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)微觀結構精準控制

來源：3D打印技術參考

摘要：對于粉末床金屬增材制造技術，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構的形成，而微觀結構會影響產品的最終機械性能。因此，微觀結構是制造工藝和機械性能之間的關鍵橋梁。了解微觀結構演化的機制并通過調整工藝參數(shù)來定制微觀結構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-微觀結構關系以實現(xiàn)增材制造中微觀結構控制的有力工具，從而實現(xiàn)精準控形控性。

主要內容

近日，NPJ計算材料刊發(fā)了新加坡國立大學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，結合經(jīng)典成核理論以及粉末顆粒和基材的初始晶粒結構，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。為了驗證模擬結果的準確性，研究人員進行了實驗驗證，且結果一致。

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90°，因此掃描軌跡和溫度場也旋轉了90°。

圖2.粉末和基板的初始晶粒形貌

晶粒的演變如實反映在了模擬結果中。當溫度高于1723K時，粉末顆粒和基體熔化成液相，晶粒結構熔解于其中(圖3f)。當局部溫度低于1723K時，液相轉變?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)熔池內的晶粒演化。在熔池內，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°旋轉掃描，從第2層到第3層，掃描方向旋轉90°，因此熱傳導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。晶粒沿與熱傳導方向相反的方向優(yōu)先生長，熱傳導方向在相鄰兩層之間旋轉90度，這導致了相鄰兩層間晶粒生長方向的旋轉。實驗中也觀察到類似的晶粒生長方向的旋轉。

(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，這導致液固間的溫度梯度降低，晶�？梢栽谳^高的溫度下生產，并導致體積增加。不同層間，下層晶粒向上層競爭生長，導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)

除以上研究內容外，研究人員還結合溫度梯度和冷卻速率分析了對熔融過程中異質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打印過程中微觀結構演化的機制提供了一種有效途徑，對通過調整工藝參數(shù)來定制微觀結構以獲得所需的性能具有指導意義。