增材制造过程中微观组织演变的三维建模外文翻译资料

 2022-01-16 19:59:22

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增材制造过程中微观组织演变的三维建模

O. Zinovieva , A. Zinoviev, V. Ploshikhin

德国不来梅大学

摘要：对添加剂制造材料的微观结构的预测是面对生产定制部件的挑战的重要研究焦点。在这项工作中，开发了一个三维数值模型来评估金属添加剂制造过程中晶粒结构演变的基本原理。根据增材制造过程中的瞬态温度场，耦合细胞自动机和有限差分方法以预测晶粒结构。研究了利用高能量密度激光束通过熔化金属粉末来制造高度复杂形状的部件的选择性激光熔化工艺。预测的晶粒结构与实验数据一致。所得结果表明，选择性激光熔化和晶粒选择中的特定凝固条件与晶粒生长的竞争性质相关，促进粗大柱状晶粒的发展，其中最有利的生长方向与构建方向不对准。这导致形态和结晶质地。

关键词：金属增材制造、选择性激光熔化、粮食增长、凝固、数值模拟、细胞自动机、晶粒结构的演变

  1. 简介

增材制造（AM）表现出非常高的发展速度，金属零件的制造是AM发展最快的应用之一[1]。 全球大多数金属AM系统采用粉末床熔融工艺[1,2]。 在该方法的框架中，热源以受控的速率扫描粉末床的选定位置并熔化粉末，然后当粉末冷却时固化，以形成待生产部件的第一固体层。 将第一粉末层施加在固定在建筑平台上的基底上。 然后，该部件以逐层方式生产。 热源可以是激光（选择性激光熔化或SLM）或电子束（选择性电子束熔化或SEBM）。

在制造过程中形成的微结构是限定材料的机械性能和应用的关键因素之一。已知由金属AM和常规方法生产的部件的微观结构和因此的机械性能是相当不同的[2,3]。在添加剂制造的样品中观察到强烈的形态和晶体结构[2-12]。当载荷平行且垂直于构建方向时，强度和延性显示不同[2]。据报道，大的柱状晶界是裂纹扩展的优选区域[10,11]。材料微观结构的特征如晶粒尺寸，晶粒形状，晶粒取向是工艺参数的复杂函数。据报道，有超过130个参数可能影响SLM过程[13]。扫描速度，光束功率，扫描策略，影线距离（扫描线间距）和粉末层厚度被认为是SLM中的主要参数[14]。然而，根据经验选择最佳工艺参数，这是昂贵且耗时的工作。

计算机建模是一种有吸引力的工具，可用于综合研究和优化添加剂制造材料的材料特性。 到目前为止，绝大多数理论工作都集中在基于物理的金属AM过程模拟上，旨在分析宏观尺度上的温度和速度场以及残余应力积累（参见[15-19]）。 AM诱导微结构演化的建模正成为热门话题，并开始在文献中出现。

让我们简要回顾一下金属AM晶粒长大模拟的努力。 Rai等。[20,21]创建了一个二维（2D）元胞自动机（CA）格子Boltzmann（LB）模型，考虑了粉末相关的随机效应，能量吸收和蒸发，熔池动力学和微观结构演化。应用二维CALB模型研究了工艺参数（孵化距离，扫描速度和策略）对SEBM在镍基高温合金中诱导晶粒结构演变的影响。 Rolchigo等。[22]制定了一个2D多尺度模型，将光束熔化问题的宏观描述与微尺度CALB模型相结合，以描述特定的AM过程，激光工程净成形（LENSTM），在各个枝晶的尺度上。对于宏观尺度的过程建模，使用了COMSOL Multiphysics的流体流动和传热模块。 Panwisawas等。 [23]在三维（3D）OpenFOAM计算流体动力学（CFD）细胞自动机 - 有限元（CAFE）模型的框架内考虑了粉末粒度分布，熔体流动，晶粒结构的演变和c00沉淀。提出的基于微观结构的建模方法旨在预测镍基高温合金IN718的SLM期间激光 - 粉末相互作用，表面结构，孔隙度发展和晶粒结构演变的行为。由Marion等人构建的3D有限元模型。[24]模拟直接金属沉积（DMD）过程没有明确考虑晶粒结构，但能够分析在Ti-6Al-4V中发展的相变。 [26]分别使用基于Rappaz和Gandin [27]提出的方法的CAFE模型模拟钛和铝合金的金属AM。在这两种情况下，用于描述介观形态演化的CA模型是二维的。 Nie等人。 [28]提供了一个随机有限元模型，用于在SLM凝固预期的条件下再生含Nb的镍基高温合金的树枝状微观结构。然而，所开发的模型遭受由网格引起的人为各向异性。换句话说，模拟树枝状晶体的主传播轴与全局坐标轴对齐并呈现相同的取向。 Sahoo和Chou [29]使用相场模型模拟了SEBM期间的树突生长。然而，由于相场方法需要相当大的计算能力，因此枝晶生长模拟仅限于单个晶粒。最近的进展也报道了使用蒙特卡罗（MC）技术在金属AM中进行晶粒结构演变的3D模拟[30]。 MC模拟的好处是足够低的计算成本，因此能够预测具有数百个热源通道的3D微结构。尽管动力学MC模型允许描述晶粒形态，但它不包含添加剂制造材料的晶体结构。

上面提到的大多数模型都集中在熔池中局部发生的物理现象（流体流动，Marangoni效应）[20-23]或描述复杂的树枝状结构[22,28,29]，但由于计算成本高，模拟多个 热源的通过具有挑战性。 其他模型（例如，参见[24]）可以模拟工业零件的AM，但不能提供微观结构数据用于分析和机械计算的进一步应用。

虽然已经对添加剂制造的微观结构进行了广泛的实验研究，但是仍然没有完全理解微观结构形成的性质，并且尚未研究所涉及的机理。理解最终微观结构所必需的重要任务是在凝固过程中得出其动态演变。目前正是数值模拟使其成为可能。迄今为止，由AM诱导的微观结构演变的大部分计算都是在2D制剂中进行的[20-22,25,26,28,29,31,32]。对该主题文献的分析性回顾表明，在金属AM过程中晶粒结构演变的三维数值研究存在相当大的差距。此外，由于高计算成本，它是在3D设置中模拟的单程热源。在这些模拟中获得的结果无法看到由金属AM引起的微观结构演变的全貌。真实材料是三维的，微观结构效应也是三维的。在相对较深的熔池的情况下，该问题的三维配方特别重要。当所得到的熔池深处时，大量三维取向的柱状晶粒的冲击效应在最终微观结构的形成中起着至关重要的作用[21,31]。

在此通信中，我们报告了金属添加剂制造过程中多晶结构的演变。 为此，我们开发了一个3D CAFD模型，考虑了加工和微观结构之间的相互关系。 三维数值模型结合了Rappaz和Gandin [27]开发的改进CA方法和传热方程的FD解。 模拟了SLM样品中晶粒结构的演变。 我们认为不是整个部分，而是矩形长方体形式的子体积。 获得了关于SLM处理期间3D晶粒生长的动力学，统计学和拓扑学方面的结论。

  1. 模型描述

考虑这是一种三维SLM过程建模方法。首先，我们需要生成一种多晶基板，其特点是等轴晶粒和没有纹理。然后，将第一粉末层沉积在基板上。为简单起见，我们使用粉末层的均匀近似。忽略过程区域的详细物理（例如，流体流动，Marangoni对流）以简化和减少计算时间。激光束根据预定义的扫描策略以恒定速度移动。我们考虑单向扫描矢量。选择扫描策略是相同的，不旋转扫描方向。在每次激光通过之后，将计算域冷却至环境温度Te。这是因为在等效实验中每次通过后，假设激光束远离域。在激光照射粉末层时，将新的粉末层沉积在前一层上。重复此过程，直到构建指定数量的层。选择最广泛使用的钛合金Ti-6Al-4V作为模型材料。

虽然大多数从业者使用反平行扫描而不是单向扫描，并且使用工具路径规划来旋转每层的扫描轴以避免层之间的缺陷传播，但忽略扫描策略对微结构演变的影响最小化。 这种方法已经在实验工作和建模中使用（参见，例如，[33-35]），以更详细地理解SLM期间材料中发生的过程。

2.1传热

瞬态传热过程由热传导方程描述如下图

这里q是密度，cp是比热容，k是热导率，T是温度，t是时间，Q是体积热输入项，定义为来自激光束的热输入。为了简单起见，在所提出的模型中没有考虑到熔化潜热，因为它相对于热源效应对热传递的贡献较低[24,35-37]。在[38]中详细分析了熔化潜热对激光焊接局部热过程的影响。熔池和糊状区的形状显示出对潜热的敏感性。例如，当热源率高时，熔池被拉长并且形状像泪珠。如果忽略潜热，在其他条件相同的情况下，熔池变得越来越短。固相等温线变宽并相应缩短（请参考[38]中的图3）。通过使用热源模型可以部分地考虑这个问题，其中引入了描述熔池几何的参数[39]。值得注意的是，一些允许潜热的方法（例如，通过增加热容值）导致低估熔池和糊状区的形状和尺寸，如Karkhin等人所示。 [38]。

由激光照射粉末层产生的瞬态温度场的模拟不是一个小问题。 最初在焊接中然后在增材制造中对热源建模的一般方法可以分为两个主要组。

第一组方法涉及熔池形成及其流体动力学的完整描述（参见，例如，[20-23]）。 作为该方法的一部分，可以获得该过程的能量参数与熔合区的形状和尺寸之间的关系，各种缺陷（例如孔隙，底切和冷圈）的形成概率。 然而，这些方法的实际应用仍然非常有限。 在熔池中发生的过程具有复杂的非平衡物理和冶金性质，并且难以描述。 使用描述这些过程的复杂模型的计算是耗时的并且具有对计算成本的高要求。

基于传热理论的第二组方法使用更简单的模型，其以某种方式理想化由热源产生的热通量的分布并且允许描述熔池的形状和尺寸。 这些模型从简单的点源[40]到复杂的高斯分布[39]不等。 在这项工作中，使用Goldak等人提供的双椭球模型计算热输入的空间分布。[39]。 如今，双椭球热源模型是基于激光的制造模拟中最广泛使用的模型之一，因为它相对简单和易用[41]。 该模型考虑了由两个椭圆形源组成的组合热源（图1a）。 热量以高斯方式分布在局部坐标系中定义的这些半椭球区域上。 对于一点eth;xhs;YHS; 在前半部分内部，热通量定义为

对于后半椭圆体内的点，热通量表示为

这里xhs，yhs和zhs是相对于移动热源的点的局部坐标，a，b，cf和cr是分别定义前半椭圆和后半椭圆的长度的集合，P是幂 激光束 表示前半椭圆体和后半椭圆体中的能量分布的比例系数ff和fr给出为：

为了定义传热问题的初始和边界条件，让我们引入一个如图1b所示的全局坐标系，并通过L1，L2和L3定义X，Y和Z中域的线性维数。 方向，分别。 让我们考虑一个域D(x,y,z,t)除外; 与边界S(x,y,z,t)者除外;其中x, y和z是全局坐标。 任何局部点(x,y,z)isin;D(x,y,z,0)在t = 0时均匀温度分布的初始条件定义为：

激光束以恒定速度沿Y轴移动，并扫描XY平面。

侧面Sx1(x=0)和Sx2(x=L1)被认为是对称平面。 绝缘边界条件在Sx1，Sx2上设置为

顶面Sz2(z=L3)受到辐射和对流：

其中kappa;是传热系数，delta;B是Stefan-Boltzmann常数，e是发射率。 散热条件定义在前面Sy1（y=0），后面Sy2(y=L2)y和底部Sz1(z=0)表面。 我们假设恒定温度T保持在距Sy1，Sy2和Sz1边界一定距离处。 基于该假设，可以计算热梯度G作为时间的函数，并且边界上的温度T(x,y,z)为t ge;0;(x,y,z)isin;Sy1 cup;Sy2 cup;Sz1是从第二种类型的边界条件定义的：

传热问题与相应的初始和

边界条件(1) - ( 9)使用显式前向时间中心空间（FTCS）FD方案来求解。

图1.（a）Goldak双椭球和（b）研究中的计算域的示意图2.2粮食结构的演变

在模拟谷物结构的演变时，我们假设

（i）熔池中没有新的颗粒产生;

（ii）描述了母体b-谷粒的生长;

（iii）模拟树枝状结构的生长。

让我们简要地谈谈这些假设。

第一个假设基于以下推理。 根据冷却条件，合金的凝固可以在两种明显不同的生长条件下进行，这些条件因固液界面的热量移除而不同[42-45]：

（i）过冷熔体的自由，无约束的增长：在这种情况下，大多数形成等轴枝晶;

（ii）定向凝固或约束生长：在这种情况下，可形成平面前，细胞或树枝状结构。

在合金的定向凝固期间，核可以在凝固前沿处或之前形成。在SLM过程中，熔池中的陡峭的热梯度可防止凝固前沿之前的成核。换句话说，在铸件中，新的等轴晶粒的形成可能是由于糊状区域中二次枝晶臂的脱离造成的[45]。在选择性激光熔化中产生的陡峭的热梯度导致非常窄的糊状区域。因此，上述可能导致形成新晶粒的机制是不可能的。此外，Ti-6Al-4V合金包含具有高分配系数（接近1）的元素。因此，其构成过冷的程度是有限的。这导致在凝固前沿之前晶粒成核的可能性较低[46]。鉴于上述情况，凝固晶体在固体母体基体金属晶粒上形成的外延凝固将极有可能发生，导致长柱状母体b晶粒的发展。许多论文报道了金属AM外延生长的实验证据，包括Ti-6Al-4V合金的AM [2-11,33,47-49]。外延生长的基本物理学在[42,47]中有详细解释。

在本研究中模拟的SLM工艺中，将第一沉积粉末层与基底熔化在一起，所述基底是与粉末（几乎）相同的材料。随后沉积的粉末层与

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资料编号：[1229]

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