供稿人：蔡江龙、张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-01-01
金属增材制造（AM）在成型几何复杂零件，定制样件的微观结构和性能方面具有巨大优势，促使其在各个行业中的应用不断广泛应用。在各种AM技术中，粉末床熔融（PBF）是最常用的技术之一。根据热源的不同，PBF可进一步分为选择性激光熔化（SLM）和选择性电子束熔化（SEBM）。AM工艺参数，如激光/电子束功率、扫描速度和扫描策略，强烈影响AM工艺过程中形成的微观结构。微观结构会影响最终样件的机械性能。因此，微观结构是制造工艺和机械性能之间的关键桥梁。掌握微观结构演化机制并通过调整工艺参数来定制微观结构以获得所需的性能非常重要。
图1. 三层三道PBF过程中温度场和晶粒的演变模拟
随着计算能力的发展，数值模拟已成为理解潜在机制和探索过程-微观结构关系以实现增材制造中微观结构控制的有力工具。2021年4月新加坡国立大学yang等为了解决形核的关键问题并全面了解微观结构演化，建立了3D PF（相场）模型来预测三层三道PBF过程中的晶粒演化，其中粉末尺度 TFF（粉末级热流体流动）模型用于提供温度曲线。PF模型综合考虑了晶粒形核和生长，竞争性生长，粉末颗粒的外延生长，基板和已成型道，重叠区域的重新熔化和重新生长以及 HAZ（热影响区）中的晶粒粗化等现象，如图1。 同时，PF 模型与形核模型的耦合可进一步用于通过在PBF中添加纳米颗粒来预测晶粒细化。在加入纳米颗粒的情况下，在液体区域指定恒定接触角，从而在过冷液体中发生纳米颗粒引起的异质形核。如图2，对由PBF成型添加 TiB2纳米颗粒细化的316L不锈钢的晶粒细化进行了模拟。
图2. TiB2纳米颗粒细化PBFed 316 L不锈钢的晶粒形貌
金属增材制造工艺参数众多，试错实验成本高昂且耗时。通过3D相场模型模拟金属增材制造过程中样件的微观结构，进一步通过微观结构预测样件的力学性能。为金属增材制造实现材料-工艺-性能一体化零件设计提供了设计指导思路。