近浸没式主动冷却对IN718合金电弧增材制造中微观结构控制的影响：多尺度建模与实验

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of Near Immersion Active Cooling on Microstructure Control in Wire Arc Additive Manufacturing of IN718: multiscale modeling and experiments

多尺度数值模型耦合有限元与细胞自动机模拟，揭示WAAM加工中IN718合金温度场与凝固微观结构的动态演化规律，发现几何曲率加剧热积累，通过近浸没主动冷却（NIAC）可提升冷却速率3.5倍，细化柱状晶臂间距至12.5-13.5μm，降低Laves相体积分数至0.6-1.1%

　　在现代工业中，对高性能和几何复杂金属构件的需求正迅速增长，而增材制造技术（Additive Manufacturing, AM）因其能够制造出复杂形状的部件，同时具备较高的沉积速率和材料利用率，正成为实现这一目标的重要手段之一。其中，线弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）作为一种极具潜力的工艺，因其在航空航天、国防、汽车和船舶工程等领域广泛应用，逐渐受到关注。然而，WAAM过程涉及高度复杂的动态热历史，这不仅可能导致材料内部出现缺陷，如气孔，还可能促进粗大的柱状晶粒的定向生长，以及在凝固过程中产生微区偏析现象。此外，在WAAM的每一层固相末期，脆性Laves相会形成，这可能引发液化裂纹问题，尤其是在后续熔覆过程中，当热源重新熔化先前固化的层时，裂纹可能由此产生并扩展，从而影响构件的性能和可靠性。因此，深入理解WAAM过程中IN718镍基高温合金的凝固行为和微观结构演化对于优化制造工艺和提升构件性能具有重要意义。

为了应对上述挑战，研究者们逐渐将注意力转向微观结构的建模与控制，希望通过模拟手段更精确地预测和调控WAAM过程中产生的微观结构特征。在这一背景下，多尺度建模方法成为一种重要的研究工具。多尺度模型通常结合宏观有限元模型（Finite Element Model, FEM）与微观细胞自动机模型（Cellular Automaton Model, CA），以实现对温度场分布和凝固微观结构的全面模拟。具体而言，研究团队开发了一种多尺度数值模型，该模型能够有效捕捉IN718镍基高温合金在WAAM过程中不同区域的温度场变化和微观结构演化规律。通过将宏观热场数据映射到二维定量细胞自动机模型中，并采用多维插值方法进行数据转换，该模型成功地再现了材料的凝固与熔化过程，其结果与实验数据吻合良好，证实了粗大枝晶主要形成于中间区域。

此外，为了进一步提升微观结构的质量，研究团队提出了一种近浸式主动冷却（Near Immersion Active Cooling, NIAC）策略。该策略利用水作为冷却介质，能够有效增强热传导并加速冷却速率，从而显著抑制热积累。在实验中，NIAC技术的应用使得初级枝晶臂间距从14.3-19.5 μm减少至12.5-13.5 μm，同时Laves相的体积分数也从0.9%-1.7%降低至0.6-1.1%。这些结果表明，NIAC不仅能够提升冷却效率，还能有效调控微观结构，从而减少缺陷的形成并改善材料的性能。该研究为复杂形状构件的WAAM工艺提供了重要的理论支持，并展示了NIAC在微观结构控制方面的有效性。

在宏观热场模拟方面，研究团队采用了有限元软件Simufact Welding?进行建模，以获取IN718合金在WAAM过程中的温度场演化规律。该模型考虑了Q235钢作为基底材料和IN718合金作为沉积材料的热物理特性，并通过JMatPro?软件计算温度依赖性参数，以提高模拟精度。模拟过程中，热传导、热对流和热辐射三种热边界条件被综合考虑，以更全面地反映实际制造过程中的热行为。通过引入双椭球热源模型，研究团队能够准确模拟焊接过程中熔池的温度分布，从而揭示热源在不同位置的热输入对温度场的影响。模拟结果表明，随着沉积层数的增加，热积累效应逐渐增强，特别是在几何弯曲区域，如角落，温度峰值显著上升，这可能导致局部热不均，进而影响微观结构的均匀性。

在微观结构模拟方面，研究团队采用二维定量细胞自动机模型，结合Fick第二定律求解溶质浓度场，以预测凝固过程中的枝晶生长和溶质偏析现象。该模型将模拟区域划分为均匀的正方形网格，每个网格单元包含状态参数，如溶质浓度、固相分数、温度和生长方向。通过引入宏观热场数据，细胞自动机模型能够实现与宏观模型的耦合，从而更精确地模拟凝固过程中的动态行为。此外，研究团队还对模型中的参数进行了详细设定，包括纯镍的熔点、Gibbs-Thomson系数、平衡分配系数、液相线斜率以及溶质扩散系数等，这些参数的选择和设定确保了模型在模拟过程中的准确性和稳定性。

在模型耦合方面，研究团队采用多维插值算法，将宏观热场数据精确地传递到微观模型中。该算法首先通过空间插值将宏观模型中的温度数据转换为适合微观模型使用的高分辨率网格数据，随后通过时间插值确保数据在时间维度上的连续性。这种多尺度耦合方法不仅提高了模拟的精度，还增强了对复杂几何形状构件的适应性。在实验验证中，研究团队通过高温热成像和热电偶测量，获取了实际WAAM过程中的温度数据，并与模拟结果进行对比。实验结果表明，当热导率设定为30 W/(m·K)时，模拟结果与实验数据之间的标准偏差最小，表明该模型在温度场预测方面具有较高的可靠性。

此外，研究团队还通过实验分析了不同位置的微观结构特征，包括边缘、中间和角落区域的枝晶形态和Laves相分布。实验结果表明，随着沉积层数的增加，热积累效应逐渐增强，导致中间和上部区域的冷却速率下降，从而形成更粗大的枝晶和更严重的溶质偏析。而在角落区域，由于几何弯曲带来的热传导路径限制，热积累效应更为显著，导致该区域的温度峰值较高，但冷却速率也相应增强。这种冷却速率的增强有助于减少Laves相的形成，提高微观结构的均匀性。

NIAC技术的应用进一步优化了热场分布和微观结构演化。通过水冷却，热对流效应显著增强，使得冷却速率提高约3.5倍，从而有效抑制了热积累。实验结果表明，采用NIAC技术后，沉积构件的总体高度有所下降，但整体质量得到提升。此外，Laves相的体积分数显著减少，初级枝晶臂间距也相应减小，这表明NIAC在改善微观结构方面具有明显优势。然而，由于实际沉积过程中难以精确控制热源路径，特别是在角落区域，可能导致局部停留时间延长，从而影响冷却速率的均匀性，进而影响微观结构的调控效果。

总体而言，该研究通过多尺度建模方法，系统地分析了IN718合金在WAAM过程中的热场演化和微观结构形成机制。研究结果表明，热积累效应在沉积层数增加时逐渐增强，特别是在几何弯曲区域，如角落，导致温度峰值上升和冷却速率下降。而NIAC技术的引入显著提升了冷却效率，使得微观结构更加均匀，并有效减少了Laves相的形成。这些发现不仅为复杂形状构件的WAAM工艺提供了重要的理论支持，还为未来进一步优化制造参数和控制微观结构提供了新的思路和方法。