/(m·K)(Brooks & Quested 2005 实测 44 ppm、+0.106)。换成 Sahoo 1988 的纯 Fe–S 常数(变号在 104 ppm),612 W 不再加深(流动因子 0.855)、1188 W 摊平过头(0.541):两端都对不上。
  • 网格。近表面 12 µm 加密到 6 µm:612 W 流动因子 1.409 → 1.401,1188 W 0.733 → 0.722。
  • 光斑宽度。光斑窄三分之一(r₀ 480 µm)也能对上深宽比,但饱满度随功率为 0.70、0.759、0.652,不单调,1188 W 成抛物线形;铭牌光斑下与实测同向。光斑的实际分布待烧斑纸确定。
  • 涡黏度。稳态模型补上脉动对动量的输运(νt = Sct·Dt,Sct 取 0.1,四个功率统一标定,在湍流常用的 0.5–1 之外)后,四个功率的熔宽、熔深、面积与实测之差:612 W 熔宽 +8.2%、熔深 −2.9%、面积 +3.1%;792 W 熔宽 −0.3%、熔深 +6.0%、面积 −1.7%;1188 W 熔宽 +3.3%、熔深 +1.6%、面积 −0.6%;1404 W 熔宽 −1.0%、熔深 +6.1%、面积 −0.6%。

1.8 现状

稳态与瞬态的算例都已改用只有硫的表。瞬态在较粗的网格上仍不加深:612 W 热态深宽比 0.132(冷态 0.139);把表面张力按名义成分查(去掉成分耦合)仍为 0.137(冷态 0.148)。两个模型之差除表面张力表外另有他项,修正二、三针对其中两项。

结论以「本熔体对硫的吸附与不锈钢相近」与「粉末不含硫」(成分单未列)为前提;最终的判定是含已知硫量的 CoCrNi–Fe 熔体的表面张力实测。

2 修正二:网格

详细的检验见网页「液面流动的网格分辨率」:v3.ded-surface-flow.pages.dev。

  • med 的网格。液面附近沿扫描方向 24 µm、横向与竖向 12 µm。热毛细方腔算例按三档网格外推,竖向 12 µm 使表面流速偏低约 26%;09-18 认为「解析不了马兰戈尼边界层、流速低 384 倍」,已于 09-19 被否定,边界层厚度在 1.8 格下就准到 1%。
  • 要紧的是汇合处的下沉。两股表面流在液面温度约等于 Tc 的那一圈汇合、下沉,把热送到池底。汇合流方腔(竖向 4 µm,以沿面 10 µm 为参照)中,沿面 50 µm 时热侧液面速度 −52.5%、液面下 48 µm 的下沉流量 −96.9%;25 µm 时 −2.6%、−83.4%;12.5 µm 时 +3.3%、−31.2%(各 5 份快照的均值,起伏大)。
  • G4 网格。液面附近沿面 12.5 µm、竖向 4 µm;10 ms 长时段中液面速度与参照差 −3.4% ± 1.8%(热侧)、−7.2% ± 3.0%(冷侧)。G4 的第一次生产在 141.27 ms 失效:表面流汇合处卷入的气在熔池里成了气泡,周围生出虚假流动,一格一步升温到 5000 K(Fluent 的温度上限)。
  • 曲率平滑。卷气来自界面曲率的估算误差引起的寄生流。打开 Fluent 的曲率平滑后,方腔 10 ms 内液面下的弥散气为 6.4×10⁻¹⁶ m³,不平滑时 7.0×10⁻¹⁵ m³(比值 0.09)。
  • 现状。生产算例 G4 B′(G4 网格 + 曲率平滑(2 遍) + VOF Courant 0.1,125 → 300 ms,215 544 步)在工作站上算,约 8 天。它回答的问题是:网格加细后,用只有硫的表的 612 W 瞬态能否加深。

3 修正三:粉末入池

  • 问题。瞬态模型把粉末质量加在自由面的界面格上,CoCrNi 在液面上生成:只有硫的 612 W 瞬态液面 f 中位 0.419,体相约 0.30;稳态模型的等效扩散把液面混到体相(液面 f 0.24–0.29)。
  • 后果。富粉处 σ 低,成分差引起的表面张力梯度(溶质马兰戈尼应力)与热毛细应力反向:同一瞬态液面上热毛细应力 −77.6 Pa(向内)、溶质应力 +48.7 Pa(向外),合 −28.9 Pa。
  • 真实的粉末。按颗粒尺寸(15–53 µm)与落速估计,承载大部分质量的颗粒在液面以下约 50–200 µm 处才熔化;若粉末只混入液面 20 µm 一层,液面 f 高出体相 0.124,正是瞬态的值。瞬态很可能夸大了液面富粉。
  • 上限。把表面张力按名义成分查、完全去掉成分耦合,612 W 瞬态仍不加深(热态深宽比 0.137)。所以这一项修正对熔深的作用有限,主要影响液面与冠顶的成分。
  • 计划。让粉末在液面以下释放的瞬态算例;实验上,冠道竖向的 EDS 线扫描可直接判别冠顶是否富 Co、Cr、Ni。

4 需要实验给的

  • 工作距离 15 mm 处的烧斑纸:定下光斑大小与分布(1.7 节光斑一条)。
  • 冷却后截面的 EDS 面扫描与冠道竖向线扫描:检验成分图,判别液面是否富粉(修正三)。
  • 沉积层的氧、硫、碳含量(惰气熔融、燃烧法)与粉末的硫含量:检验「粉末的氧大部分不留在液面」与「粉末不含硫」(1.6 节、1.8 节)。
  • 冠顶 SEM:氧化物聚在中线附近还是偏离中线的一圈,检验液面汇合的位置随功率的变化。
  • 含已知硫量的 CoCrNi–Fe 熔体的表面张力实测(长期)。