Acta Mater.：粉末床增材制造的相场模拟

【引言】

增材制造（Additive manufacturing，AM），也被称为3D打印，是一种以逐层方式制造物体的技术。增材制造过程的两个常用方法是选区激光熔融和电子束熔融，通过融化金属细粉制造三维金属部件。此过程中，电子束或者激光束会选择性地对铺好的金属粉末层进行扫描，形成熔池；随后熔池凝固，疏松的金属粉末变成一致密层。随后，新的粉末层铺到刚凝固的致密金属层，不断重复扫描-熔化-凝固过程，直到整个部件完成为止。然而，增材制造过程中的质量控制是一个亟待解决的问题，例如气孔率、残余应力、变形、表面粗糙度以及微观组织等，都会对材料的性能造成影响。

【成果介绍】

近日，来自新加坡A STAR 高性能计算研究所（Institute of High Performance Computing）的Yong-Wei Zhang（通讯作者）在期刊Acta Materialia上在线发表了题为“Phase field simulation of powder bed-based additive manufacturing”的文章。研究人员建立相场模型对粉末床增材制造过程进行模拟，重点研究光束功率和扫描速度两个重要参数对熔池的大小，形状，气孔率和晶粒结构的影响。该相场模型再现了实验中观察到的许多重要现象，揭示了制造参数和熔池深度、长度，气孔率以及晶粒密度的标度关系。本研究工作可以为增材制造过程中缺陷和微观组织的准确控制提供有益的参考。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Yong-Wei Zhang的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1. 3D增材制造过程示意图以及2D相场模型的参数设置

选取3D增材制造过程的中间横截面为模拟面，扫描方式为“S”往返型。

图2.增材制造过程的2D模拟结果

增材制造过程中的参数：光束功率80W，扫描速度800mm/s。

扫描方向：a)-c)从左向右；d)-e)从右向左。

图3相场模型预测的熔池演变

a) 80W光束功率下熔池的尺寸和几何形状，扫描速度：A₁、A₂—400mm/s；B₁~B₄--800mm/s；C₁~C₇—1600mm/s。

b)熔池长度和扫描距离的关系；光束功率为80W，扫描速度分别为400,800,1600mm/s。

c)熔池深度和扫描距离的关系；光束功率为80W，扫描速度分别为400,800,1600mm/s。

d)不同光束功率下，熔池深度和扫描速度的关系。

e)熔池深度和功率密度的关系。

f)不同功率下，熔池长度和扫描速度的关系。

图4 气孔率和微观组织随过程参数的变化

a₁)-a₁₂)不同光束功率和扫描速度下的孔洞分布和晶粒结构；

a₁₃)气孔率分布图；浅颜色对应高的气孔率。

b)不同光束功率下，气孔率随扫描速度的变化。

c)气孔率随功率密度的变化。紫色的点和线显示了60μm层厚下的气孔率模拟结果。从左到右5个紫色圆点对应的过程参数分别为：P₀=40W，v=400mm/s；P₀=160W，v=1000mm/s；P₀=80W，v=400mm/s；P₀=120W，v=400mm/s；P₀=1600W，v=400mm/s。

图5 过程参数对晶粒结构的影响

a)不同光束功率下，晶粒密度随扫描速度的变化。

b)晶粒密度随功率密度的关系。

【小结】

本文建立相场模型，研究了粉末床增材制造过程中熔池的尺寸、形状、气孔率和晶粒结构。研究发现，熔池长度和深度随光束功率密度的增加而增加。熔池深度、气孔率和晶粒密度与功率密度存在标度关系。而且，当功率密度降到一临界值后，气孔率会急剧增加。另外，不同功率密度下，晶粒结构受不同的机制影响。本研究工作揭示了过程参数与熔池尺寸、形状、气孔形成以及晶体结构的关系，为增材制造过程中的参数选择提供了有益指导。

文献链接：Phase field simulation of powder bed-based additive manufacturing(Acta Materialia,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.033)

本文由材料人编辑部付钰编辑，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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