激光重扫描Al-10Si合金中晶粒与亚晶粒演化的三维元胞自动机模拟及实验验证：共晶生长机制与微观结构调控

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备Al-10Si合金时存在的柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题，开发了集成共晶生长机制的三维元胞自动机(3D CA)模型，结合有限元分析(FEA)热场数据，成功预测了激光重扫描(LR)过程中的枝晶-共晶转变、晶粒细化等关键现象，为优化增材制造工艺参数提供了可靠工具。

　　

在金属增材制造领域，Al-Si合金因其优异的打印性能和力学特性成为研究热点。然而，激光粉末床熔融(LPBF)过程中极快的熔凝速度往往导致粗大柱状晶和不均匀共晶相分布，造成力学性能各向异性等突出问题。传统铸造Al-Si合金通常呈现α-Al相和层状共晶的典型组织，而LPBF制备的合金由于超高冷却速率会形成独特的亚微米级胞状结构。这些微观结构差异直接影响材料性能，但现有模型难以同时预测晶粒形貌和亚晶级特征。

针对这一挑战，国外研究人员在《Materials》发表重要研究成果。他们创新性地将共晶凝固框架引入元胞自动机(CA)方法，开发出能动态切换枝晶和共晶生长模式的三维模型。研究团队通过耦合有限元分析(FEA)热数据、溶质再分配追踪和快速凝固条件下的生长动力学，实现了对Al-10Si合金激光扫描与重扫描过程中微观结构演化的精准预测。

关键技术方法包括：1)采用Goldak热源模型进行双阶段激光扫描热场模拟；2)开发集成枝晶/共晶转变规则的改进CA模型；3)结合实验验证，通过OM、SEM、EBSD和EDS等多尺度表征技术；4)应用Real-ESRGAN人工智能算法增强模拟图像分辨率。研究选用Al-10Si铸板进行激光单次扫描和重扫描实验，参数设置为功率300W，扫描速度分别为350mm/s和450mm/s。

研究结果方面，首先在单晶验证实验中，模型成功捕捉到温度敏感的生长模式转变：855K时纯枝晶生长，848K时出现枝晶间共晶组织。定向凝固模拟显示冷却速率从20K/s增至400K/s时，枝晶臂间距减小，亚晶结构更趋胞状。

在激光重扫描效应研究中，模拟与EBSD结果共同证实：重扫描使平均晶粒尺寸减小，柱状晶生长受抑制。熔池边界处形成细小晶粒带，最大取向强度从2.2降至1.9，织构趋于弱化。成分图谱显示熔池内缘存在明显Si富集带，EDS验证了模拟预测的溶质分布规律。

亚晶结构演化方面，模拟再现了实验观察到的独特胞状形貌：熔池边界处较粗(约2.3μm)的互联共晶网络向中心区域更细(约1.3μm)的均匀分布转变。AI增强图像处理使模拟结果与SEM照片的亚微米特征高度吻合。热分析表明这种转变源于熔池内部更高的冷却速率(约400K/s)。

研究结论指出，该CA模型首次实现了对LPBF过程中枝晶-共晶动态转变的定量描述，揭示了激光重扫描通过改变热梯度(G)/凝固速率(v)比来促进晶粒细化的机制。具体表现为：1)熔池边界未熔颗粒促进异质形核；2)更高扫描速度(450mm/s)使熔池更浅，冷却更快；3)溶质再分配形成空间变化的共晶组织。这些发现为理解非平衡凝固微观结构形成提供了新视角。

讨论部分强调，该模型的创新价值在于：1)突破传统CA模型仅关注晶粒尺度的局限，首次集成溶质分配预测亚晶特征；2)建立工艺参数-热历史-微观结构的定量关系，指导LPBF参数优化；3)开发的开源框架可扩展至其他合金体系。研究不仅为Al-10Si性能调控提供理论依据，其方法学创新对多相合金增材制造模拟具有普适意义。

值得注意的是，研究也存在一定局限：未考虑熔池流体流动对形貌的影响，亚晶分辨率受限于0.5μm网格尺寸。未来工作将结合相场法提升界面描述精度，并探索微观结构与力学性能的定量关联。这些发展为最终实现"按需设计"增材制造微观组织奠定了重要基础。