以激光選區(qū)熔化等為代表的金屬增材制造作為最前沿和最具潛力的增材制造技術(shù)，已成為全球材料和制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。金屬增材制造過(guò)程涉及傳熱、傳質(zhì)、相變等一系列復(fù)雜物理行為，數(shù)值模擬計(jì)算是理解金屬增材制造過(guò)程中復(fù)雜物理行為并為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)的有效手段，顯著提高研發(fā)效率，為高質(zhì)量、高精度、高性能金屬構(gòu)件的成形提供有力支撐。但目前尚缺乏高準(zhǔn)確性的模擬計(jì)算模型。

圖1  采用偏心八面體法的元胞自動(dòng)機(jī)算法產(chǎn)生的擇優(yōu)晶體學(xué)織構(gòu)

針對(duì)這一難題，近日，廣東省科學(xué)院新材料研究所激光制造研究室和北京科技大學(xué)解清閣副研究員等聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于激光選區(qū)熔化鎳基合金微觀結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算的最新研究進(jìn)展，提出了新型的元胞自動(dòng)機(jī)擴(kuò)展模型，與傳統(tǒng)的蒙特卡洛和元胞自動(dòng)機(jī)算法相比，新的模型結(jié)合了上述兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)，使得模型計(jì)算更易重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀察到的各種微觀組織特征。

首先，傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)算法一般采用偏心八面體法,其主要是為了實(shí)現(xiàn)<100>晶向快速生長(zhǎng)和<111>晶向生長(zhǎng)最慢的現(xiàn)象。在不考慮局部過(guò)冷的情況下，這種模型會(huì)促使某些晶體學(xué)織構(gòu)的擇優(yōu)生成，如圖1所示。該假設(shè)直接決定了計(jì)算結(jié)果中組織的織構(gòu)以立方、旋轉(zhuǎn)立方、高斯和反高斯織構(gòu)組分的組合為主。但實(shí)際打印中，相同打印策略情況下，可以產(chǎn)生不同的晶體學(xué)織構(gòu)。比如常見(jiàn)不銹鋼、高溫合金、鋁合金等以<101>和<001>晶向平行于Building direction（BD）為主，而難熔金屬的打印卻是以<111>晶向平行于BD為主。傳統(tǒng)CA模型假設(shè)凝固組織是通過(guò)固-液界面的遷移實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的晶粒形貌，為了增強(qiáng)模型的普適性，新的模型以該機(jī)制為基礎(chǔ)，額外增加了固-固界面遷移實(shí)現(xiàn)晶粒擇優(yōu)長(zhǎng)大的機(jī)制。

同時(shí)，傳統(tǒng)模型認(rèn)為晶核的晶體學(xué)取向是隨機(jī)的，且和凝固溫度場(chǎng)無(wú)關(guān)。新模型假設(shè)晶核的晶體學(xué)取向依賴(lài)于凝固前沿溫度場(chǎng)。新的模型可重構(gòu)出打印窄截面和寬截面的高溫合金對(duì)應(yīng)的組織差異。窄界面由于相對(duì)快的冷卻速度，導(dǎo)致其微觀組織更細(xì)小，織構(gòu)更強(qiáng)。新模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖2所示。借助新模型計(jì)算結(jié)果以及結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，充分揭示了激光選區(qū)熔化Inconel 625的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)打印區(qū)域的依賴(lài)性，充分說(shuō)明該新模型有助于理解激光增材制造工藝參數(shù)、熱歷史和最終微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為高質(zhì)量高性能金屬增材制造成形提供了有效支撐手段。

圖2  a圖為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不同情況下的組織和對(duì)應(yīng)的{200}極圖，b圖為對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果

相關(guān)研究成果發(fā)表在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》（Q1，Top期刊，IF=11）上發(fā)表。論文得到廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目（2020B1212060049）、廣東省科學(xué)院建設(shè)國(guó)內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2021GDASYL-20210102005）等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103676

供稿：激光制造研究室      

供圖：激光制造研究室