上海交大李軍副教授、李建國教授團隊：高溫合金增材制造的高保真多物理場數(shù)值模擬

來源： 上海交通大學材料學院

近日，上海交通大學材料科學與工程學院李軍副教授、夏明許研究員、李建國教授課題組聯(lián)合英國萊斯特大學董洪標教授課題組、倫敦瑪麗女王大學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)值模擬領域取得了重要進展，相關研究成果以“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

該工作通過在“亞晶�！背叨葮嫿ㄎ⒂^組織演變與宏觀多物理場傳輸?shù)碾p向強耦合數(shù)值模型，展示了高溫合金增材制造過程中快速冷卻及強烈對流條件下溶質(zhì)元素的動態(tài)傳輸過程以及固液界面形貌的演變過程，從成形件中合金元素微觀偏析的角度解釋了高溫合金增材制的裂紋敏感性，并探討了熔體流動對增材制造非平衡凝固過程的作用。上海交通大學材料科學與工程學院助理研究員任能為論文第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院李軍副教授、英國倫敦瑪麗女王大學工程與材料科學學院Chinnapat Panwisawas副教授為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成單位。

激光粉末床熔覆（Laser powder bed fusion, LPBF）增材制造技術因其在復雜形狀構件的高精度成形中的優(yōu)勢，在航空航天、汽車和醫(yī)療等領域內(nèi)得到了越來越多的應用。盡管LPBF工藝在工業(yè)應用中展現(xiàn)出巨大的潛力，但其成形件仍然會產(chǎn)生孔洞、裂紋等缺陷，限制了該極富創(chuàng)新性技術的推廣。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？如何解釋不同種類高溫合金的裂紋敏感性？這些問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對流、高冷速條件下進行傳輸和發(fā)生再分配的，仍亟需進一步對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。

當前對增材制造微觀組織的研究多以成形態(tài)的金相檢驗和成分掃描為主，原位實驗的條件還難以以微米甚至亞微米級的空間分辨率捕捉到超高溫、納秒級超快速增材制造過程中的溶質(zhì)元素傳輸和晶體熔化/生長過程。而目前已開發(fā)出的數(shù)值模型方法大多以宏觀尺度的熱歷史作為輸入條件代入到晶粒組織的模擬中，或是對特定傳熱、流動條件下的微觀尺度的晶粒生長進行模擬，無法完整再現(xiàn)出增材制造循環(huán)熔化凝固過程中“亞晶粒”尺度的組織-成分耦合演變。針對上述問題和挑戰(zhàn)，研究人員結合微觀組織預測的元胞自動機法和基于有限體積法的多物理場傳輸求解，充分考慮了二者的雙向強耦合作用，實現(xiàn)了對增材制造過程中微觀組織演變和溶質(zhì)元素傳輸動態(tài)過程的可視化（圖1）。

圖1 多道次多層LPBF過程中的溶質(zhì)傳輸和微觀組織演變過程（GIF動圖）

研究團隊探究了在亞晶粒尺度下金屬液的流動在循環(huán)熔化凝固過程中對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后幾乎得以完全保留，即使在0.25μm的像素點下也未觀測到明顯的微觀組織，晶體可近似看作以平界面在生長，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胞狀晶以及粗胞狀晶轉變。但熔體的流動給微觀組織及成分分布帶來了擾動，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，進而改變固液界面的形貌轉變過程。在熔池底部，劇烈流動整體上使排出的溶質(zhì)在熔池內(nèi)充分混合，擴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/下一層的熔覆過程又會使該區(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)微觀組織和成分分布的角度分析了不同種類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)在新一層打印結束后仍得以保留甚至是擴大，而CM247LC中并未形成規(guī)律的溶質(zhì)截留區(qū)(圖2)，晶界強化元素（如Hf）呈現(xiàn)出極強的微觀偏析傾向。削弱微觀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。之前的實驗結果也顯示，一些裂紋甚至是被這些溶質(zhì)截留區(qū)所“打斷”。基于對不同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計中減少晶界強化元素外，提升凝固Peclet數(shù)也可大幅減輕溶質(zhì)元素的微觀偏析，進而減小成形件中裂紋產(chǎn)生的幾率，有望為高γ′相體積分數(shù)高溫合金的增材制造工藝設計及優(yōu)化提供參考。

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

這項工作得到了國家自然科學基金面上基金(52074182)、上海市科委面上基金(22ZR1430700)、上海交通大學新進教師啟動計劃的資助。上述工作也是團隊近期在高溫合金定向凝固宏觀模擬（Acta Materialia, 2021， 206, 116620, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116620和微觀模擬（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) 模型基礎上的進一步拓展。

主要作者簡介

任能博士、助理研究員，主要從事凝固過程數(shù)值模擬研究；

李軍副教授、博導，教育部國家級人才計劃青年學者，主要從事凝固過程數(shù)字化與智能化研究；

李建國教授、973首席科學家，國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研究。