解決金屬3D打印缺陷的研究——多尺度多物理場數(shù)值模擬

作者：新加坡國立大學閆文韜團隊 王露，陳輝

增材制造（Additive Manufacture， AM）作為一種新興的工業(yè)生產(chǎn)技術，已經(jīng)引起了越來越多行業(yè)的關注。例如航空航天、軍工和醫(yī)療等領域關鍵復雜零部件的加工制造。然而，要實現(xiàn)這些高精度、復雜零件的工業(yè)化生產(chǎn)，必須提高增材制造的成形質(zhì)量和可重復性，克服零件孔洞，表面光潔度，不理想的微觀組織結(jié)構(gòu)和零件殘余應力等制造缺陷。以上缺陷的控制不僅涉及宏觀的力學性能研究，同時需要對微尺度的形貌加以分析，因此極大地增加了實驗觀測難度和實驗成本。

為克服實驗研究的難點，新加坡國立大學閆文韜及其合作者構(gòu)建了多尺度多物理場模型，對增材制造全過程進行仿真模擬，加深了對其物理機理的理解，為工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供了相應的理論指導。

1． 基于蒙特卡洛方法模擬得到電子束熱源模型：
電子束的能量傳遞是電子束的電子與材料的原子發(fā)生碰撞，將電子的動能轉(zhuǎn)化為原子振動能量的過程。傳統(tǒng)的電子束熱源模型大多基于熔池形貌的觀測而獲得，模型誤差較大，且物理意義不清晰。2015年，閆文韜（第一作者）與Wing Kam Liu（通訊作者）在Computational Mechanics發(fā)表的論文提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)熱源模型的新熱源模型，即通過蒙特卡羅（Monte Carlo）方法獲得電子原子碰撞的能量分布，如圖1所示。

圖1． 電子束與金屬相互作用機理及新熱源模型

該熱源模型獲得了加拿大麥吉爾大學P．R． Carriere研究團隊的實驗驗證。另外，采用該熱源模型，可以更深入地解釋電子束或離子束表面沖擊強化過程中的“火山坑”現(xiàn)


2． 電子束選區(qū)熔化的多尺度模型
在電子束熱源模型的基礎上，2016年，閆文韜（第一作者）與林峰，Wing Kam Liu （通訊作者）在Acta Materialia發(fā)表論文提出了電子束選區(qū)熔化的多尺度模型（圖2）。微觀尺度上，采用蒙特卡羅方法分析了電子原子相互碰撞作用下的能量分布特征；介觀尺度上，分析了金屬粉末受熱、熔化、流動、凝固過程的物理機制；最后在宏觀尺度上，利用有限元方法實現(xiàn)整體零件增材制造過程的熱力學仿真。

圖2． 多尺度電子束選區(qū)熔化模擬流程

3．增材制造全過程模擬
電子束選區(qū)熔化涉及金屬粉末熔化，流動，凝固等復雜的物理過程。其物理尺度小，缺陷機理難以給出準確的物理解釋，一直是增材制造研究的難點。2017年，閆文韜（第一作者）與林峰（通訊作者）在Engineering上的研究實現(xiàn)了電子束選區(qū)熔化三大主要工藝過程的仿真模擬：
1．粉末鋪設；
2． 粉末預熱與輕度燒結(jié)；
3． 粉床的選區(qū)熔化（圖3）。

通過與實驗對比，該數(shù)值模型能對粉末鋪設過程、粉末燒結(jié)中的顆粒頸縮以及和熔化道中的孔隙缺陷等現(xiàn)象進行定量描述。全過程的數(shù)值模擬能有效還原真實的制造過程，有助于熔化道的質(zhì)量分析，進而指導制造過程的參數(shù)優(yōu)化和工藝設計。

圖3． 電子束選區(qū)熔化過程實驗和仿真模型。

模擬流程主要包括：

利用離散單元模型（Discrete Element Method，DEM）求解鋪粉后的粉床幾何形貌；

將粉床形貌作為熱力學和流體力學分析的幾何輸入，采用相場法（Phase Field，PF）、有限體積方法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）分別進行介觀尺度下金屬粉末燒結(jié)過程和熔化過程的模擬。

其中，自由表面的形貌采用體積分數(shù)法（VOF）處理。

部分模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4． 單熔化道實驗與模擬結(jié)果。

（a）， （c）球化現(xiàn)象；（b）， （d） 非均勻熔化道

在2017年，閆文韜（第一作者）與林峰，Gregory J． Wagner（通訊作者）在Acta Materialia和Materials ＆ design發(fā)表的研究對電子束選區(qū)熔化的熱力學過程進行了模擬。針對鋪粉式電子束選區(qū)熔化過程，分別對單／多熔化道，單層和多層不同掃描方案展開熱力學模擬，充分討論了熱源參數(shù)、掃描方案、鋪粉狀態(tài)等控制參數(shù)對球化、表面形貌、孔洞缺陷、馬拉高尼（Marangoni）現(xiàn)象以及材料結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律（圖5），結(jié)合不同參數(shù)的模擬計算，討論了熔化道質(zhì)量的提升方案。

圖5． 多層、多道電子束選區(qū)熔化過程中孔洞的形成

近期，閆文韜與美國阿貢國家實驗室和密蘇里大學合作，在Nature Communications發(fā)表學術論文，利用高速X射線成像技術直接觀察了激光選區(qū)熔化過程中氣泡的運動，其中閆文韜開發(fā)的熔化模型很好的重現(xiàn)了激光選區(qū)熔化過程中的keyhole現(xiàn)象。

圖6． Keyhole現(xiàn)象的高物理保真仿真模擬與阿貢國家實驗室高速X光下的直接實驗結(jié)果

4． 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的成形－結(jié)構(gòu)－性能一體化模擬
為解決實驗參數(shù)選擇與優(yōu)化復雜、實驗過程繁瑣、生產(chǎn)零件性能難以控制等問題，2018年，閆文韜（第一作者）與Wing Kim Liu （通訊作者）在Computational Mechanics和Frontiers of Mechanical Engineering提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多尺度、多物理場過程結(jié)構(gòu)一體化模擬的增材制造框架。將制造過程中的數(shù)據(jù)與模擬的數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)同工作，以數(shù)據(jù)挖掘的方式，將模擬計算結(jié)果反饋給制造數(shù)據(jù)，對制造參數(shù)進行實時調(diào)控，實現(xiàn)增材制造在線監(jiān)測的閉環(huán)控制。同年，閆文韜（第一作者）與Gregory J． Wagner（通訊作者）在Computer Methods in Applied Mechanics ＆ Engineering發(fā)表的論文，對一體化模擬系統(tǒng)做出了詳細的討論（圖7）。其數(shù)值模擬部分主要由三個模塊相互耦合構(gòu)成：

1． 鋪粉仿真＋熱／流體力學數(shù)值模型計算，得出AM過程中熔池的溫度場演變、多層多道熔化道演變、孔洞結(jié)構(gòu)的形成等過程；
2． 提取1中計算的溫度場分布、熔化道形貌、孔洞分布等狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為枝晶生長的元胞自動機模型的輸入?yún)��?shù)，預報構(gòu)件的晶粒結(jié)構(gòu)；
3． 將2中的結(jié)果作為材料的物性參數(shù)，預報構(gòu)件的力學性能，疲勞壽命等宏觀特征。

圖7． 成形－結(jié)構(gòu)－性能一體化模擬框架的概念分布圖

成形－結(jié)構(gòu)－性能一體化數(shù)值模擬不僅能用于材料晶粒、體積缺陷分布等信息的預測，還能用于粉末顆粒熔化和熔池流動的過程預測，從而促進對增材制造機理的理解。此外，結(jié)合過程監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制，能確保制造過程和制造質(zhì)量的穩(wěn)定性。