改善增材制造Al-Fe-Cu-xZr合金的加工性能和晶粒組織：實(shí)驗(yàn)和高保真度模擬

來(lái)源： 多尺度力學(xué)

增材制造（AM）在加工鋁合金方面相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì),，但通過(guò)增材制造生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁合金常常面臨一些挑戰(zhàn)，包括工藝性差以及不理想的微觀結(jié)構(gòu)（如粗大的柱狀晶粒和微裂紋）,，導(dǎo)致最終鋁合金的機(jī)械性能較差,。來(lái)自西北工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等學(xué)校的研究者們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在鋁基合金中加入微量的鋯元素（x=0.3%,、0.6%,、0.8%、1.3%）,，可以顯著提高高強(qiáng)度鋁合金的工藝性和微觀結(jié)構(gòu),。具體來(lái)說(shuō)，增加鋯含量能改善鋁合金的加工性能,，減少缺陷和表面粗糙度,，并改善熔池的穩(wěn)定性。鋯的加入還促進(jìn)了柱狀晶粒向等軸晶粒的轉(zhuǎn)變,，并細(xì)化了晶粒尺寸,，從而提高了合金的機(jī)械性能。研究表明,，含0.8%和1.3%鋯的鋁合金在增材制造中表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性,。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型鋁合金提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

文章研究探討了鋯元素對(duì)LPBF鋁合金的工藝性和微觀結(jié)構(gòu)的影響,。通過(guò)設(shè)計(jì)并制造不同鋯含量的Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金,，結(jié)合高保真模擬和實(shí)驗(yàn)，研究表明鋯含量的增加顯著改善了鋁合金的工藝性,，促進(jìn)了柱狀晶粒向等軸晶粒的轉(zhuǎn)變及晶粒細(xì)化,，從而提高了機(jī)械性能。研究還討論了鋯微量合金化對(duì)鋁合金工藝性和微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制,。下面將介紹文章高保真模擬方面的內(nèi)容,。

研究者通過(guò)高保真粉末尺度計(jì)算模型模擬了單軌激光熔化過(guò)程。該模型結(jié)合了離散元方法（DEM）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）,，其中DEM用于粉末鋪展過(guò)程,，CFD則處理熔池的動(dòng)態(tài)變化，包括金屬相和氣體相的演變,。

模型涉及到的質(zhì)量,、動(dòng)量和能量守恒方程為：

動(dòng)量方程考慮到熔池節(jié)目所受到的表面張力：

馬蘭戈尼力：

蒸汽反沖壓力：

高保真模擬過(guò)程中的部分物理參數(shù)設(shè)置如下：

固相導(dǎo)熱率：

其中：

液相導(dǎo)熱率：

液相密度：

液相比熱容：

其中A、B是常數(shù),，Cm是摩爾比熱容,，M是金屬摩爾質(zhì)量。熱物性參數(shù)設(shè)置值通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，圖1顯示的是不同Zr含量的鋁合金在固態(tài)(左)和液態(tài)(右)下的熱導(dǎo)率隨溫度的變化,。CFD仿真計(jì)算的幾何模型由DEM模擬得到,，模型見(jiàn)圖2。

圖 1  四種不同Zr含量的鋁合金在固態(tài)(左)和液態(tài)(右)下的熱導(dǎo)率隨溫度的變化,。

圖 2 激光粉末床熔合過(guò)程的物理模型

圖3顯示高保真計(jì)算過(guò)程中的熔池示意圖,。工作計(jì)算量溫度梯度和熔池凝固速度，笛卡爾坐標(biāo)系下的溫度梯度：

不同方向溫度梯度(x,y,z):

最終溫度梯度：

熔池凝固速度：

圖3 熔池示意圖

      模擬結(jié)果有：圖4,，單個(gè)熔池內(nèi)的熔體速度梯度,；

圖4 模擬的單個(gè)熔池內(nèi)的熔體速度梯度( MVG )分布。( a ) - ( b ) Zr0 . 3合金,；( c ) - ( D ) Zr0.6合金,；( e ) - ( f ) Zr0.8合金和( g ) - ( h ) Zr1.3合金

圖5，模擬匙孔形狀及對(duì)應(yīng)熔池表面馬蘭戈尼強(qiáng)度的演變：

圖5 模擬匙孔形狀及對(duì)應(yīng)熔池表面馬蘭戈尼強(qiáng)度的演變,。( a ) Zr0.3合金，( b ) Zr0.6合金,，( c ) Zr0.8合金,，( d ) Zr1.3合金。

      圖6,，溫度場(chǎng)信息模擬,。

圖6 LPBF Al - 1Fe - 0.6 Cu - xZr合金的單熔池?zé)釄?chǎng)分布。單道模擬溫度場(chǎng)側(cè)視圖,，( a ) Zr0.6和( b ) Zr0.8,，( c )溫度梯度( G )，( d )凝固速度( R ),，( e ) G / R和( f ) G * R從單個(gè)熔池底部向頂部模擬的變化,。

      相關(guān)研究成果以“Improving the processability and grain structures of additively manufactured Al-Fe-Cu-xZr alloy: Experiment and high-fidelity simulation”為題發(fā)表在Additive Manufacturing 84(2024)104074上，論文第一作者為Jing-Yu Xu,、Wei-Hao Yuan,，通訊作者為Cheng Zhang、Hui Chen,、 Lin Liu,。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104074