供稿人：蔡江龍、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-01-01
金屬增材制造（AM）在成型幾何復(fù)雜零件，定制樣件的微觀結(jié)構(gòu)和性能方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，促使其在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用不斷廣泛應(yīng)用。在各種AM技術(shù)中，粉末床熔融（PBF）是最常用的技術(shù)之一。根據(jù)熱源的不同，PBF可進(jìn)一步分為選擇性激光熔化（SLM）和選擇性電子束熔化（SEBM）。AM工藝參數(shù)，如激光/電子束功率、掃描速度和掃描策略，強(qiáng)烈影響AM工藝過程中形成的微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響最終樣件的機(jī)械性能。因此，微觀結(jié)構(gòu)是制造工藝和機(jī)械性能之間的關(guān)鍵橋梁。掌握微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)制并通過調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能非常重要。
圖1. 三層三道PBF過程中溫度場(chǎng)和晶粒的演變模擬
隨著計(jì)算能力的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為理解潛在機(jī)制和探索過程-微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系以實(shí)現(xiàn)增材制造中微觀結(jié)構(gòu)控制的有力工具。2021年4月新加坡國(guó)立大學(xué)yang等為了解決形核的關(guān)鍵問題并全面了解微觀結(jié)構(gòu)演化，建立了3D PF（相場(chǎng)）模型來(lái)預(yù)測(cè)三層三道PBF過程中的晶粒演化，其中粉末尺度 TFF（粉末級(jí)熱流體流動(dòng)）模型用于提供溫度曲線。PF模型綜合考慮了晶粒形核和生長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，粉末顆粒的外延生長(zhǎng)，基板和已成型道，重疊區(qū)域的重新熔化和重新生長(zhǎng)以及 HAZ（熱影響區(qū)）中的晶粒粗化等現(xiàn)象，如圖1。 同時(shí)，PF 模型與形核模型的耦合可進(jìn)一步用于通過在PBF中添加納米顆粒來(lái)預(yù)測(cè)晶粒細(xì)化。在加入納米顆粒的情況下，在液體區(qū)域指定恒定接觸角，從而在過冷液體中發(fā)生納米顆粒引起的異質(zhì)形核。如圖2，對(duì)由PBF成型添加 TiB2納米顆粒細(xì)化的316L不銹鋼的晶粒細(xì)化進(jìn)行了模擬。
圖2. TiB2納米顆粒細(xì)化PBFed 316 L不銹鋼的晶粒形貌
金屬增材制造工藝參數(shù)眾多，試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)成本高昂且耗時(shí)。通過3D相場(chǎng)模型模擬金屬增材制造過程中樣件的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)樣件的力學(xué)性能。為金屬增材制造實(shí)現(xiàn)材料-工藝-性能一體化零件設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路。