通過相場模擬，獲得金屬3D打印過程中的晶粒演化特點，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)控制

來源：3D打印技術(shù)參考

摘要：對于粉末床金屬增材制造技術(shù)，無論是基于激光的還是電子束的，工藝參數(shù)如功率、掃描速度和掃描策略等均強烈影響增材制造過程中微觀結(jié)構(gòu)的形成，而微觀結(jié)構(gòu)會影響產(chǎn)品的最終機械性能。因此，微觀結(jié)構(gòu)是制造工藝和機械性能之間的關(guān)鍵橋梁。了解微觀結(jié)構(gòu)演化的機制并通過調(diào)整工藝參數(shù)來定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能非常重要。然而，由于增材制造工藝參數(shù)眾多，試錯實驗成本高昂且耗時。另一方面，隨著計算能力的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為理解潛在機制和探索過程-微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系以實現(xiàn)增材制造中微觀結(jié)構(gòu)控制的有力工具，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)控形控性。

主要內(nèi)容

近日，NPJ計算材料刊發(fā)了新加坡國立大學(xué)閆文韜教授團隊的一項成果，其開發(fā)了一種三維相場模型來模擬粉末床熔融增材制造過程中的晶粒演化，結(jié)合經(jīng)典成核理論以及粉末顆粒和基材的初始晶粒結(jié)構(gòu)，全面再現(xiàn)了多層、多道粉末床熔融過程中的晶粒演化，包括熔池中晶粒的形核和生長，粉末顆粒、基板以及熔池邊緣處的外延生長，重疊區(qū)域的晶粒重熔和再生長，以及熱影響區(qū)的晶粒粗化。為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究人員進行了實驗驗證，且結(jié)果一致。

圖1.SLM 過程模擬示意圖

熔池形態(tài)和晶粒演化

初始晶粒的形狀是等軸的，不同取向的晶粒用相對于成形方向進行著色。由于存儲容量有限，僅考慮36個隨機方向。所選取的材料為316L不銹鋼，進行三層三道熔融過程模擬。316L不銹鋼的液相線溫度為1723K，超過該溫度顯示為紅色熔池。對第一層1道和2道的模擬顯示，熔池的自由表面被捕獲，熔池邊緣不規(guī)則，一些粉末顆粒部分熔化（黑色箭頭）。在掃描第一層時，由于連續(xù)的能量輸入，基板溫度隨著掃描疊加而升高。在進行第二層和第三層掃描時，掃描方向相對前一層旋轉(zhuǎn)90°，因此掃描軌跡和溫度場也旋轉(zhuǎn)了90°。

圖2.粉末和基板的初始晶粒形貌

晶粒的演變?nèi)鐚嵎从吃诹四�擬結(jié)果中。當(dāng)溫度高于1723K時，粉末顆粒和基體熔化成液相，晶粒結(jié)構(gòu)熔解于其中(圖3f)。當(dāng)局部溫度低于1723K時，液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔�，并在凝固區(qū)域形成晶粒。在掃描第一層2道時(圖3g)，在第一層第1道中形成的一些晶粒被重新熔化。掃描第1層3道后(圖3h)，從俯視圖(Z方向)看，長晶粒和細晶粒交替出現(xiàn)。從側(cè)面(Y方向)可以看出，這些細晶粒實際上是沿Z方向邊長最長的晶粒。掃描第三層第三道后，最終晶粒形貌如圖3j所示。從圖3h和3j的對比可以看出，上層形成了粗晶粒。

圖3.三層三道 SLM 過程中溫度場和晶粒演變，a-e溫度場演變；f-j晶粒演化。a和b中的紅色區(qū)域顯示了兩條軌跡中的熔池形態(tài)。相鄰層之間掃描方向旋轉(zhuǎn)90°；部分熔化的粉末顆粒由黑色箭頭突出顯示

在三層三軌SLM過程中可以觀察到不同種類的晶粒演化。這些演變從以下四個方面進行分析。

(1)熔池內(nèi)的晶粒演化。在熔池內(nèi)，晶粒長大方向垂直于熔池邊界（如圖4a中白色箭頭所示），與熱傳導(dǎo)方向相反。熔池邊界附近的晶粒形態(tài)表明晶粒從基底和部分熔化的粉末顆粒外延生長。此外，在熔池中可以觀察到新的晶粒，這些新晶粒中的一些來自異質(zhì)成核，如圖4c中所示的“B”晶粒。

(2)重疊區(qū)的晶粒重熔和再生長。在第三道的掃描過程中，重疊區(qū)的晶粒部分或全部重熔，然后部分重熔的晶粒(如“A”晶粒)通過外延生長進入第3熔道區(qū)域，如圖4b、c 、d。晶粒的重熔和再生長在相鄰層間的重疊區(qū)也會發(fā)生，如圖4e所示，在藍色虛線矩形區(qū)域內(nèi)進行了重熔和再凝固，并將第一層部分熔化的晶粒延伸到第二層。在從第1層到第2層的外延生長過程中，晶粒競爭生長，只有一部分晶粒能夠成功延伸到第2層。在第二層掃描中競爭力較高的晶粒擴展到第三層時可能失去競爭力，如圖4e中的“C”晶粒。這可以歸因于90°旋轉(zhuǎn)掃描，從第2層到第3層，掃描方向旋轉(zhuǎn)90°，因此熱傳導(dǎo)方向和溫度梯度也發(fā)生了改變。

(3)相鄰層間晶粒生長方向發(fā)生變化。如圖4e-f中紅色箭頭所示，當(dāng)晶粒從第1層生長到第3層時，晶粒生長方向發(fā)生了變化。晶粒沿與熱傳導(dǎo)方向相反的方向優(yōu)先生長，熱傳導(dǎo)方向在相鄰兩層之間旋轉(zhuǎn)90度，這導(dǎo)致了相鄰兩層間晶粒生長方向的旋轉(zhuǎn)。實驗中也觀察到類似的晶粒生長方向的旋轉(zhuǎn)。

(4)晶粒粗化。熔池邊界附近的晶粒以大晶粒以犧牲小晶粒的方式長大變粗，基板的溫度會隨著掃描次數(shù)的增加而升高，進而導(dǎo)致基體晶粒粗化。同時，隨著掃描層數(shù)的增加，下層區(qū)域的溫度也會上升，底部的晶粒也會粗化。

圖4.XZ橫截面中SLM粉末熔融過程中的晶粒演變

晶粒尺寸的演變

晶粒尺寸的所有數(shù)據(jù)均基于3D模擬結(jié)果計算。83.4%晶粒的縱橫比大于1.5，說明三層三道打印主要形成了柱狀晶粒。一些等軸晶粒通過晶粒形核引入，由于晶粒粗化，它們在制造過程中不會延伸或收縮太多，從而形成等軸形態(tài)。實驗得到的晶粒長寬比分布和模擬之間具有良好的一致性。隨著時間的增加，熔池向前移動，晶粒不斷形成，并在后面的凝固區(qū)域中長大和粗化。因此，早期的晶粒數(shù)和平均晶粒體積隨時間增加。凝固完成后，由于不能引入新的晶粒，晶粒數(shù)趨于穩(wěn)定；而平均晶粒體積因不斷的晶粒粗化而略有增加，最終趨于穩(wěn)定。平均晶粒體積在同一層的第1道到第3道以及從第1層到第3層依次增大。

圖5.不同層、不同熔道的晶粒數(shù)目及體積變化

對于同一層的三條熔道，隨著新的掃描進行，基板和樣件的溫度逐漸升高，這導(dǎo)致液固間的溫度梯度降低，晶�？梢栽谳^高的溫度下生產(chǎn)，并導(dǎo)致體積增加。不同層間，下層晶粒向上層競爭生長，導(dǎo)致上層平均晶粒體積大于下層平均晶粒體積，即平均晶粒尺寸由下層向上層逐漸增大。

圖6.由 TiB2納米顆粒增強316L不銹鋼的晶粒形態(tài)

除以上研究內(nèi)容外，研究人員還結(jié)合溫度梯度和冷卻速率分析了對熔融過程中異質(zhì)形核和晶粒長大的影響。同時，為了驗證相場模擬的潛力，對SLM制造的納米增強 316L 不銹鋼進行了晶粒細化重現(xiàn)。該研究對了解金屬3D打印過程中微觀結(jié)構(gòu)演化的機制提供了一種有效途徑，對通過調(diào)整工藝參數(shù)來定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需的性能具有指導(dǎo)意義。