清華大學增材頂刊：增材制造金屬組織形貌與熔體流動和凝固過程之間的關系

來源：材料學網

導讀：操縱金屬中新晶粒的形成對于部件中的晶粒結構至關重要。溫度梯度和凝固速度被認為是控制新晶粒形成的主要因素，而增材制造流體流動的影響從未被研究過。本文通過與計算流體動力學模型的雙向耦合，研究了流體流動對枝晶生長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和新晶粒的形成受流體流動和凝固的影響顯著，與鑄造工藝相似。此外，利用從熱流體流動建模結果中提取的溫度場和流場數據，進行熔池規(guī)模的枝晶生長模擬。仿真結果很好地解釋了電子束和激光單軌實驗中晶粒結構的形成機理，進一步證明了流體流動對AM中枝晶生長和新晶粒形成的顯著影響。

金屬增材制造（AM）根據三維（3D）數字模型，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具有極其復雜形狀的部件，這對于傳統的制造方法來說非常困難。然而，成功制造具有理想機械性能的零件一直是各種AM技術的挑戰(zhàn)，因為許多因素都會影響晶粒結構的演變。另一方面，這也意味著在通過AM制造零件時控制晶粒結構的巨大潛力。例如，電子束-粉末床聚變（EB-PBF）已經使用適當的加工策略，成功生產了鎳基高溫合金的單晶棒。通過改變加工參數，可實現現場特定晶粒結構控制。

由于增材制造的性質，顆粒更喜歡沿著建筑方向外延生長，并成為柱狀顆粒甚至單晶，這對于制造用于飛機發(fā)動機的渦輪葉片是優(yōu)選的，而對于許多其他部件則不受歡迎。因此，操縱晶粒結構的演變對于AM技術的廣泛應用至關重要。根據相互依存理論，現有晶粒前面的過冷在成核和生長中起著關鍵作用，從而誘導等軸晶粒結構的形成。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AM中柱狀到等軸躍遷（CET）的影響，給出了將晶粒結構、溫度梯度、凝固速度和AM技術聯系起來的圖譜，表明較低的溫度梯度和較高的凝固速度將促進等軸晶粒結構的形成。

晶粒生長和熔池中新晶粒的形成在很大程度上決定了AM中晶粒結構的演變。實驗觀察和數值模擬表明，由于溫度梯度相對較低，凝固速度較高，等軸晶粒結構在熔池頂部區(qū)域形成的可能性更高。但是，在沉積下一層時，頂部區(qū)域將被重新熔化。該區(qū)域的新晶粒不能促進等軸晶粒結構的出現。相反，熔池邊界處也出現成核，在建成部分成為有效晶粒的可能性更大，從而導致等軸晶粒結構。

反沖壓力和馬蘭戈尼效應驅動熔池流，這可能會影響熔池中的枝晶/晶粒生長。Wang等人模擬了AlSi10Mg在不同外部磁場下的單軌熔化過程，發(fā)現增強磁場會改變熔池中的流動模式。與此同時，杜等人揭示了AlSi10Mg建成部分的等軸晶粒的比例隨著磁場的增強而增加。他們的研究表明，流體流動對新晶粒的形成可能產生的影響。通過數值建模和實驗，趙等人提出流體流動會增加凝固前沿成核的可能性，同時抑制柱狀晶粒的外延生長。枝晶是谷物的子結構。流體流動對鑄件枝晶生長的影響，通常溫度梯度和凝固速度較小，通過實驗和數值建模進行了研究。流體流動引起的溶質傳遞可能導致枝晶熔化、枝晶碎裂和樹突形狀改變。 枝晶斷裂會促進鑄件中的成核。對流會改變枝晶之前的溶質分布，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驗方法，在 AM 條件體流動對枝晶生長和新晶粒形成的影響幾乎沒有投入。清華大學科研人員通過數值建模和實驗，研究流體流動對AM中枝晶生長和新晶粒形成的影響。首先，通過結合計算流體動力學（CFD）模型，使枝晶生長和流體流動雙向耦合，改進了多網格枝晶生長模型。之后，在Inconel 718板上進行使用電子束和激光的單軌實驗。在這些實驗中，為了達到熔池中的各種凝固條件和流動強度，可以改變預熱溫度和掃描速度。同時，采用高保真熱流體流動模型對熔池流動進行模擬，得到溫度和流場。然后分兩步執(zhí)行數值建模調查。第一步，為了揭示流體流動對枝晶生長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定義流體流動中不同方向的枝晶的生長。同時，流體流動的影響得到了進一步的證明。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） 多柵格樹突生長模型示意圖。（b） 偏心八面體增長算法的示意圖。（為了解釋此圖例中對顏色的引用，請參閱本文的Web版本。

圖 2.（a）–（d） 通過熱流體流動模型模擬熔池的XZ橫截面。（f）–（i）YZ橫截面在實驗中具有彩虹狀曲線，這是從模擬結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。

圖 5.模擬的枝晶結構。為了便于比較，所有高度輪廓都使用相同的顏色條。

圖 6.（a） 模擬枝晶結構的平均PDAS。（b） 不同凝固條件下的高度差-流速關系。當枝晶生長達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測量平均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。

結論：本文建立了一種結合流體流動的枝晶生長模型，研究了 AM 條件體流動對枝晶生長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液態(tài)金屬中不同取向的枝晶的生長仿真結果表明，AM中枝晶的生長和新晶粒的形成受到流體流動和凝固條件的影響顯著，并且與鑄造中的影響相似。之后，利用從熱流體流動建模結果中提取的溫度場和流場數據，進行熔池規(guī)模的枝晶生長模擬。仿真結果很好地解釋了單軌電子束熔化實驗中晶粒結構的形成機理，進一步證明了流體流動對AM中枝晶生長和新晶粒形成的重要影響。

研究流體流動對枝晶生長的影響以及熔池邊界潛在新晶粒的形成，是對依賴于溫度梯度和凝固速度的流行成核理論的有力補充，為晶粒結構的操縱提供指導。