金屬3D打印316L不銹鋼的微觀殘余應(yīng)力：計(jì)算模擬分析

2022年2月，南極熊獲悉，新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜團(tuán)隊(duì)，發(fā)布了一篇關(guān)于金屬增材制造（316L不銹鋼）微觀殘余應(yīng)力機(jī)理的數(shù)值模擬工作論文，在固體力學(xué)期刊JMPS上。

近年來(lái)，金屬增材制造因其制造復(fù)雜幾何形狀的零件的卓越能力而備受關(guān)注。然而，制造過(guò)程中的較高溫度梯度會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致零件的變形甚至破裂。本文使用數(shù)值計(jì)算方法，在晶粒尺度上研究了增材制造零件中殘余應(yīng)力的形成和演變，具體計(jì)算框架結(jié)合了多物理場(chǎng)熱流體流動(dòng)模型、晶粒生長(zhǎng)相場(chǎng)模型和晶體塑性有限元模型。首先，該框架通過(guò)將模擬結(jié)果與兩個(gè)采用不同工藝參數(shù)的316L不銹鋼樣品中的不同晶粒族的晶格應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比而得到驗(yàn)證。然后研究了樣品中殘余應(yīng)力、塑性變形和晶粒取向之間的關(guān)系。在激光掃描過(guò)程中可以觀察到殘余應(yīng)力是由于晶粒受到壓縮-拉伸作用而形成的，而這在熔池內(nèi)部尤為明顯，因此熔池的形狀對(duì)殘余應(yīng)力分布有顯著影響。此外，仿真預(yù)測(cè)了冷卻階段塑性變形的在晶粒之間的重新分布，且較大的殘余應(yīng)力出現(xiàn)在沿激光掃描方向。這項(xiàng)工作為理解增材制造零件中微尺度殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和演變機(jī)制提供了新的參考。

△計(jì)算仿真方法示意圖

△仿真與實(shí)驗(yàn)的晶格應(yīng)變對(duì)比方法示意圖及結(jié)果

金屬增材制造(Additive manufacturing, AM)過(guò)程中，由于較高的溫度梯度和快速的加熱-冷卻過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致零件發(fā)生翹曲或開(kāi)裂。本文通過(guò)計(jì)算仿真方法，研究了微觀殘余應(yīng)力在增材制造過(guò)程中的產(chǎn)生和演變過(guò)程，以期為降低增材制造零件中的殘余應(yīng)力提供參考。本文采用耦合了多物理場(chǎng)熱流體模型-相場(chǎng)晶粒生長(zhǎng)模型-晶體塑性有限元模型的計(jì)算框架，模擬出了激光粉末選區(qū)熔化制造過(guò)程中316L不銹鋼材料的熱-力學(xué)行為，并通過(guò)與原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的晶格應(yīng)變演化對(duì)比驗(yàn)證，有力地闡釋了增材制造零件中殘余應(yīng)力在晶粒尺度上的產(chǎn)生和演變機(jī)理。

△塑性變形在增材制造冷卻過(guò)程中的重新分布

來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系的閆文韜教授團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了能夠模擬過(guò)程-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的數(shù)值計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)激光粉末選區(qū)熔化過(guò)程的殘余應(yīng)力模擬，進(jìn)一步解釋了增材制造過(guò)程中微觀殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、分布特征和演變規(guī)律。該研究最主要的貢獻(xiàn)在晶粒尺度上揭示了增材制造零件中殘余應(yīng)力的特征和機(jī)理如下：
1) 激光掃描過(guò)程導(dǎo)致的熱膨脹和收縮使得材料在約束下發(fā)生不均勻的塑性變形，其復(fù)雜的拉壓受力特性導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。
2) 殘余應(yīng)力的分布與熔池特征相關(guān)，拉應(yīng)力多集中于熔池軌跡中的伸長(zhǎng)晶內(nèi)，且殘余應(yīng)力的大小與晶粒取向相關(guān)。
3)在冷卻階段，晶粒之間的不相容塑性變形會(huì)進(jìn)行逐漸均勻化再分布以降低殘余應(yīng)力。該研究提出了針對(duì)增材制造零件的殘余應(yīng)力的計(jì)算模擬方法，且此方法表現(xiàn)出了能夠通過(guò)輸入工藝參數(shù)預(yù)測(cè)最終材料性能和殘余應(yīng)力的潛力。同時(shí)，本研究中的結(jié)果揭示了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和演化機(jī)理，為優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)降低殘余應(yīng)力提供了新的參考。該文近期發(fā)表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids 104822 (2022)。
（原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0022509622000394）


通訊作者介紹：
閆文韜：
新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授。2012年獲得清華大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2017年獲得美國(guó)西北大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，2018年在西北大學(xué)機(jī)械工程系完成博士后研究，任美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的客座研究員。目前從事金屬增材制造（如電子束選區(qū)熔化，激光選區(qū)熔化）中的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析等研究工作。

目前閆文韜老師團(tuán)隊(duì)誠(chéng)招優(yōu)秀博士后加入，申請(qǐng)人需有以下至少一項(xiàng)專長(zhǎng)：
1）固體力學(xué)或流體力學(xué)中的計(jì)算建模，有限元法、有限體積法、流體體積法、相場(chǎng)、元胞自動(dòng)機(jī)、蒙特卡洛等計(jì)算方法，傳熱、多相流、金屬相變、晶體塑性、 熱-機(jī)械模擬等
2）金屬增材制造（SLM、EBM、LENS 等）或類似的金屬制造（焊接、鑄造、粉末冶金等）。
3）拓?fù)鋬?yōu)化。
4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理建模、機(jī)器學(xué)習(xí)。
歡迎感興趣的的申請(qǐng)人發(fā)郵件至mpeyanw@nus.edu.sg，請(qǐng)附上CV。
團(tuán)隊(duì)詳情參見(jiàn)https://blog.nus.edu.sg/yanwt

本文另一作者Nicolò Grilli原為閆文韜團(tuán)隊(duì)博士后，目前已出站并在英國(guó)布里斯托大學(xué)擔(dān)任教職，正在組建團(tuán)隊(duì)，主要研究領(lǐng)域包括晶體塑性，固體力學(xué)，增材制造，位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)，斷裂疲勞等領(lǐng)域，歡迎感興趣的相關(guān)領(lǐng)域同學(xué)交流合作。
詳情參見(jiàn)https://research-information.bri ... rilli#opennewwindow