清華大學(xué)增材頂刊：增材制造金屬組織形貌與熔體流動(dòng)和凝固過程之間的關(guān)系

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：操縱金屬中新晶粒的形成對(duì)于部件中的晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。溫度梯度和凝固速度被認(rèn)為是控制新晶粒形成的主要因素，而增材制造流體流動(dòng)的影響從未被研究過。本文通過與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的雙向耦合，研究了流體流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響以及不同方向的枝晶前新晶粒的形成，增材制造中枝晶的生長(zhǎng)和新晶粒的形成受流體流動(dòng)和凝固的影響顯著，與鑄造工藝相似。此外，利用從熱流體流動(dòng)建模結(jié)果中提取的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行熔池規(guī)模的枝晶生長(zhǎng)模擬。仿真結(jié)果很好地解釋了電子束和激光單軌實(shí)驗(yàn)中晶粒結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，進(jìn)一步證明了流體流動(dòng)對(duì)AM中枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的顯著影響。

金屬增材制造（AM）根據(jù)三維（3D）數(shù)字模型，以逐軌和逐層的方式制造零件。這使得能夠直接快速地生產(chǎn)具有極其復(fù)雜形狀的部件，這對(duì)于傳統(tǒng)的制造方法來說非常困難。然而，成功制造具有理想機(jī)械性能的零件一直是各種AM技術(shù)的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多因素都會(huì)影響晶粒結(jié)構(gòu)的演變。另一方面，這也意味著在通過AM制造零件時(shí)控制晶粒結(jié)構(gòu)的巨大潛力。例如，電子束-粉末床聚變（EB-PBF）已經(jīng)使用適當(dāng)?shù)募庸げ呗�，成功生產(chǎn)了鎳基高溫合金的單晶棒。通過改變加工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)特定晶粒結(jié)構(gòu)控制。

由于增材制造的性質(zhì)，顆粒更喜歡沿著建筑方向外延生長(zhǎng)，并成為柱狀顆粒甚至單晶，這對(duì)于制造用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片是優(yōu)選的，而對(duì)于許多其他部件則不受歡迎。因此，操縱晶粒結(jié)構(gòu)的演變對(duì)于AM技術(shù)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。根據(jù)相互依存理論，現(xiàn)有晶粒前面的過冷在成核和生長(zhǎng)中起著關(guān)鍵作用，從而誘導(dǎo)等軸晶粒結(jié)構(gòu)的形成。利用這一理論，Liu等人，Prasad等人和Bermingham等人研究了溫度梯度和凝固速度對(duì)AM中柱狀到等軸躍遷（CET）的影響，給出了將晶粒結(jié)構(gòu)、溫度梯度、凝固速度和AM技術(shù)聯(lián)系起來的圖譜，表明較低的溫度梯度和較高的凝固速度將促進(jìn)等軸晶粒結(jié)構(gòu)的形成。

晶粒生長(zhǎng)和熔池中新晶粒的形成在很大程度上決定了AM中晶粒結(jié)構(gòu)的演變。實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬表明，由于溫度梯度相對(duì)較低，凝固速度較高，等軸晶粒結(jié)構(gòu)在熔池頂部區(qū)域形成的可能性更高。但是，在沉積下一層時(shí)，頂部區(qū)域?qū)⒈恢匦氯刍�。該區(qū)域的新晶粒不能促進(jìn)等軸晶粒結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。相反，熔池邊界處也出現(xiàn)成核，在建成部分成為有效晶粒的可能性更大，從而導(dǎo)致等軸晶粒結(jié)構(gòu)。

反沖壓力和馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)熔池流，這可能會(huì)影響熔池中的枝晶/晶粒生長(zhǎng)。Wang等人模擬了AlSi10Mg在不同外部磁場(chǎng)下的單軌熔化過程，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)改變?nèi)鄢刂械牧鲃?dòng)模式。與此同時(shí)，杜等人揭示了AlSi10Mg建成部分的等軸晶粒的比例隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增加。他們的研究表明，流體流動(dòng)對(duì)新晶粒的形成可能產(chǎn)生的影響。通過數(shù)值建模和實(shí)驗(yàn)，趙等人提出流體流動(dòng)會(huì)增加凝固前沿成核的可能性，同時(shí)抑制柱狀晶粒的外延生長(zhǎng)。枝晶是谷物的子結(jié)構(gòu)。流體流動(dòng)對(duì)鑄件枝晶生長(zhǎng)的影響，通常溫度梯度和凝固速度較小，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值建模進(jìn)行了研究。流體流動(dòng)引起的溶質(zhì)傳遞可能導(dǎo)致枝晶熔化、枝晶碎裂和樹突形狀改變。 枝晶斷裂會(huì)促進(jìn)鑄件中的成核。對(duì)流會(huì)改變枝晶之前的溶質(zhì)分布，從而影響過冷和成核的可能性。

然而，由于缺乏直接觀察極快凝固過程的實(shí)驗(yàn)方法，在 AM 條件體流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的影響幾乎沒有投入。清華大學(xué)科研人員通過數(shù)值建模和實(shí)驗(yàn)，研究流體流動(dòng)對(duì)AM中枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的影響。首先，通過結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型，使枝晶生長(zhǎng)和流體流動(dòng)雙向耦合，改進(jìn)了多網(wǎng)格枝晶生長(zhǎng)模型。之后，在Inconel 718板上進(jìn)行使用電子束和激光的單軌實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，為了達(dá)到熔池中的各種凝固條件和流動(dòng)強(qiáng)度，可以改變預(yù)熱溫度和掃描速度。同時(shí)，采用高保真熱流體流動(dòng)模型對(duì)熔池流動(dòng)進(jìn)行模擬，得到溫度和流場(chǎng)。然后分兩步執(zhí)行數(shù)值建模調(diào)查。第一步，為了揭示流體流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的影響，我們使用雙向耦合模型模擬了不同凝固條件下預(yù)定義流體流動(dòng)中不同方向的枝晶的生長(zhǎng)。同時(shí)，流體流動(dòng)的影響得到了進(jìn)一步的證明。本文以題“Impact of fluid flow on the dendrite growth and the formation of new grains in additive manufacturing”發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 4860422002317#fig14

圖 1.（a） 多柵格樹突生長(zhǎng)模型示意圖。（b） 偏心八面體增長(zhǎng)算法的示意圖。（為了解釋此圖例中對(duì)顏色的引用，請(qǐng)參閱本文的Web版本。

圖 2.（a）–（d） 通過熱流體流動(dòng)模型模擬熔池的XZ橫截面。（f）–（i）YZ橫截面在實(shí)驗(yàn)中具有彩虹狀曲線，這是從模擬結(jié)果中提取的熔池邊界。

圖 3.（a）–（d） 熔池底部（曲面）溫度梯度的分布。

圖 4.（a1）–（d1）熔池底部（曲面）流速的分布。（a2）–（d2） 熔池處的流場(chǎng)。

圖 5.模擬的枝晶結(jié)構(gòu)。為了便于比較，所有高度輪廓都使用相同的顏色條。

圖 6.（a） 模擬枝晶結(jié)構(gòu)的平均PDAS。（b） 不同凝固條件下的高度差-流速關(guān)系。當(dāng)枝晶生長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測(cè)量平均PDAS和高度差。

圖 7.（a）–（c） 模擬域中間XZ橫截面中Nb分布的比較。（d）（e）模擬域中間YZ橫截面中Nb濃度的比較。溫度梯度為 K/m，凝固速度為0.02 m/s�；疑珔^(qū)域是枝晶。

結(jié)論：本文建立了一種結(jié)合流體流動(dòng)的枝晶生長(zhǎng)模型，研究了 AM 條件體流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的影響 。利用雙向耦合模型，模擬了 AM 中不同溫度梯度和凝固速度動(dòng)液態(tài)金屬中不同取向的枝晶的生長(zhǎng)仿真結(jié)果表明，AM中枝晶的生長(zhǎng)和新晶粒的形成受到流體流動(dòng)和凝固條件的影響顯著，并且與鑄造中的影響相似。之后，利用從熱流體流動(dòng)建模結(jié)果中提取的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行熔池規(guī)模的枝晶生長(zhǎng)模擬。仿真結(jié)果很好地解釋了單軌電子束熔化實(shí)驗(yàn)中晶粒結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，進(jìn)一步證明了流體流動(dòng)對(duì)AM中枝晶生長(zhǎng)和新晶粒形成的重要影響。

研究流體流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響以及熔池邊界潛在新晶粒的形成，是對(duì)依賴于溫度梯度和凝固速度的流行成核理論的有力補(bǔ)充，為晶粒結(jié)構(gòu)的操縱提供指導(dǎo)。