Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

想象一下这样一个世界：一台机器就能制造出一个外层坚硬耐磨、内层韧性且具有柔性的零件，且整个过程连续不断。这就是被称为激光金属沉积技术的愿景。在这个过程中，高功率激光熔化被吹入微小熔融金属池中的金属粉末，直接根据数字设计逐层构建组件。多年来，工程师们一直利用这种方法制造由单一金属类型的零件。然而，现实世界很少如此简单。例如，涡轮叶片可能需要在顶端承受极端高温，同时在靠近基座处保持柔韧；医疗植入物可能需要一个能与骨骼良好结合的表面，以及一个能支撑重载的核心。为了满足这些需求，科学家们长期以来一直尝试在打印过程中混合不同的金属。挑战始终在于控制：如何将两种不同的粉末混合得如此完美，使它们在熔化之前就瞬间且均匀地混合在一起，而不会出现一种粉末偏离航线或聚集成团的情况？

来自中国南昌大学的一个研究小组通过设计一种新型喷嘴解决了这个问题，这种喷嘴是负责将金属粉末导向激光束的装置。他们没有在进入机器前的料斗中预先混合粉末，而是采用了新设计，让两种不同的粉种在最后一刻才保持分离。他们制造了一个双通道同轴喷嘴，本质上是一个“管中管”的结构。内管输送一种金属粉末，而外环输送另一种。两股流体同时向同一个点发射。其目标是观察这两股由于重量和形状不同而自然表现出差异的独立流体，是否可以在撞击熔融金属之前，被强制汇聚并均匀混合。

为了确定构建该喷嘴的最佳方式，研究人员首先求助于计算机模拟。他们创建了一个气体和粉末流动的虚拟模型，以测试不同形状和角度对流体的影响。他们发现，管道的大小和指向的角度至关重要。如果管道太宽，粉末会过度扩散并失去聚焦。如果角度不对，两股流体可能会错过彼此，或者在不同的距离处汇合，导致混合效果混乱。通过这些模拟，他们确定了内通道应倾斜70度，外通道为60度，且两根管子的直径均为0.8毫米。他们还计算出，内管出口应位于距离喷嘴中心3毫米处，而外管应距离内管仅1毫米。他们发现，这些特定的尺寸能创造出最紧凑、最集中的粉末汇合点。

一旦计算机模型得到优化，团队便制作了一个物理原型喷嘴并进行了测试。他们选择了三种截然不同的金属来测试该设计能否应对挑战：一种名为TC4的钛合金、钼和铜。这些材料在密度和形状上差异巨大。钛和钼粉末几乎是完美的球形，而铜粉末则是不规则且锯齿状的。研究人员利用高速摄像机观察粉末从喷嘴中飞出的过程。画面显示，尽管存在差异，两股粉末流仍共同飞行，并在空间中的精确位置相遇。当他们混合钛和铜粉末时，金属独特的颜色让他们能够实时观察混合情况。银灰色的钛与红褐色的铜在汇合点无缝融合，没有任何一方层叠在另一方之上或聚集成独立堆积物的迹象。

为了证明这种混合在实际制造环境中的有效性，研究人员使用该喷嘴制造了一个样品件。他们通过内通道输入钛合金，通过外通道输入钼，从而制造出一个高10层的单道轨迹。零件建成后，他们将其切开并在显微镜下观察横截面。结果非常清晰：钼均匀地分布在整个结构中，就像钛一样。没有出现表明一种金属沉到底部或浮到顶部的暗斑或亮斑。这证实了粉末在熔化前已在空气中充分混合，形成了一种两种不同材料的均匀混合物。

这项研究表明，通过精确设计粉末流的路径，可以将不同的金属输送到激光束中，并实现完美的混合，而无需预先混合。这种方法为制造具有定制特性的复杂组件提供了更高水平的控制。研究人员展示了，只要具备正确的喷嘴几何结构，重、轻、圆或锯齿状粉末之间的天然差异就不会成为障碍。相反，这些差异可以被管理，从而生产出一种结合了其成分优点的、一致且高质量的材料，为未来开发更先进、更具适应性的金属零件开启了大门。