上海交大李軍副教授、李建國(guó)教授團(tuán)隊(duì)：高溫合金增材制造的高保真多物理場(chǎng)數(shù)值模擬

來(lái)源： 上海交通大學(xué)材料學(xué)院

近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李軍副教授、夏明許研究員、李建國(guó)教授課題組聯(lián)合英國(guó)萊斯特大學(xué)董洪標(biāo)教授課題組、倫敦瑪麗女王大學(xué)C. Panwisawas副教授、東莞材料基因高等理工研究院張瑞堯博士，在激光粉末床增材制造的數(shù)值模擬領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Solute trapping and non-equilibrium microstructure during rapid solidification of additive manufacturing”為題發(fā)表在 Nature Communications上。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43563-x

該工作通過(guò)在“亞晶�！背叨葮�(gòu)建微觀(guān)組織演變與宏觀(guān)多物理場(chǎng)傳輸?shù)碾p向強(qiáng)耦合數(shù)值模型，展示了高溫合金增材制造過(guò)程中快速冷卻及強(qiáng)烈對(duì)流條件下溶質(zhì)元素的動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程以及固液界面形貌的演變過(guò)程，從成形件中合金元素微觀(guān)偏析的角度解釋了高溫合金增材制的裂紋敏感性，并探討了熔體流動(dòng)對(duì)增材制造非平衡凝固過(guò)程的作用。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理研究員任能為論文第一作者，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李軍副教授、英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程與材料科學(xué)學(xué)院Chinnapat Panwisawas副教授為論文共同通訊作者，上海交通大學(xué)為論文第一完成單位。

激光粉末床熔覆（Laser powder bed fusion, LPBF）增材制造技術(shù)因其在復(fù)雜形狀構(gòu)件的高精度成形中的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車(chē)和醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。盡管LPBF工藝在工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力，但其成形件仍然會(huì)產(chǎn)生孔洞、裂紋等缺陷，限制了該極富創(chuàng)新性技術(shù)的推廣。特別是鎳基高溫合金LPBF成形件中極易產(chǎn)生裂紋，裂紋缺陷大大加速了高溫合金構(gòu)件在高溫高壓工況下的斷裂失效。如何高效抑制裂紋的形成？更改合金成分還是尋找工藝窗口？如何解釋不同種類(lèi)高溫合金的裂紋敏感性？這些問(wèn)題一直困擾著研究人員和工程師們。盡管以往的研究已證實(shí)合金元素的成分偏析極大程度地作用于成形件中的凝固裂紋和液化裂紋，但目前尚不清楚溶質(zhì)元素是如何在增材制造特有的強(qiáng)對(duì)流、高冷速條件下進(jìn)行傳輸和發(fā)生再分配的，仍亟需進(jìn)一步對(duì)其探究以更好地去理解、調(diào)控乃至最終完全消除裂紋缺陷。

當(dāng)前對(duì)增材制造微觀(guān)組織的研究多以成形態(tài)的金相檢驗(yàn)和成分掃描為主，原位實(shí)驗(yàn)的條件還難以以微米甚至亞微米級(jí)的空間分辨率捕捉到超高溫、納秒級(jí)超快速增材制造過(guò)程中的溶質(zhì)元素傳輸和晶體熔化/生長(zhǎng)過(guò)程。而目前已開(kāi)發(fā)出的數(shù)值模型方法大多以宏觀(guān)尺度的熱歷史作為輸入條件代入到晶粒組織的模擬中，或是對(duì)特定傳熱、流動(dòng)條件下的微觀(guān)尺度的晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行模擬，無(wú)法完整再現(xiàn)出增材制造循環(huán)熔化凝固過(guò)程中“亞晶粒”尺度的組織-成分耦合演變。針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，研究人員結(jié)合微觀(guān)組織預(yù)測(cè)的元胞自動(dòng)機(jī)法和基于有限體積法的多物理場(chǎng)傳輸求解，充分考慮了二者的雙向強(qiáng)耦合作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)增材制造過(guò)程中微觀(guān)組織演變和溶質(zhì)元素傳輸動(dòng)態(tài)過(guò)程的可視化（圖1）。

圖1 多道次多層LPBF過(guò)程中的溶質(zhì)傳輸和微觀(guān)組織演變過(guò)程（GIF動(dòng)圖）

研究團(tuán)隊(duì)探究了在亞晶粒尺度下金屬液的流動(dòng)在循環(huán)熔化凝固過(guò)程中對(duì)成分分布和固液界面形貌演變的作用。熔池底部金屬液中的成分分布在凝固過(guò)后幾乎得以完全保留，即使在0.25μm的像素點(diǎn)下也未觀(guān)測(cè)到明顯的微觀(guān)組織，晶體可近似看作以平界面在生長(zhǎng)，熔池底部出現(xiàn)溶質(zhì)截留區(qū)。沿著凝固方向，固液界面形貌隨后向細(xì)胞狀晶以及粗胞狀晶轉(zhuǎn)變。但熔體的流動(dòng)給微觀(guān)組織及成分分布帶來(lái)了擾動(dòng)，它可將富集的溶質(zhì)遷移到凝固前沿，也可稀釋凝固前沿因溶質(zhì)分凝而排出的溶質(zhì)元素，進(jìn)而改變固液界面的形貌轉(zhuǎn)變過(guò)程。在熔池底部，劇烈流動(dòng)整體上使排出的溶質(zhì)在熔池內(nèi)充分混合，擴(kuò)大了熔池底部的溶質(zhì)截留區(qū)；而在最后凝固的熔池頂部區(qū)域，盡管溶質(zhì)元素極大程度地富集于此，但下一道次/下一層的熔覆過(guò)程又會(huì)使該區(qū)域熔化并重新凝固，使成分富集得以消除。

研究人員隨后從LPBF成形態(tài)微觀(guān)組織和成分分布的角度分析了不同種類(lèi)高溫合金的裂紋傾向性。研究發(fā)現(xiàn)，在打印性較好的ABD-850AM和IN718的熔池底部均形成了較大區(qū)域的溶質(zhì)截留區(qū)，且溶質(zhì)截留區(qū)在新一層打印結(jié)束后仍得以保留甚至是擴(kuò)大，而CM247LC中并未形成規(guī)律的溶質(zhì)截留區(qū)(圖2)，晶界強(qiáng)化元素（如Hf）呈現(xiàn)出極強(qiáng)的微觀(guān)偏析傾向。削弱微觀(guān)偏析可抑制凝固裂紋和液化裂紋的產(chǎn)生，還可縮小沉淀相析出尺寸和形貌的差異而減小固態(tài)裂紋產(chǎn)生的幾率。之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，一些裂紋甚至是被這些溶質(zhì)截留區(qū)所“打斷”�；�于對(duì)不同Peclet數(shù)下非平衡凝固特性的討論，文章提出除了在合金成分設(shè)計(jì)中減少晶界強(qiáng)化元素外，提升凝固Peclet數(shù)也可大幅減輕溶質(zhì)元素的微觀(guān)偏析，進(jìn)而減小成形件中裂紋產(chǎn)生的幾率，有望為高γ′相體積分?jǐn)?shù)高溫合金的增材制造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

圖2 高溫合金ABD850-AM、Inconel 718和CM247LC的LPBF成形態(tài)微觀(guān)組織和成分分布特征

這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金(52074182)、上海市科委面上基金(22ZR1430700)、上海交通大學(xué)新進(jìn)教師啟動(dòng)計(jì)劃的資助。上述工作也是團(tuán)隊(duì)近期在高溫合金定向凝固宏觀(guān)模擬（Acta Materialia, 2021， 206, 116620, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116620和微觀(guān)模擬（Acta Materialia, 2021, 215, 117043, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117043；Metall Mater Trans A，2023， 54, 4612–4619, https://doi.org/10.1007/s11661-023-07224-4) 模型基礎(chǔ)上的進(jìn)一步拓展。

主要作者簡(jiǎn)介

任能博士、助理研究員，主要從事凝固過(guò)程數(shù)值模擬研究；

李軍副教授、博導(dǎo)，教育部國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃青年學(xué)者，主要從事凝固過(guò)程數(shù)字化與智能化研究；

李建國(guó)教授、973首席科學(xué)家，國(guó)家杰出青年基金獲得者，主要從事凝固理論與凝固控制技術(shù)研究。