来源： 黎昂天驰智能科技
南极熊导读：软件计算一直以来都是国内的弱项，包括在3D打印领域。2021年3月16日，南极熊注意到，一家来自华为云西北联合创新中心的公司在金属雾化快速凝固计算方面取得了突破性的进展。由黎昂天驰（Leo-iTech）自主开发的Particle-RS计算工具，基于3类基础研究问题，即雾化颗粒的粒度分布问题，雾化的快速凝固成型问题，以及颗粒的堆积问题能够完成全尺寸雾化粒度分析/模拟P、雾化快速凝固数值计算和颗粒堆积模拟等工作。
金属雾化技术，是目前最主要的工业级金属粉体生产技术，其广泛应用于热等静压(HIP)，增材制造(AM)与金属注塑成型(MIM)等技术。
基本思想是通过将金属熔融至液态，通过其他物理作用将液体分散成一定分布的微小液滴，随后冷却成粉末颗粒并取得。
因而，雾化液滴的凝固过程对该工艺十分关键，直接决定了如下2组基本问题：
● 液滴飞行的时间-速度是如何变化的，液滴何时撞击至边界(通常是雾化室的内炉壁)?
● 液滴在飞行至边界时是否已经凝固？液滴在飞行至边界时的温度是多少,在整个飞行过程中液滴/颗粒的温度又是如何变化的呢?
△图1 雾化飞离的液滴打在壁面时会出现两种情况(1)不粘连，(2)粘连
为回答这2个问题，我们需要讨论这个液滴的的状态函数T(温度)随时间的变化。
按照经典的雾化理论，由于雾化液滴非常小，且金属液固均具有较高的热导，可以认为液滴的温度在任何时候均是处处均衡的，因而1个目标液滴拥有1个随时间t变化的状态函数T(温度)。
依据经典的快速凝固模型，我们清楚，液滴的换热过程可以写为：
在快速凝固过程中，液滴的一些物理属性的变化并不显著(如密度，比热容等)，因而Eq.(1)的主体变化主要体现在h(t)的处理上。依据现有的快速凝固研究，对于球形颗粒的对流换热系数可以近似表述为:
由Re数的定义我们同时清楚有
对于液滴的U(t)，我们知道其在脱离雾化区获得的初始速度U0后，就会在气氛之中由于飞行阻力F的左右而不断减速，其过程可以描述为:
联合Eq.(2)-(5)，就可以对Eq.(1)进行求解，但此时的求解结果是不考虑形核所带来的温度回升过程(再辉与凝固)。若考虑到形核凝固部分，就需要将Eq.(1)修正为：
*若您希望了解详细的求解过程，请参考Particle-RS的用户手册，扫描下方二维码可获得：
可以看到，这个快速凝固求解过程是十分复杂的，我们可以使用Particle-RS(Leo-iTech)来简化这个过程，仅需依据快速凝固模型理论，初设如下4类参数:
● 材料参数：雾化液体的各类物理参数;
○ 密度：包含固相(ρs)和液相(ρg)的密度，g/cm3；
○ 液态表面能：包含液气(γlg)和液固(γls)两个表面能，N/m；
○ 粘度：液态金属的粘度(μ)，mPa*s；
○ 熔点：金属的熔点(Tf)，K；
○ 比热容：金属的质量比热容(Cpm)，J/(kg*K)；
○ 热导：金属的热导率(k)，W/(m*K)；
○ 熔化焓：包含质量(δHfm，E5*J/kg)与体积(δHfv，E10*J/m3)熔化焓；
○ 摩尔质量：表示合金的摩尔质量M，g/mol；
○ 平均分子直径：形核时假定的分子的直径(dm)，ANG (埃)；
○ 平均分子体积：形核时假定的分子体积(Vm)，ANG3(埃^3)；
○ 单个分子的熔化焓：假定单个分子熔化时所需能量(δHfv*Vm)，E-20J；
○ 单个分子的跃迁激活能：δGam，E-20J；
○ 自扩散系数，Dl，E-10m2/s；
○ 表面辐射系数，ε；
● 颗粒参数：液滴的形状因子(几何因子),其微弱影响了液滴的飞行状态;
○ 直径：d，μm；
○ 投影面积形状因子，kx，投影面积写成s=k*d^2时的k系数；
○ 表面积形状因子，ks，表面积写成s=k*d^2时的k系数；
○ 体积形状因子，kv，体积写成v=k*d^3时的k系数；
○ 表面积-体积形状因子，ksv，ksv=ks/kv；
● 初始条件参数：液滴初始的温度，速度，形核润湿角(一般由形核剂影响)，气压等；
○ 过热度：合金初始的温度超过熔点的程度，非负，(δT)，K；
○ 环境气体温度：通常是雾化室内的控制温度(Tg)，K；
○ 最大(飞行)距离：计算总长，通常设置为炉室半径(L)，m；
○ 气压：通常是雾化室内气氛气压(P)，bar；
○ 形核润湿角，设置形核的润湿角(θ，设置形核的状态)，°；
○ 精度(时间)，计算每一步长的时间步进，t_accuracy，ms。
○ 气氛参数：快速凝固过程发生的气氛的标况物理参数；
○ 气体密度(标况)：标准状况下的气体密度，ρg0，kg/m3；
○ 气体热导：气体的热导率，kg，W/(m*K)；
○ 气体粘度：计算总长，通常设置为炉室半径(L)，m；
○ Prandlt数：气体的Prandlt数(Pr)。
*参数单位中的E5表示×10^5，以此类推
*Particle-RS已预设了Ti/Al/Mg/Ni/Fe/Co/Cu的参数，选择近似合金时，相应参数可以参考
即可对上述过程的时间t与如下关系进行计算：
● 飞行速度(U) (m/s)
● 拖拽加速度(a) (kg/m^2)
● 距离(S) (m)
● 雷诺数(Re)
● 拖拽系数(Cd)
● 换热系数(h) (W/m^2*K)
● 温度(T) (K)
● 不考虑凝固过程的温度(T*) (K)
● 凝固速度(Us) (m/s)
● 凝固分数(fs)
● 形核率(J) (/m^3*s)
● deltaGc (J)
实例1 计算快速凝固全流程
为展示上述问题的意义，我们引入1个实际例子：
由雾化经验可知，大液滴的飞行速度不易减速，且凝固更慢，这意味着大液滴在撞击炉壁时更容易不凝固，从而粘连在雾化室内，影响进一步雾化。
因而雾化室需要设计得更大，以保证液滴完全凝固，但这意味着更高的制造成本，那么该如何取舍尺寸以取得平衡呢？
我们假定一个气雾化工况的Ti颗粒速度为120 m/s，从雾化室中心射出，其尺寸100μm，内气氛为1bar的Ar，雾化室的半径为1 m，不考虑过热，形核润湿角假设为90°，气氛温度为25 ℃，假定该情况下颗粒需要低于1000℃撞击炉壁才能保证不与炉壁粘连，现在我们讨论这种设计是否安全。
首先，我们将参数录入到Particle-RS 1.0 之中(也可编辑参数组，并选择参数组)
△图2 Particle-RS从开始计算选择已编辑好的参数进行计算(非算例)
△图3 算例使用的Particle-RS 1.0的参数
待计算完成后，可以首先看到【关键点】窗口，其显示了快速凝固的4个关键节点(开始-形核-完全凝固-结束)的t-T关系。
△图4 算例的4个关键点
从【关键点】中可以看到算例的大致描述：
在算例条件下，液滴大约经过24.3 ms的时间就达到最大飞行距离(1 m)，而在飞行至(3.6 ms, 1538.49 K)时开始形核，在(6.1 ms, 1916.24 K)时完全凝固，但是在达到最大飞行距离时，依然保持了1029.82 K的温度，这与题设的<1000 K的安全条件相比，是不太安全的。
我们可以检查t-T(温度)的计算结果：
△图5 算例的t-T关系
可以看到，液滴的温度变化(图 5)呈现典型的快速凝固特征，拥有先过冷后再辉的过程。液滴的其他计算关系展示如下：
△图6 算例的多种计算结果展示
实例2 润湿角（形核剂）的影响
对比实例1的条件，若将形核润湿角设置成0°和180°(既2个极端条件)，以反映形核是否对结果产生影响，将计算结果的数据提取，并使用第三方绘图工具进行结果比对，有：
△图7 计算结果的数据提取
△图8 实例1中不同的润湿角θ所对应的不同t-T关系
可以看到，随着润湿角的降低，液滴完全凝固的时刻实际上被提前了，也就说，越利于形核的条件也越有利于凝固的提前完成。
在工程实践控制中，促进润湿以利于形核的过程通常是由形核剂的添加执行的。由于形核剂的添加是微量的，通常不认为形核剂的添加会显著改变合金的物理性质与成分，但对快速凝固过程来说，利于形核的条件确实有利于凝固提前完成。
那这可能会推断：当合金液的纯度过高时，这种理想熔体反而由于缺少晶核从而使其形核必须更依赖于过冷(而不是比较于普通合金液可以依赖于异质形核)，这使其凝固过程迟滞。因而，对于高纯金属粉末的制备，需要更强的冷却条件以避免粘壁。
因而可看出，通过Particle-RS的推断与常规的生产经验是吻合的。
实例3 检查不同尺寸液滴的凝固进程
现在我们检查不同液滴的凝固进程，按照实例1的条件，额外考察150μm与200μm颗粒的情况：
△图9 实例1中不同的尺寸所对应的不同t-S关系(位移与时间变化)
△图10 实例1中不同的尺寸所对应的不同t-T关系(温度与时间变化)
可以看到，随着尺寸的增加，液滴会更快达到最大距离(实例中为1 m)，而且凝固进程更慢，在200μm算例之中，颗粒并没有完全凝固就撞击在壁面了。这说明尺寸对快速凝固过程影响相当显著，与经验相吻合。
可以看到，依据经典的快速凝固理论，用户可以使用Particle-RS对快速凝固过程做出预测，并获得详细的中间数据。
Particle-RS是由黎昂天驰团队(Leo-iTech)自主研发的针对金属雾化快速凝固过程求解的数值模拟器，特别适配于增材制造(AM)或粉末冶金(PM)领域的雾化粉体制备。
黎昂天驰（Leo-iTech）其他即将发布的新产品：
1.PSD-PREP
是专业适配于等离子旋转电极雾化(PREP)工艺的粒度分布控制与模拟软件。其基于现有工程实现和理论体系，能够先于实验结果估算全尺寸粒度分布结果，从而对雾化粉末的收益优化问题提供极佳的体验。
2.Particle-Generator-2D
是黎昂天驰团队基于矢量计算所全新设计的2D圆堆积系统算法库所制作的堆积模拟软件。其优势在于可以提供任意粒度尺寸的堆积，并保证极高精度的堆积节点(极少出现颗粒干涉情况)，该软件对于诸如“巴松果效应”等现象拥有极好的解释与预测作用。
3.EDS-Analyzer
是专业用于分析EDS探测信号的深度与电压，材料直接关系的软件，其可以最大程度还原EDS数据的丰度，从而使得粉体微观区域的保证更加具体。由于EDS信号的探测深度通常在500-2000 nm，这为分析薄膜材料提供了更多的可能性。
4.SEM-3D
是基于SEM成像原理的特点，考虑二次电子的生成原理后，利用SEM的图片经过变换，再还原成符合人眼视觉的3D数据的技术。该技术可用于粉体或其他材料的显微组织的显示立体化。
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