金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究

金属增材制造是集设计、制造一体化的一种新型金属构件制造技术, 在航天航空、交通运输、生物医疗等领域具有广阔的应用前景. 金属增材制造材料的力学性能与其材料微观组织密切相关. 因此, 发展金属增材制造过程中材料微观组织的模拟方法, 有助于指导和优化金属增材制造的工艺参数和流程, 从而制备出性能优异的金属材料. 本文发展了基于连续体假设的热传导模型与元胞自动机相结合的模拟方法, 并利用生死单元方法, 考虑晶粒的重熔和再生长过程, 解决了金属增材制造中多层粉末制造的数值模拟问题. 本文采用该方法模拟了镍基合金IN718、不锈钢316L和高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造过程, 并获得了这些增材制造合金的典型材料微观组织, 其模拟结果与实验结果相吻合. 同时, 将该方法拓展到三维尺度的模拟, 研究了镍基合金IN718增材制造过程中三维晶粒的形核和生长. 最后, 对金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究中的主要问题进行了总结和展望.      

激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟

激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术, 以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景. 然而, 该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题, 亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法. 针对该问题, 本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型. 其中, 采用高斯面热源等效激光光束, 利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程, 进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程, 并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证. 基于该模型, 首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸, 并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析. 结果表明, 依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响. 本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化, 所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.      

金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序

增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.      

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。     

激光选区熔化增材制造中的粉体热动力学行为

激光选区熔化(SLM)可以直接成形近全致密、性能接近锻件的复杂结构金属零件, 是金属增材制造(3D打印)领域的热点技术之一. SLM成形过程中粉末颗粒的热/动力学行为复杂, 与零件成形缺陷及力学性能紧密相关. 本文介绍了离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)联合建模在SLM中的创新应用, 结合粉末床原位测试及成形在线监测, 探索SLM粉末铺设和粉末床熔融两个工艺环节的复杂粉体热/动力学行为机制. 研究发现, 粉末铺设过程中: 粉体的黏结效应、壁面效应和渗流效应3种机制相互竞争、共同支配粉末动力学行为并最终决定粉末床铺设质量. 粉末床熔融过程中: 熔池喷发的高温金属蒸汽带动环境保护气体形成内旋涡流, 由此驱动散体粉末形成复杂流固耦合运动, 导致粉末床飞溅与剥蚀现象; 热浮力效应对粉末运动不起主导作用. 文中提出了DEM-CFD双向动态耦合模型, 可以充分考虑离散粉末与熔池蒸发气体之间的热力耦合作用, 为SLM粉体熔融热/动力学行为的仿真模拟提供了一种新途径.      

激光修复中的若干关键问题及常用检测技术

作为金属增材制造的重要分支,激光修复技术是装备再制造等战略性新兴产业的核心技术之一,已在航空航天、国防装备等关键领域获得推广应用。研究结果表明应力、应变场的演化与成型后修复体的缺陷分布、几何形貌等紧密相关,是决定修复质量的关键因素之一。相关参量的在线测量与表征是工业界和学术界广泛关注的重要问题,然而激光修复过程复杂、测量环境恶劣,传统检测方法和技术难以直接应用,迫切需要发展适用于激光修复工程的检测新技术。目前,与激光修复过程相匹配的原位监测手段仍然较为匮乏,对此本文调研分析了激光修复中的关键问题、常用检测技术的优点和所面临的挑战,并进行了展望,可为激光修复工艺研究提供有益借鉴。     

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究

激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏?微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.      

增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数?微结构?力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热?熔体?微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.      

A review on stress determination and control in metal-based additive manufacturing

Metal additive manufacturing (MAM) is an emerging and disruptive technology that builds three-dimensional (3D) components by adding layer-upon-layer of metallic materials. The complex cyclic thermal history and highly localized energy can produce large temperature gradients, which will, in turn, lead to compressive and tensile stress during the MAM process and eventually result in residual stress. Being an issue of great concern, residual stress, which can cause distortion, delamination, cracking, etc., is considered a key mechanical quantity that affects the manufacturing quality and service performance of MAM parts. In this review paper, the ongoing work in the field of residual stress determination and control for MAM is described with a particular emphasis on the experimental measurement/control methods and numerical models. We also provide insight on what still requires to be achieved and the research opportunities and challenges.     

Computational modeling of heat transfer and sintering behavior during direct metal laser sintering of AlSi10Mg alloy powder

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) is one of the leading additive manufacturing processes, which produces complex metallic parts directly from the powder. One of the major problems of this rapid manufacturing process is an inhomogeneous temperature distribution, which leads to residual stress in the build part. Thus, temperature analyses must be performed, to better understand the temperature distribution and sintering behavior of the powder bed with a different laser recipe. In this study, a comprehensive three-dimensional numerical model was developed to understand the temperature distribution during direct metal laser sintering of AlSi10Mg alloy powder. The computer simulation was carried out in ANSYS 17.0 platform. Further, the effect of process parameters such as laser power and scan speed on the temperature distribution and sintering behavior were studied. From the simulation results, it was found that, when the laser power increased from 70 W to 190 W, the maximum temperature of the molten pool increased from 731?°C to 2672?°C, and the molten pool length changed from 0.286 mm to 2.167 mm. A reverse phenomenon was observed with an increase in scan speed. The sintering depth of the powder layer increases significantly from 0.061 mm to 0.872 mm with increasing the applied laser power, but decreased from 0.973 mm to 0.209 mm as a higher scan speed was applied. The developed model helps to optimize the powder layer thickness and minimize the wastage of excess powders during the sintering process.     

基于半解析VOF-DEM的激光直接沉积多尺度过程模拟

与传统铸造技术相比, 基于金属粉末的增材制造技术因其生产周期短、可操作性强而在航空航天、生物医学等领域具有很好的优越性. 尤其是激光直接沉积技术, 因其自由度高, 在复杂构件制造、部件修复中有着广泛的运用. 但是该激光直接沉积过程涉及多物理场、跨尺度、极端高温高压环境和相变问题, 仅靠实验不能很好地研究其中的机理. 已有数值模拟技术一般通过预设或者射入拉格朗日点作为颗粒输入, 不能做到同时考虑环境气体、颗粒碰撞和相变过程. 本文在近期发展的基于核函数近似背景流场的半解析CFD-DEM耦合方法中引入了流体体积分数法(VOF), 发展了可以同时模拟含热、刚体颗粒、相变和自由液面及相变界面的半解析VOF-DEM (或半解析CFD-DEM-VOF)方法, 从而首次实现了真实物理环境下激光直接沉积技术的数值模拟. 其中, VOF中的气相为环境气体, 液相为熔融和凝固的金属相, 界面通过iso-Advector重构, DEM为未熔化的金属粉末, 且流体网格可解析离散元颗粒形状. 这一模拟框架可以有效复现颗粒之间的碰撞、粘结、熔化、融合, 以及熔池熔道的形成, 为激光直接沉积技术的数值模拟提供了开拓性的范式, 并可以被应用到其他带相变的颗粒系统中.      

A model of thermoelectroplasticity of variations in the mechanical properties of metals based on defect structure reorganization under the action of pulse electric current

We consider variations in the mechanical properties of prestrained samples made of metallic materials with defects like microcracks and micropores under the action of pulse high-energy electric currents of certain intensity and duration. It was experimentally shown [1–5] that the treatment with a high-energy electromagnetic field of a prestretched sample with defects like microcracks that are located normally to the sample tension axis increases the sample limit plastic strain, which simplifies the treatment of hard-to-deform alloys in various technological processes. We consider a slow quasi-stationary process of thermal-electric treatment of samples, which permits obtaining materials with desired mechanical properties including samples with a high limit plastic strain.     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

纳秒脉冲激光烧蚀非晶合金的研究进展

非晶合金是一类原子排列处于长程无序状态的新型结构材料，具有一系列优异的力学和物理性能，从而有望应用于国防、空天等关键领域。在这些领域的应用中，非晶合金易受到强激光或空间等离子体的作用而失效。同时，非晶合金在高能激光辐照下的结构响应本身也极具科学意义。因此，近年来这方面的研究得到了越来越多的关注。本文将重点关注纳秒脉冲激光对非晶合金在大气和水环境下的烧蚀，针对熔化、流体动力学失稳、爆炸沸腾、气泡动力学等烧蚀过程中的几种典型现象，简要介绍相关的实验和理论研究进展。最后，对未来值得进一步研究的方向进行了概述。