通過相場模擬，獲得金屬3D打印過程中的晶粒演化特點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)控制

來源：3D打印技術(shù)參考

摘要：對于粉末床金屬增材制造技術(shù),，無論是基于激光的還是電子束的，工藝參數(shù)如功率,、掃描速度和掃描策略等均強(qiáng)烈影響增材制造過程中微觀結(jié)構(gòu)的形成,，而微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響產(chǎn)品的最終機(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,。了解微觀結(jié)構(gòu)演化的機(jī)制并通過調(diào)整工藝參數(shù)來定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能非常重要。然而,，由于增材制造工藝參數(shù)眾多,，試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)成本高昂且耗時(shí)。另一方面,，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，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控形控性,。

主要內(nèi)容

近日,，NPJ計(jì)算材料刊發(fā)了新加坡國立大學(xué)閆文韜教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)成果，其開發(fā)了一種三維相場模型來模擬粉末床熔融增材制造過程中的晶粒演化,，結(jié)合經(jīng)典成核理論以及粉末顆粒和基材的初始晶粒結(jié)構(gòu),，全面再現(xiàn)了多層、多道粉末床熔融過程中的晶粒演化,，包括熔池中晶粒的形核和生長,，粉末顆粒、基板以及熔池邊緣處的外延生長,，重疊區(qū)域的晶粒重熔和再生長,，以及熱影響區(qū)的晶粒粗化。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，且結(jié)果一致。

圖1.SLM 過程模擬示意圖

熔池形態(tài)和晶粒演化

初始晶粒的形狀是等軸的,，不同取向的晶粒用相對于成形方向進(jìn)行著色,。由于存儲(chǔ)容量有限，僅考慮36個(gè)隨機(jī)方向,。所選取的材料為316L不銹鋼,，進(jìn)行三層三道熔融過程模擬。316L不銹鋼的液相線溫度為1723K,，超過該溫度顯示為紅色熔池,。對第一層1道和2道的模擬顯示，熔池的自由表面被捕獲,，熔池邊緣不規(guī)則,，一些粉末顆粒部分熔化（黑色箭頭）,。在掃描第一層時(shí)，由于連續(xù)的能量輸入,，基板溫度隨著掃描疊加而升高,。在進(jìn)行第二層和第三層掃描時(shí)，掃描方向相對前一層旋轉(zhuǎn)90°,，因此掃描軌跡和溫度場也旋轉(zhuǎn)了90°,。

圖2.粉末和基板的初始晶粒形貌

晶粒的演變?nèi)鐚?shí)反映在了模擬結(jié)果中。當(dāng)溫度高于1723K時(shí),，粉末顆粒和基體熔化成液相,，晶粒結(jié)構(gòu)熔解于其中(圖3f)。當(dāng)局部溫度低于1723K時(shí),，液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔�,，并在凝固區(qū)域形成晶粒。在掃描第一層2道時(shí)(圖3g),，在第一層第1道中形成的一些晶粒被重新熔化,。掃描第1層3道后(圖3h)，從俯視圖(Z方向)看,，長晶粒和細(xì)晶粒交替出現(xiàn),。從側(cè)面(Y方向)可以看出，這些細(xì)晶粒實(shí)際上是沿Z方向邊長最長的晶粒,。掃描第三層第三道后,，最終晶粒形貌如圖3j所示。從圖3h和3j的對比可以看出,，上層形成了粗晶粒,。

圖3.三層三道 SLM 過程中溫度場和晶粒演變，a-e溫度場演變,；f-j晶粒演化,。a和b中的紅色區(qū)域顯示了兩條軌跡中的熔池形態(tài)。相鄰層之間掃描方向旋轉(zhuǎn)90°,；部分熔化的粉末顆粒由黑色箭頭突出顯示

在三層三軌SLM過程中可以觀察到不同種類的晶粒演化。這些演變從以下四個(gè)方面進(jìn)行分析,。

(1)熔池內(nèi)的晶粒演化,。在熔池內(nèi)，晶粒長大方向垂直于熔池邊界（如圖4a中白色箭頭所示）,，與熱傳導(dǎo)方向相反,。熔池邊界附近的晶粒形態(tài)表明晶粒從基底和部分熔化的粉末顆粒外延生長。此外,，在熔池中可以觀察到新的晶粒,，這些新晶粒中的一些來自異質(zhì)成核,，如圖4c中所示的“B”晶粒。

(2)重疊區(qū)的晶粒重熔和再生長,。在第三道的掃描過程中,，重疊區(qū)的晶粒部分或全部重熔，然后部分重熔的晶粒(如“A”晶粒)通過外延生長進(jìn)入第3熔道區(qū)域,，如圖4b,、c 、d,。晶粒的重熔和再生長在相鄰層間的重疊區(qū)也會(huì)發(fā)生,，如圖4e所示，在藍(lán)色虛線矩形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了重熔和再凝固,，并將第一層部分熔化的晶粒延伸到第二層,。在從第1層到第2層的外延生長過程中，晶粒競爭生長,，只有一部分晶粒能夠成功延伸到第2層,。在第二層掃描中競爭力較高的晶粒擴(kuò)展到第三層時(shí)可能失去競爭力，如圖4e中的“C”晶粒,。這可以歸因于90°旋轉(zhuǎn)掃描,，從第2層到第3層，掃描方向旋轉(zhuǎn)90°,，因此熱傳導(dǎo)方向和溫度梯度也發(fā)生了改變,。

(3)相鄰層間晶粒生長方向發(fā)生變化。如圖4e-f中紅色箭頭所示,，當(dāng)晶粒從第1層生長到第3層時(shí),，晶粒生長方向發(fā)生了變化。晶粒沿與熱傳導(dǎo)方向相反的方向優(yōu)先生長,，熱傳導(dǎo)方向在相鄰兩層之間旋轉(zhuǎn)90度,，這導(dǎo)致了相鄰兩層間晶粒生長方向的旋轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)中也觀察到類似的晶粒生長方向的旋轉(zhuǎn),。

(4)晶粒粗化,。熔池邊界附近的晶粒以大晶粒以犧牲小晶粒的方式長大變粗，基板的溫度會(huì)隨著掃描次數(shù)的增加而升高,，進(jìn)而導(dǎo)致基體晶粒粗化,。同時(shí)，隨著掃描層數(shù)的增加,，下層區(qū)域的溫度也會(huì)上升,，底部的晶粒也會(huì)粗化。

圖4.XZ橫截面中SLM粉末熔融過程中的晶粒演變

晶粒尺寸的演變

晶粒尺寸的所有數(shù)據(jù)均基于3D模擬結(jié)果計(jì)算。83.4%晶粒的縱橫比大于1.5,，說明三層三道打印主要形成了柱狀晶粒,。一些等軸晶粒通過晶粒形核引入，由于晶粒粗化,，它們在制造過程中不會(huì)延伸或收縮太多,，從而形成等軸形態(tài)。實(shí)驗(yàn)得到的晶粒長寬比分布和模擬之間具有良好的一致性,。隨著時(shí)間的增加,，熔池向前移動(dòng)，晶粒不斷形成,，并在后面的凝固區(qū)域中長大和粗化,。因此，早期的晶粒數(shù)和平均晶粒體積隨時(shí)間增加,。凝固完成后,，由于不能引入新的晶粒，晶粒數(shù)趨于穩(wěn)定,；而平均晶粒體積因不斷的晶粒粗化而略有增加,，最終趨于穩(wěn)定。平均晶粒體積在同一層的第1道到第3道以及從第1層到第3層依次增大,。

圖5.不同層,、不同熔道的晶粒數(shù)目及體積變化

對于同一層的三條熔道，隨著新的掃描進(jìn)行,，基板和樣件的溫度逐漸升高,，這導(dǎo)致液固間的溫度梯度降低，晶�,？梢栽谳^高的溫度下生產(chǎn),，并導(dǎo)致體積增加。不同層間,，下層晶粒向上層競爭生長,，導(dǎo)致上層平均晶粒體積大于下層平均晶粒體積，即平均晶粒尺寸由下層向上層逐漸增大,。

圖6.由 TiB2納米顆粒增強(qiáng)316L不銹鋼的晶粒形態(tài)

除以上研究內(nèi)容外,，研究人員還結(jié)合溫度梯度和冷卻速率分析了對熔融過程中異質(zhì)形核和晶粒長大的影響。同時(shí),，為了驗(yàn)證相場模擬的潛力,，對SLM制造的納米增強(qiáng) 316L 不銹鋼進(jìn)行了晶粒細(xì)化重現(xiàn)。該研究對了解金屬3D打印過程中微觀結(jié)構(gòu)演化的機(jī)制提供了一種有效途徑,，對通過調(diào)整工藝參數(shù)來定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能具有指導(dǎo)意義。