微域保护气对金属微滴喷射过程影响机制研究

摘要

金属微滴喷射3D打印过程需在低氧环境（氧含量低于50 ppm）下进行，现有设备常采用带除氧系统的密闭手套箱来维持低氧环境，但因其空间受限，操作不便，很难适应该技术向应用领域拓展。在微滴喷射出口处构建微域低氧环境，既可保护微滴喷射时不被氧化，又能扩大该技术应用范围并提高操作灵活性，是促进金属微滴喷射3D打印技术工程化应用的一个关键。但施加保护气会产生气流扰动，不利于微滴稳定喷射和精确沉积。为解决现有微域保护技术不足，设计开发一种新型环形射流微域保护装置，结合微域保护下的锡合金微滴喷射试验与微域气流流场模拟，揭示氧化和气流动力学对微滴喷射过程作用机制。研究发现当保护气供应不足时，金属射流由于氧化表面张力降低、黏度增大（即Oh数增大），会断裂为带锥形拖尾的单颗熔滴；当保护气供应过大时，气流在射流根部产生二次涡，使射流二次断裂，并生成多颗熔滴。最终在合适参数下打印出较长沉积距离熔合良好、堆叠整齐的锡合金立柱和尺寸均匀、落点准确的凸点阵列，证实环形射流微域保护装置的有效性。研究成果可为金属微滴喷射3D打印技术的推广应用提供关键技术支持和理论基础。