对316L基底上多次横向激光熔化的冶金驱动热机械分析

《Engineering》：Metallurgically-driven thermomechanical analysis of multiple side-to-side laser melting on a 316L substrate

本研究通过耦合晶体粘塑性模型与CAFE方法，模拟了316L不锈钢激光扫描过程中晶粒生长与应力演化。创新点在于动态耦合热传导、相变及力学响应，揭示多晶界取向差异导致的应力集中机制。摘要：激光粉末床熔融中，晶粒结构演变与残余应力耦合作用显著影响材料性能。本研究开发基于CAFE的晶粒生长-应力耦合模型，通过引入晶体粘塑性本构方程，实现了熔池凝固区与固态区的同步热力耦合计算。模型成功预测了扫描过程中沿长晶粒方向的应力梯度分布，验证了多尺度建模框架的有效性。

　　在现代制造业中，增材制造技术，特别是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）工艺，因其能够制造复杂形状的零件而受到广泛关注。然而，这一工艺在制造过程中产生的固相组织结构与内部应力演变对最终材料性能具有重要影响。因此，理解并预测这些微观结构特征在加工过程中的演变，对于提高材料质量、减少缺陷形成至关重要。

本文的研究聚焦于L-PBF过程中固相组织结构和内部应力的演变机制。通过对多晶316L不锈钢的激光扫描过程进行模拟，研究人员开发了一个强耦合的晶体粘塑性模型，并将其与细胞自动机-有限元（Cellular Automaton-Finite Element, CAFE）方法相结合。这种耦合方法不仅能够精确捕捉固相组织的演变，还能有效模拟应力和应变的动态变化。CAFE模型的准确性通过文献中的实验数据进行了验证，而晶体粘塑性模型则基于退火316L不锈钢的应力-应变曲线进行了校准，考虑了微小的热-弹性-粘塑性（Thermo-Elasto-Viscoplastic, TEVP）变形。

研究中采用了四种不同的扫描策略，以模拟激光扫描过程中固相组织的生长和应力的演变。通过这些模拟，研究人员能够在宏观和微观尺度上同时分析热粘塑性行为在糊状区（mushy zone）和固态区域的演变情况。这种分析有助于深入理解应力在相邻晶粒之间的集中现象，特别是在晶粒取向差异较大的情况下，应力会沿着拉长的晶粒方向扩展。研究还指出，这些应力变化不仅影响材料的微观结构，还可能对材料的宏观机械性能产生深远影响。

在L-PBF工艺中，熔池边缘的温度梯度和冷却速率是影响材料性能的关键因素。这些因素通常达到极高的数值，例如温度梯度可高达10-20 K/μm，冷却速率可达102至10? K/s。这种快速的热循环会导致材料内部出现异质应力，进而引发各种缺陷，包括凝固裂纹和冷裂纹。其中，凝固裂纹主要出现在熔池区域，而冷裂纹则出现在固态区域。晶粒尺寸和晶界取向差异在裂纹的产生和扩展过程中起着重要作用，特别是高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGB）往往成为裂纹扩展的路径。

为了更准确地模拟这些现象，研究人员采用了一种基于细胞自动机的模型，该模型能够模拟晶粒的生长和演变。同时，该模型还与晶体塑性有限元方法（Crystal Plasticity Finite Element Method, CP-FEM）相结合，以考虑材料的各向异性行为。这种结合使得研究人员能够在不同的热力学和力学条件下，对晶粒结构和应力演变进行更精确的预测。此外，该模型还能够动态地耦合热传导、熔化和凝固过程，以及晶粒内部的应力和应变变化，从而提供一个更全面的工艺-结构-力学分析框架。

研究还提到，尽管实验方法在材料科学中占据重要地位，但它们往往受到时间和成本的限制，尤其是在需要实时捕捉微观结构和应力演变的情况下。传统的实验方法，如扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD），虽然能够提供高质量的微观结构信息，但通常只能进行二维测量，并且无法在凝固过程中实时进行。因此，数值模拟方法成为一种更具成本效益和高效性的替代方案，使得研究人员能够在零件尺度上进行模拟，以预测应力分布和晶粒结构的演变。

在材料参数方面，研究基于文献数据对316L不锈钢的热力学参数进行了推导。这些参数包括热导率（λ）、热膨胀系数（α）和密度（ρ），它们随着温度的变化而变化。热导率和热膨胀系数的温度依赖性在模拟中被考虑，而密度的变化则通过二次函数进行建模。此外，材料的弹性刚度张量也被假设为温度的线性函数，并在模拟中进行了扩展，以覆盖更高的温度范围。这些参数的准确校准对于模拟的可靠性至关重要。

在力学模拟方面，研究采用了一种基于晶体塑性的方法，以考虑材料的各向异性行为。晶体塑性模型能够捕捉材料在不同晶粒取向下的力学响应，这对于理解晶粒结构对材料性能的影响具有重要意义。研究中还特别关注了粘塑性部分的建模，该部分基于文献中的相关研究，能够有效描述材料在高温下的粘塑性行为。通过将晶体塑性模型与CAFE框架相结合，研究人员能够在不同的工艺条件下，对材料的应力和应变进行更精确的预测。

研究还指出，在L-PBF过程中，晶粒的生长和演变受到多种因素的影响，包括温度场、冷却速率、激光功率和扫描速度等。这些因素共同作用，决定了最终材料的微观结构和机械性能。因此，建立一个能够综合考虑这些因素的多尺度模拟框架，对于优化工艺参数、提高材料性能具有重要意义。此外，该框架还能够揭示不同工艺条件下应力的演变机制，为材料的缺陷控制和性能优化提供理论依据。

为了验证模型的准确性，研究人员参考了文献中的实验数据，特别是Chadwick等人在使用连续波激光和扫描电子显微镜（CWLaser-SEM）设备进行激光扫描实验时的结果。这些实验数据为模型的校准和验证提供了重要依据。此外，研究还讨论了模型在多道次激光扫描过程中的应用，以揭示晶粒生长和应力演变的规律。通过这些应用，研究人员能够进一步理解不同工艺参数对材料性能的影响，并为未来的工艺优化提供指导。

研究的结论部分强调了所开发模型在预测L-PBF过程中材料应力和应变演变方面的有效性。该模型能够动态地耦合热力学、晶粒生长和力学响应，为多道次激光扫描过程提供了全面的分析工具。通过模拟不同扫描策略下的材料行为，研究人员能够更深入地理解应力在晶粒之间的分布规律，以及晶粒取向对材料性能的影响。这些结果不仅有助于提高对L-PBF工艺中缺陷形成机制的理解，还为未来的研究提供了新的视角和方向。

此外，研究还讨论了该模型在实际应用中的潜力。通过进一步的优化和验证，该模型可以用于指导实际的L-PBF工艺参数设计，从而减少缺陷的产生，提高材料的性能。研究还指出，未来的方向可能包括对更复杂材料体系的模拟，以及对不同工艺条件下的材料行为进行更系统的分析。这将有助于推动增材制造技术的发展，使其在工业应用中更加成熟和可靠。

总的来说，本文的研究为理解L-PBF过程中固相组织结构和内部应力的演变提供了重要的理论基础和技术支持。通过开发和验证一种强耦合的多尺度模拟框架，研究人员能够更准确地预测材料在不同工艺条件下的行为，从而为优化工艺参数、提高材料性能提供了有力的工具。这一研究不仅具有重要的学术价值，还为实际工业应用中的材料设计和制造提供了新的思路和方法。