金屬3D列印根據三維模型，以逐道、逐層的方式制造零件，是以能夠快速制造形狀極其複雜的部件，這對于傳統的制造方法來說非常困難。然而，成功制造具有理想機械性能的零件一直是各種增材制造技術面臨的挑戰，因為許多因素會影響晶粒結構的演變。另一方面，通過3D列印制造零件在控制晶粒結構方面存在巨大潛力。例如，采用适當的加工政策，通過電子束粉末床熔融工藝可成功3D列印鎳基高溫合金單晶棒。通過改變工藝參數，可以實作對特定部位晶粒結構的控制。
由于3D列印特殊的加工特點，晶粒更傾向于沿列印方向外延生長并變成柱狀晶粒甚至單晶，這對于制造飛機發動機渦輪葉片具有優勢，但對于許多其他部件來說并非如此。是以，控制晶粒結構的演變對于增材制造技術的廣泛應用至關重要。根據互相依賴理論，現有晶粒的過冷度對形核和晶核的生長起着至關重要的作用，進而誘導等軸晶粒結構的形成。
單道是粉末床3D列印工藝的基本機關，熔池中晶粒的生長和新晶粒的形成很大程度上決定了增材制造中晶粒結構的演變。實驗觀察和數值模拟表明，由于相對較低的溫度梯度和較高的凝固速度，在熔池頂部區域形成等軸晶粒結構的可能性更高。然而，當沉積下一層時，頂部區域會重新熔化。該區域的新晶粒不能促進等軸晶粒結構的出現。相反，在熔池邊界處也出現形核, 并且更有可能成為完工零件中的有效晶粒，進而導緻等軸晶粒結構。
反沖壓力和馬蘭戈尼效應驅動熔池流動，這可能會影響熔池中的枝晶/晶粒生長。然而，由于缺乏直接觀察極快凝固過程的實驗方法，很少有人緻力于研究流體流動對3D列印條件下枝晶生長和新晶粒形成的影響。在金屬增材制造中控制新晶粒的形成對于調整列印态零件的晶粒結構至關重要。溫度梯度和凝固速度被認為是控制新晶粒形成的主要因素，而3D列印過程中的熔體流動的影響從未被研究過。
日前，清華大學、新加坡國立大學以及廣西大學的研究團隊，通過雙向耦合與計算流體動力學改進了多網格枝晶生長模型，模拟了3D列印過程中各種溫度梯度和凝固速度下流動液态金屬中的枝晶生長，研究了熔體流動對枝晶生長和不同取向枝晶前新晶粒形成的影響。
https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102832
研究人員首先通過結合計算流體動力學 (CFD) 模型改進了多網格枝晶生長模型，進而使枝晶生長和流體流動雙向耦合。之後，在Inconel 718闆上進行了使用電子束和雷射的單道實驗。在這些實驗中，預熱溫度和掃描速度是不同的，以實作不同的凝固條件和熔池中的流動強度。同時，高保真熱流體流動模型用于模拟熔池流動，擷取溫度和流場。然後分兩步進行數值模組化研究。第一步，為了揭示熔體流動對枝晶生長和新晶粒形成的影響，使用雙向耦合模型模拟了不同凝固條件下預定熔體流動中不同取向的枝晶生長。第二步，利用從熱流體流動模組化結果中提取的溫度場和流場進行熔池尺度枝晶生長模拟，這是一種單向耦合，即熔體流動影響枝晶生長，反之不影響枝晶生長。
a1-d1熔池底部（曲面）流速分布；a2–d2熔池處的流場
(a) 用于模拟預定義流體流動中枝晶生長的示意圖(b) 熔池規模枝晶生長模拟示意圖
模拟的枝晶結構
(a) 尖端速度示意圖(b) 流體流動影響示意圖(c) 模拟域中的流線
位于模拟域中間的XZ橫截面的過冷度比較，灰色區域是樹突
模拟結果表明，3D列印過程中的枝晶生長和新晶粒的形成受到熔體流動和凝固的顯著影響，并與鑄造相似。此外，對熔池規模枝晶生長的模拟也很好的解釋了電子束和雷射單道實驗中晶粒結構的形成機制，進一步證明了熔體流動對枝晶生長和新晶粒形成的顯著影響。
研究熔體流動對熔池邊界枝晶生長和潛在新晶粒形成的影響，将為依賴溫度梯度和凝固速度的形核理論提供有力補充，為晶粒結構的調控提供指導。
來自：增材制造技術前沿
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載！
同時歡迎參加我們長三角G60雷射聯盟在南京舉辦的第二屆雷射智造在儲能行業中的應用大會（南京，2024年4月23-25）