改善增材制造Al-Fe-Cu-xZr合金的加工性能和晶粒組織：實驗和高保真度模擬

來源： 多尺度力學

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，但通過增材制造生產(chǎn)的高強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），導致最終鋁合金的機械性能較差。來自西北工業(yè)大學和華中科技大學等學校的研究者們發(fā)現(xiàn)，通過在鋁基合金中加入微量的鋯元素（x=0.3%、0.6%、0.8%、1.3%），可以顯著提高高強度鋁合金的工藝性和微觀結(jié)構(gòu)。具體來說，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。鋯的加入還促進了柱狀晶粒向等軸晶粒的轉(zhuǎn)變，并細化了晶粒尺寸，從而提高了合金的機械性能。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)異的強度和延展性。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計新型鋁合金提供了有價值的指導。

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

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

模型涉及到的質(zhì)量、動量和能量守恒方程為：

動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：

高保真模擬過程中的部分物理參數(shù)設(shè)置如下：

固相導熱率：

其中：

液相導熱率：

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)置值通過實驗標定，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)下的熱導率隨溫度的變化。CFD仿真計算的幾何模型由DEM模擬得到，模型見圖2。

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

圖 2 激光粉末床熔合過程的物理模型

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

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，單個熔池內(nèi)的熔體速度梯度；

圖4 模擬的單個熔池內(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，模擬匙孔形狀及對應熔池表面馬蘭戈尼強度的演變：

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

      圖6，溫度場信息模擬。

圖6 LPBF Al - 1Fe - 0.6 Cu - xZr合金的單熔池熱場分布。單道模擬溫度場側(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