长春理工顶刊丨基于DEM-CFD的Inconel 718合金激光粉末床熔融增材制造过程数值模拟
LPBF 是制造复杂 Inconel 718 高温合金构件的核心工艺，广泛应用于航空航天高端领域，但成型过程存在多物理场强耦合特性，工艺参数波动极易改变熔池特征，诱发气孔、裂纹等缺陷，严重制约构件性能。当前工艺优化多依赖试错实验，存在耗时长、耗材成本高、无法直观捕捉熔池内部动态行为等短板，难以从本质揭示缺陷生成机制。数值仿真技术可实现 LPBF 全过程可视化定量分析，成为领域研究热点。现有仿真研究多局限于单物理场（温度场）或单一熔池特征（尺寸）分析，缺少工艺参数、熔池尺寸与流动特征协同演化规律的系统探究；熔池动态行为与缺陷形成机理的关联分析较为零散，尚未构建 “工艺参数 - 熔池特征 - 缺陷生成” 完整理论链条，无法有效指导实际生产工艺优化。
针对上述研究空白，本文以 Inconel 718 合金 LPBF 成型为研究对象，借助数值仿真系统探究激光功率、扫描速度等关键工艺参数对熔池三维尺寸（长、宽、深）、流动特性（流速分布、流场形态）的影响规律，解析熔池异常行为诱发气孔、未熔合缺陷的内在机理。通过构建耦合温度场、流场、相变场的多物理场数值模型，精准复现熔池动态演化全过程，弥补传统实验无法观测熔池内部行为的缺陷；在此基础上建立工艺参数、熔池特征与缺陷生成的定量关联关系，为工艺参数精准调控提供可靠理论依据。依托数值仿真完成工艺参数全域遍历分析，大幅缩短研发周期、降低试验成本，为高性能 Inconel 718 构件可控制造提供可行技术路径，研究成果可为 Inconel 718 合金 LPBF 成型工艺优化、成型质量提升提供重要理论支撑与技术参考。
图文解读
图文解读
文章核心亮点
多尺度耦合仿真模型创新
搭建 DEM 粉末铺粉建模 + CFD 多场耦合联合仿真体系，先通过离散元还原符合真实粒径分布（15~63 μm，均值 30 μm）的粉末床堆积状态，再将粉末三维几何导入 Flow3D 开展流体、传热、相变耦合计算，同时引入氮气惰性保护氛围，完整还原真实 LPBF 成型环境。模型采用 VOF 法追踪熔池自由液面，耦合纳维 - 斯托克斯方程、马兰戈尼效应、蒸发反冲压力、达西多孔阻力等物理机制，兼顾高温合金随温度变化的密度、粘度、比热容、导热系数热物性参数，仿真贴合实际成型物理过程。 仿真精度经单道熔池试验严格验证
采用瑞士欧瑞康 Inconel 718 球形粉末开展单道扫描对照试验，对比不同能量密度下熔道形貌、熔池宽深尺寸；仿真与实测熔池宽度误差 7.1%、深度误差 9.1%，整体偏差控制在 10% 以内，证明模型可精准复现熔池三维瞬态演化行为，仿真预测结果可信度高。 完整厘清三大核心工艺参数的作用机制
分别定量解析激光功率、扫描速度、扫描间距对熔池温度、流动速度、三维尺寸的调控规律：
激光功率提升：输入能量增加，熔池峰值温度、金属流动速度同步上升，熔池宽深显著扩大；功率过低会出现粉末未完全熔化，诱发球化、气孔； 扫描速度提升：激光作用时间缩短、单位面积能量降低，熔池宽深持续减小，易产生熔池与基板冶金结合不良、间隙缺陷； 扫描间距提升：前序熔道余热预热效应大幅减弱，后续熔池初始温度下降，熔池平均尺寸缩减，熔道搭接区缺陷风险陡增。
系统阐明两类典型成型缺陷完整生成机理
球化缺陷：分两种工况，能量不足时激光无法穿透粉层，仅表层粉末熔化，熔融金属在表面张力作用下收缩成球，无法与基板结合；能量过高时熔池深度过大，液态金属重力、表面张力共同作用，边缘金属凝固后形成球状凸起。 气孔缺陷：能量密度过低时熔池对流强度弱，粉末间隙包裹的气泡来不及逸出即凝固；能量适中时蒸发反压强化马兰戈尼对流，气泡充分排出、孔隙率显著下降；能量密度过高时剧烈反冲压力形成深匙孔，强涡流将保护气、金属蒸汽包裹滞留，凝固后重新产生气孔。
明确多道熔道搭接缺陷控制逻辑，给出最优工艺窗口
扫描间距过大时相邻熔道重叠区域仅覆盖前道熔池低温浅熔区，粉末熔化不充分，构件致密度仅 91.87%；间距优化至 130 μm 时，熔道充分搭接、完全冶金结合，致密度可达 99.54%。文章确定最优工艺组合：激光功率 160 W、扫描速度 600 mm/s、扫描间距 130 μm，该参数下成型件孔隙率最低、综合成型质量最优。 构建完整理论链条，落地工程应用价值
首次完善建立 “工艺参数 — 熔池温度 / 流动 / 尺寸特征 — 球化 / 气孔 / 搭接缺陷” 全链路定量关联，突破传统单物理场仿真局限；依靠仿真完成参数全域筛选，大幅减少实体试验耗材与周期，可为航空航天 Inconel 718 高温合金复杂构件 LPBF 量产工艺调控提供直接理论指导。
Fig.1 激光选区熔化成型过程示意图
Fig.2 计算流体力学计算域网格划分模型
Fig.3 Inconel 718 高温镍基合金随温度变化的热物性参数：(a) 密度、粘度；(b) 比热容、导热系数
Fig.4 仿真（左）与试验（右）熔道形貌对比：(a) 熔道表面形貌；(b) YZ 截面熔道形貌
Fig.5 不同能量密度下工艺参数对熔池尺寸的影响及试验误差曲线
Fig.6 Inconel 718 粉末原材料扫描电镜图
Fig.7 718 高温镍基合金 LPBF 成型不同时刻熔池温度场、流速场演化云图
Fig.8 不同激光功率下熔池形貌、温度场与流速场演化云图
Fig.9 不同激光功率下熔池峰值温度、流动速度变化规律柱状折线图
Fig.10 不同扫描速度下熔道形貌、熔池温度场与流速场云图
Fig.11 不同扫描速度下熔池峰值温度、流动速度变化规律柱状折线图
Fig.12 不同扫描间距下熔池温度场与流速场云图
Fig.13 2500 μs 时刻不同扫描间距下熔池中心沿线温度分布三维曲线
Fig.14 球化缺陷截面形貌对比：左侧数值仿真结果，右侧试验结果；(a) 激光未穿透粉层工况；(b) 激光穿透粉层工况
Fig.15 球化现象形成机理示意图：(a) 激光无法穿透粉末层时无完整熔合基底，形成球化；(b) 激光穿透粉末层后熔融金属表面张力诱发球化
Fig.16 不同能量密度条件下产生的气孔缺陷形貌
Fig.17 熔池内气泡运动状态机理示意图：(a) 低能量密度；(b) 中等能量密度；(c) 高能量密度
Fig.18 不同扫描间距下多道搭接熔池截面形貌
Fig.19 扫描间距对熔道搭接效果与成型件致密度的影响曲线
结论/展望
结论/展望
本文以 Inconel 718 合金激光选区熔化成型为研究对象，借助数值仿真手段，分别探究单道、多道扫描工况下激光功率、扫描速度、扫描间距三大关键工艺参数对熔池动态行为的影响，并系统解析镍基高温合金 LPBF 成型件内部各类缺陷的生成机理，得到如下结论：
其余工艺参数恒定条件下，熔池特征演化的核心调控机制为激光能量输入、传热过程与流体动力学行为协同作用：提升激光功率会增大能量输入、降低液态金属粘度；提升扫描速度会增大激光拖拽剪切作用；二者均会提升熔池温度、流动速度并扩大熔池尺寸。增大扫描间距会加速余热散失、有效输入能量降低，熔池温度、流速同步下降，熔池整体尺寸收缩。该结论可为 LPBF 工艺优化、成型质量提升提供理论支撑。 激光功率、扫描速度的改变会直接调控熔池峰值温度、流动速率与三维尺寸；扫描间距增大将加剧残余热量损耗，造成熔池温度、流速下降、尺寸缩小。线能量密度不足会导致粉末熔融不充分，极易诱发球化、气孔缺陷；适度提升线能量密度可有效抑制上述缺陷，相关规律可为实际生产工艺参数优化提供理论依据。 当工艺参数设置为激光功率 160 W、扫描速度 600 mm/s、扫描间距 130 μm 时，Inconel 718 合金成型件孔隙率最低，整体成型质量最优。
