金屬增材制造（additive manufacturing， AM）在制造幾何形狀復(fù)雜的零件以及定制零件的微結(jié)構(gòu)和性能方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，使其在各行各業(yè)中得以應(yīng)用。粉末床融合（powder-bed-fusion， PBF）技術(shù)是最常用的AM技術(shù)之一。理解并預(yù)測(cè)PBF過程中晶粒演化對(duì)通過調(diào)整工藝以定制樣件的晶粒結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，通過數(shù)值模擬方法（如元胞自動(dòng)機(jī)法、相場(chǎng)法）可以很好地模擬PBF過程中的部分晶粒演化現(xiàn)象，如晶粒形核和生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)、外延生長(zhǎng)等。值得注意的是，重復(fù)的粉層堆疊會(huì)使樣件以打印區(qū)陷入循環(huán)加熱和冷卻狀態(tài)中，使得熱影響區(qū)中的晶粒粗化現(xiàn)象成為增材制造過程中不可忽視的現(xiàn)象。然而，現(xiàn)有模型中尚未考慮這一方面的模擬。相場(chǎng)法是模擬微觀結(jié)構(gòu)演化的有效方法之一。采用相場(chǎng)法模擬AM過程中的晶粒演化模擬已有若干報(bào)導(dǎo)，但這些研究大部分都局限于二維多層模擬或三維單層單道模擬。

來自新加坡國(guó)立大學(xué)的閆文韜教授團(tuán)隊(duì)建立了一種三維相場(chǎng)模型（phase-field model， PFM），該模型綜合考慮了粉末床融合過程中各因素對(duì)晶粒演化的影響，并采用GPU并行算法加速計(jì)算，全面地再現(xiàn)了多層多道PBF過程中各種晶粒演化，如熔池內(nèi)的晶粒形核和生長(zhǎng)（包括競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)），熔池邊緣處的晶粒外延生長(zhǎng)，熔道/熔層重疊區(qū)中的晶粒重熔和重新生長(zhǎng)，以及熱影響區(qū)的晶粒粗化。

在多層多道的粉末床融合模擬過程中，采用了集成建模思想：先利用離散單元模型模擬鋪粉過程以獲取粉床形貌，然后將粉床形貌導(dǎo)入介觀尺度的熱-流流動(dòng)模型中，以預(yù)測(cè)PBF過程中的熔池變化和溫度場(chǎng)變化，最后將溫度場(chǎng)變化信息輸入到相場(chǎng)模型中以模擬相應(yīng)的晶粒演化。

為實(shí)現(xiàn)晶粒演化的全方位模擬，在相場(chǎng)模型中1）耦合了晶粒異質(zhì)形核模型，以模擬晶粒形核過程；2）考慮了晶界能各向異性和溫度依賴的界面遷移率，以模擬競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和熱影響區(qū)的晶粒粗化；3）考慮了基板和粉末顆粒中的晶粒結(jié)構(gòu)，以模擬熔池邊緣處的晶粒外延生長(zhǎng)。

在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了多層多道PBF過程中典型晶粒形貌（如長(zhǎng)條晶粒、“Z”型晶粒）的形成機(jī)理；分析了90o型旋轉(zhuǎn)掃描策略對(duì)晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)及織構(gòu)形成的影響；結(jié)合溫度梯度和冷卻速率討論了不同熔融道內(nèi)晶粒形核量的變化。此外，為了展示所建相場(chǎng)模型的潛在應(yīng)用，初步模擬了納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料經(jīng)選區(qū)熔化后的晶粒形貌。該研究所建的相場(chǎng)模型為更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)粉末床融合過程的晶粒形貌提供了一種有效途徑。

該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 7： 56 （2021）。

Phase-field modeling of grain evolutions in additive manufacturing from nucleation， growth， to coarsening

A three-dimensional phase-field model is developed to simulate grain evolutions during powder-bed-fusion （PBF） additive manufacturing， while the physically-informed temperature profile is implemented from a thermal-fluid flow model. The phase-field model incorporates a nucleation model based on classical nucleation theory， as well as the initial grain structures of powder particles and substrate.

The grain evolutions during the three-layer three-track PBF process are comprehensively reproduced， including grain nucleation and growth in molten pools， epitaxial growth from powder particles， substrate and previous tracks， grain re-melting and re-growth in overlapping zones， and grain coarsening in heat-affected zones.

A validation experiment has been carried out， showing that the simulation results are consistent with the experimental results in the molten pool and grain morphologies. Furthermore， the grain refinement by adding nanoparticles is preliminarily reproduced and compared against the experimental result in literature.

編輯：jq