金屬增材制造的微觀結(jié)構(gòu)演化建模與仿真
關(guān)于仿真對增材制造的作用，安世亞太高級副總裁田鋒提到過雖然金屬增材制造增長速度近年來非?？捎^，但無論是直接能量沉積工藝還是粉末床融化工藝，離開仿真，金屬增材制造將遭遇嚴重瓶頸，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重要考察指標(biāo)：宏觀控形重點關(guān)注翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題；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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通過宏觀分析或介觀分析得到的溫度場或相變結(jié)果數(shù)據(jù)后，可進一步計算得到熱梯度、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時都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對三維形貌模擬有一定困難。相場方法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，用微分方程體現(xiàn)擴散、有序化勢和熱力學(xué)驅(qū)動的綜合作用，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。相場法和元胞自動機法是微觀組織模擬仿真常用的兩種數(shù)值模擬方法。
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終極PK在仿真
仿真對于更好地理解最終的微觀結(jié)構(gòu)很重要，從而通過調(diào)整AM-增材制造工藝策略來獲得特定的微結(jié)構(gòu)，并以此方式調(diào)整不同的機械性能。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。
?金屬增材制造過程中所實現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)以固有的周期性和對稱性反映了掃描策略。論文中觀察到定向凝固條件通常會導(dǎo)致強烈的織構(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，逐行和逐層過程會導(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程中的微觀結(jié)構(gòu)演化：相場模型，元胞自動機模型或蒙特卡洛模型。這些模型的物理準確性和所需的計算工作量有所不同。而包含的物理學(xué)越多，計算工作量就越高。
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?·基于良好的熱力學(xué)基礎(chǔ)，考相場（PF）模型
慮了合金的復(fù)雜凝固模式的形成和偏析。由于極高的計算量，PF模型通常僅限于僅具有某些成分（通常為兩個或三個元素）的合金。PF模型不僅可以提供有關(guān)晶粒結(jié)構(gòu)的信息，還可以提供樹枝狀的偏析模式。
?·元胞自動機模型（CA）
是一種時間、空間、狀態(tài)都離散，空間相互作用和時間因果關(guān)系為局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程的能力。元胞自動機的構(gòu)建沒有固定的數(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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?·動力學(xué)蒙特卡洛模型
是一種隨機模擬方法。以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的一種計算方法。將所求解的問題同一定的概率模型相聯(lián)系，用電子計算機實現(xiàn)統(tǒng)計模擬或抽樣，以獲得問題的近似解。
?所有這些方法都顯示出特定的優(yōu)點和缺點。然而，它們面臨一個共同的挑戰(zhàn)–新晶粒成核的建模。金屬3D打印中，成核是一個關(guān)鍵問題，遠遠沒有解決。
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-增材制造過程微觀結(jié)構(gòu)的理論方法。通過實驗中觀察到的為業(yè)界提供了控制增材制造過程中晶粒結(jié)構(gòu)演變的不同機制的良好物理基礎(chǔ)。最終，必須根據(jù)實驗結(jié)果驗證數(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，描述了在凝固前沿對溫度進行建模的不同方法，并討論了它們的具體優(yōu)缺點。主要部分涉及對晶粒結(jié)構(gòu)演變建模的各種方法，包括對其在實際成分中計算微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測能力的重要討論。
??雖然金屬增材制造過程看似是一種焊接過程，其中通過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，在金屬增材制造過程中，數(shù)百小時內(nèi)會形成數(shù)百條線和數(shù)百層。因此，需要觀察到瞬態(tài)溫度場，溫度場的疊加，原位熱處理和幾何效應(yīng)。
??直到今天，幾位實驗家都報告了但沒有詳細研究這種現(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。在重熔過程中，可能會發(fā)生一些沉淀物或顆粒沒有完全溶解并充當(dāng)異質(zhì)核的現(xiàn)象。另外，單元或樹突與熔池之間的粗糙界面，或多或少的均勻熔體（對流）可能會導(dǎo)致強烈的過冷情況，尤其是在樹突間區(qū)域內(nèi)。后一種現(xiàn)象幾乎尚未被探索，并且將來需要進行詳細的研究。
在增材制造中，通常我們都知道掃描策略對微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。另外，表面效應(yīng)對微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。對于較小的幾何形狀，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)測對于該技術(shù)在未來的廣泛工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要。
計算微觀結(jié)構(gòu)的起點是溫度場?？梢曰跍囟鹊姆治龌驕史治瞿Ｐ蛠眍A(yù)測大量的微觀結(jié)構(gòu)。然而，為了捕獲與真實零件有關(guān)的所有影響，例如表面影響，轉(zhuǎn)折點等，對溫度場的簡化是毫無意義的。
?相場（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)和動力學(xué)。在樹突狀尺度上發(fā)展出復(fù)雜的凝固微觀結(jié)構(gòu)，例如細胞或樹突，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。但是，PF模型會占用大量CPU。對于快速凝固條件，甚至1000個樹枝狀晶體還是很小的，在快速凝固條件下，樹枝狀晶體的臂間距約為微米或更小。因此，在不久的將來計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)以及動力學(xué)數(shù)據(jù)，而不同的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)致不同的結(jié)果。因此，通過PF模型進行可靠的預(yù)測并非總是如此。盡管如此，PF模型仍可為凝固前沿的情況提供重要的見識，例如過冷與枝晶尖端速度之間的相關(guān)性。另外，快速固化時的偏析效果變得更加透明，對熱裂紋的研究也非常重要。
?元胞自動機（CA）方法描述了晶粒尺度上的微觀結(jié)構(gòu)演變。對細胞或樹突的凸包膜進行建模，而未捕獲細胞或樹突的結(jié)構(gòu)和分離。熱力學(xué)通過枝晶尖端速度和局部過冷的相關(guān)性進入模型。CA模型具有預(yù)測零件尺寸晶粒結(jié)構(gòu)演變的潛力。還具有很高的能力來預(yù)測增材制造期間的紋理形成及其對工藝策略的依賴性。
?當(dāng)前的動力學(xué)蒙特卡洛模型無法預(yù)測晶粒結(jié)構(gòu)的演變，因為其基本機理不能代表真實的機理。在KMC模型中，不通過競爭性晶粒長大來處理晶粒粗化，而是由晶界的曲率驅(qū)動。不能預(yù)測紋理，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模型對于模擬由原位熱處理引起的增材制造過程中的晶粒粗化效果可能非常有用。
?與模型無關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)仿真的一個基本問題是通過成核形成新的晶粒。原則上，通過調(diào)整成核參數(shù)，幾乎所有類型的晶粒微結(jié)構(gòu)都會演化。這是一個基本問題，因為它削弱了所有模型的預(yù)測力。因此，未來的一項任務(wù)是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定各種合金的形核參數(shù)，這將有助于評估微觀結(jié)構(gòu)演化模型的預(yù)測力。
