金屬增材制造的微觀結(jié)構(gòu)演化建模與仿真
關(guān)于仿真對(duì)增材制造的作用，安世亞太高級(jí)副總裁田鋒提到過(guò)雖然金屬增材制造增長(zhǎng)速度近年來(lái)非?？捎^，但無(wú)論是直接能量沉積工藝還是粉末床融化工藝，離開(kāi)仿真，金屬增材制造將遭遇嚴(yán)重瓶頸，只能封印在低層次的應(yīng)用空間。本文將直面增材工藝仿真——仿真技術(shù)的第二個(gè)深層次應(yīng)用。?
增材制造工藝仿真主要研究加工參數(shù)、粉末、幾何構(gòu)型等因素對(duì)于宏觀變形、殘余應(yīng)力、部件微觀內(nèi)部金相組織及性能的影響。宏觀控形與微觀控性是金屬增材工藝中兩個(gè)重要考察指標(biāo)：宏觀控形重點(diǎn)關(guān)注翹曲變形、部件開(kāi)裂、刮板碰撞或支撐開(kāi)裂等問(wèn)題；微觀控性需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯(cuò)密度等微觀特性，這些將決定金屬件力學(xué)性能和特性。?
微觀的世界，更多挑戰(zhàn)
根據(jù)安世亞太，金屬增材制造過(guò)程獲得的微觀組織結(jié)構(gòu)將直接影響成型件的性能，獲得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶體組織是金屬增材制造的重要目標(biāo)。受金屬增材制造復(fù)雜過(guò)程的影響，晶體的仿真分析也具有相當(dāng)?shù)碾y度。
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通過(guò)宏觀分析或介觀分析得到的溫度場(chǎng)或相變結(jié)果數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步計(jì)算得到熱梯度、固化速率、冷卻速率和形態(tài)因子，這是微觀尺度進(jìn)行金相組織模擬的輸入?yún)?shù)。
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微觀組織數(shù)值模擬通常包含確定性方法、概率法和相場(chǎng)法。確定性方法通常有前沿跟蹤法，概率法則包含蒙特卡羅法和CA法。確定方法和概率方法模擬晶粒生長(zhǎng)時(shí)都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對(duì)三維形貌模擬有一定困難。相場(chǎng)方法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，用微分方程體現(xiàn)擴(kuò)散、有序化勢(shì)和熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的綜合作用，用統(tǒng)一的控制方程，不必區(qū)分固液相及其界面，能夠直接模擬微觀組織的形成。相場(chǎng)法和元胞自動(dòng)機(jī)法是微觀組織模擬仿真常用的兩種數(shù)值模擬方法。
▲?Springer02
終極PK在仿真
仿真對(duì)于更好地理解最終的微觀結(jié)構(gòu)很重要，從而通過(guò)調(diào)整AM-增材制造工藝策略來(lái)獲得特定的微結(jié)構(gòu)，并以此方式調(diào)整不同的機(jī)械性能。在這篇《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文綜述中，解釋了用于模擬金屬AM-增材制造工藝獲得微觀結(jié)構(gòu)演變的不同建模方法背后的基本概念。
?金屬增材制造過(guò)程中所實(shí)現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)以固有的周期性和對(duì)稱性反映了掃描策略。論文中觀察到定向凝固條件通常會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的織構(gòu)形成，而特定的掃描策略可能導(dǎo)致單晶的結(jié)果。但由于多次重熔，逐行和逐層過(guò)程會(huì)導(dǎo)致非常復(fù)雜的圖案，目前合適的仿真工具只能捕獲這種復(fù)雜性。
?當(dāng)前有不同的物理和數(shù)值模型可用于模擬凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化：相場(chǎng)模型，元胞自動(dòng)機(jī)模型或蒙特卡洛模型。這些模型的物理準(zhǔn)確性和所需的計(jì)算工作量有所不同。而包含的物理學(xué)越多，計(jì)算工作量就越高。
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?·基于良好的熱力學(xué)基礎(chǔ)，考相場(chǎng)（PF）模型
慮了合金的復(fù)雜凝固模式的形成和偏析。由于極高的計(jì)算量，PF模型通常僅限于僅具有某些成分（通常為兩個(gè)或三個(gè)元素）的合金。PF模型不僅可以提供有關(guān)晶粒結(jié)構(gòu)的信息，還可以提供樹(shù)枝狀的偏析模式。
?·元胞自動(dòng)機(jī)模型（CA）
是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，空間相互作用和時(shí)間因果關(guān)系為局部的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的能力。元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建沒(méi)有固定的數(shù)學(xué)公式，構(gòu)成方式繁雜，變種很多，行為復(fù)雜。
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?·動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模型
是一種隨機(jī)模擬方法。以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ)的一種計(jì)算方法。將所求解的問(wèn)題同一定的概率模型相聯(lián)系，用電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)模擬或抽樣，以獲得問(wèn)題的近似解。
?所有這些方法都顯示出特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，它們面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)–新晶粒成核的建模。金屬3D打印中，成核是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決。
探索晶粒結(jié)構(gòu)演變
《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文的目的是回顧模擬AM-增材制造過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)的理論方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)中觀察到的為業(yè)界提供了控制增材制造過(guò)程中晶粒結(jié)構(gòu)演變的不同機(jī)制的良好物理基礎(chǔ)。最終，必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型。
??微觀結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)是定義明確的溫度場(chǎng)，描述了在凝固前沿對(duì)溫度進(jìn)行建模的不同方法，并討論了它們的具體優(yōu)缺點(diǎn)。主要部分涉及對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)演變建模的各種方法，包括對(duì)其在實(shí)際成分中計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)能力的重要討論。
??雖然金屬增材制造過(guò)程看似是一種焊接過(guò)程，其中通過(guò)高功率激光光束熔化粉末層，或者將金屬粉末注入由激光束產(chǎn)生的熔池中。然而焊接工藝和增材制造之間仍存在重要區(qū)別，在金屬增材制造過(guò)程中，數(shù)百小時(shí)內(nèi)會(huì)形成數(shù)百條線和數(shù)百層。因此，需要觀察到瞬態(tài)溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)的疊加，原位熱處理和幾何效應(yīng)。
??直到今天，幾位實(shí)驗(yàn)家都報(bào)告了但沒(méi)有詳細(xì)研究這種現(xiàn)象。晶粒成核的原因之一是偏析的微觀結(jié)構(gòu)被重新熔化。在重熔過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生一些沉淀物或顆粒沒(méi)有完全溶解并充當(dāng)異質(zhì)核的現(xiàn)象。另外，單元或樹(shù)突與熔池之間的粗糙界面，或多或少的均勻熔體（對(duì)流）可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的過(guò)冷情況，尤其是在樹(shù)突間區(qū)域內(nèi)。后一種現(xiàn)象幾乎尚未被探索，并且將來(lái)需要進(jìn)行詳細(xì)的研究。
在增材制造中，通常我們都知道掃描策略對(duì)微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。另外，表面效應(yīng)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。對(duì)于較小的幾何形狀，例如薄壁或晶格結(jié)構(gòu)，表面效應(yīng)甚至可能占主導(dǎo)。
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模型的曲徑通幽
論文總結(jié)出AM-增材制造組件微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)對(duì)于該技術(shù)在未來(lái)的廣泛工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要。
計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)是溫度場(chǎng)。可以基于溫度的分析或準(zhǔn)分析模型來(lái)預(yù)測(cè)大量的微觀結(jié)構(gòu)。然而，為了捕獲與真實(shí)零件有關(guān)的所有影響，例如表面影響，轉(zhuǎn)折點(diǎn)等，對(duì)溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化是毫無(wú)意義的。
?相場(chǎng)（PF）模型具有良好的物理基礎(chǔ)，包括微觀結(jié)構(gòu)演化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。在樹(shù)突狀尺度上發(fā)展出復(fù)雜的凝固微觀結(jié)構(gòu)，例如細(xì)胞或樹(shù)突，包括偏析效應(yīng)。因此，PF模型代表了所有微觀結(jié)構(gòu)建模方法中的黃金標(biāo)準(zhǔn)。但是，PF模型會(huì)占用大量CPU。對(duì)于快速凝固條件，甚至1000個(gè)樹(shù)枝狀晶體還是很小的，在快速凝固條件下，樹(shù)枝狀晶體的臂間距約為微米或更小。因此，在不久的將來(lái)計(jì)算量將是很大的挑戰(zhàn)。此外，不應(yīng)忘記PF模型是基于各種不確定數(shù)據(jù)的。這涉及熱力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，而不同的數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)致不同的結(jié)果。因此，通過(guò)PF模型進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)并非總是如此。盡管如此，PF模型仍可為凝固前沿的情況提供重要的見(jiàn)識(shí)，例如過(guò)冷與枝晶尖端速度之間的相關(guān)性。另外，快速固化時(shí)的偏析效果變得更加透明，對(duì)熱裂紋的研究也非常重要。
?元胞自動(dòng)機(jī)（CA）方法描述了晶粒尺度上的微觀結(jié)構(gòu)演變。對(duì)細(xì)胞或樹(shù)突的凸包膜進(jìn)行建模，而未捕獲細(xì)胞或樹(shù)突的結(jié)構(gòu)和分離。熱力學(xué)通過(guò)枝晶尖端速度和局部過(guò)冷的相關(guān)性進(jìn)入模型。CA模型具有預(yù)測(cè)零件尺寸晶粒結(jié)構(gòu)演變的潛力。還具有很高的能力來(lái)預(yù)測(cè)增材制造期間的紋理形成及其對(duì)工藝策略的依賴性。
?當(dāng)前的動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模型無(wú)法預(yù)測(cè)晶粒結(jié)構(gòu)的演變，因?yàn)槠浠緳C(jī)理不能代表真實(shí)的機(jī)理。在KMC模型中，不通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性晶粒長(zhǎng)大來(lái)處理晶粒粗化，而是由晶界的曲率驅(qū)動(dòng)。不能預(yù)測(cè)紋理，甚至不能再現(xiàn)晶粒結(jié)構(gòu)的外觀。因此，不建議將KMC模型用于AM-增材制造晶粒結(jié)構(gòu)演變。然而，KMC模型對(duì)于模擬由原位熱處理引起的增材制造過(guò)程中的晶粒粗化效果可能非常有用。
?與模型無(wú)關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)仿真的一個(gè)基本問(wèn)題是通過(guò)成核形成新的晶粒。原則上，通過(guò)調(diào)整成核參數(shù)，幾乎所有類型的晶粒微結(jié)構(gòu)都會(huì)演化。這是一個(gè)基本問(wèn)題，因?yàn)樗魅趿怂心Ｐ偷念A(yù)測(cè)力。因此，未來(lái)的一項(xiàng)任務(wù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定各種合金的形核參數(shù)，這將有助于評(píng)估微觀結(jié)構(gòu)演化模型的預(yù)測(cè)力。
