激光粉末床熔融全尺度多物理场建模：从表面形貌到微观结构的跨尺度模拟与工艺优化

西北工业大学团队针对激光粉末床熔融(L-PBF)工艺中表面粗糙度、体积缺陷和微观结构控制难题，开发了零件尺度多物理场(PS-MP)模型。该模型实现了从单道激光到万次扫描的跨尺度模拟，成功预测了Inconel 718合金表面形貌演化与未熔合孔隙(LoFs)的关联机制，揭示了AlMgScZr合金柱状-等轴晶转变(CET)和TC4合金马氏体相变规律，为复杂结构件的虚拟制造提供了数字化解决方案，相关成果发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

金属增材制造技术作为工业4.0的核心技术之一，正在重塑航空航天和生物医疗等领域的零部件制造格局。其中激光粉末床熔融(L-PBF)技术凭借其制造复杂结构和高性能部件的能力备受瞩目。然而随着金属增材制造市场的快速扩张，学术界和工业界面临着一个突出矛盾：复杂构件制造过程中，表面粗糙度、体积缺陷和微观结构的控制难度呈指数级增长，而传统试错法带来的材料和能源浪费触目惊心。特别是在制造晶格结构等复杂构件时，表面粘粉、亚表面孔隙聚集以及微观结构不均匀等问题，往往导致实际构件与设计性能存在显著差距。这些问题的根源在于，现有模拟方法难以跨越从熔池微观行为到宏观零件性能之间的尺度鸿沟——毫米级以下的熔池模拟无法预测厘米级零件的最终质量特征，而宏观有限元模型又无法准确捕捉熔池流体动力学行为。

西北工业大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表的这项研究，正是针对这一关键技术瓶颈展开攻关。团队创新性地开发了零件尺度多物理场(PS-MP)建模框架，首次实现了从单激光道到超过10，000次扫描的跨尺度模拟，虚拟构建了立方厘米级的复杂结构。该模型通过四个关键验证原则，可靠地复现了L-PBF工艺特有的表面形貌、体积缺陷和微观结构特征，为理解工艺-结构-性能关系提供了全新视角。尤为重要的是，模型生成的三维数字零件可与实际零件进行全方位比对，这种"离线数字孪生"技术能以极低成本获取传统实验难以获得的瞬态温度场、熔池尺寸等关键数据。

研究采用高度函数-格子玻尔兹曼(HF-LBM)多物理场模型为核心算法，耦合宏观热传导有限差分法，开发了改进的块结构自适应网格细化技术。通过粉末生成算法实现自动分层模拟，采用高度函数法精确计算熔池表面曲率。模型历经三个版本迭代：HF-LBM 1.0优化单道参数，HF-LBM 2.0实现千次扫描的毫米级块体模拟，最终HF-LBM 3.0突破万次扫描的厘米级模拟瓶颈。研究选取Inconel 718、AlMgScZr和TC4三种典型合金，通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等技术验证模拟结果。

表面形貌的"泵送效应"机制研究发现，单向扫描策略会导致激光道起始区形成凸起而末端凹陷，这种高度差随层数累积可达到0.4mm，是导致刮刀碰撞的主要原因。模拟与实验对比显示，最高表面位置对应最宽熔池区域，证实热累积效应是形貌演化的关键驱动力。通过分析2×2×2 mm³ Inconel 718块体的体积缺陷分布，首次揭示了表面形貌与未熔合孔隙的三类形貌（大型不规则LoFs、长条状LoFs和道端LoFs）的空间关联性。在晶格结构模拟中，发现轮廓扫描产生的40μm深凹陷是亚表面孔隙的主要来源，这些缺陷倾向于聚集在倾斜支柱上表面，形成疲劳性能的"杀手缺陷"。

微观结构预测方面，研究建立了AlMgScZr合金柱状-等轴晶转变(CET)的定量判据：G=1/(n+1)[-4π/(3ln(1-φ))]^1/3N₀^1/3ΔT(1-ΔT_nⁿ⁺¹/ΔTⁿ⁺¹)。通过提取支柱不同位置的冷却速率（底部1，015 K/s至顶部9，615 K/s），发现底部区域因热循环次数多、冷却慢而完全转变为等轴晶（平均长宽比1.6），顶部则保持柱状晶（平均长宽比2.84）。对TC4合金的马氏体(α_m)相变模拟显示，其生长呈现阶梯式特征——当冷却速率>410 K/s时快速生成，低于此阈值则停滞；后期热循环会导致α_m分解，使试样中部的α相含量升高至58%，与显微硬度测试结果高度吻合。

基于这些发现，研究提出分层变功率成形(LVPF)工艺方案，通过在节点区域降低激光功率来减少热积累。验证实验表明，优化后的晶格结构弹性模量由支柱质量主导，而屈服强度则由节点质量决定。最终，研究实现了从设计-制造-评价的全流程闭环模拟，PS-MP模型预测的晶格结构压缩破坏模式（45°剪切带）与实验结果一致，显著优于CAD模型的均匀变形预测。

这项研究的多项突破对增材制造领域具有里程碑意义。PS-MP模型首次实现了表面形貌、体积缺陷和微观结构的零件尺度集成预测，将传统"黑箱"工艺转化为可解析的"白箱"系统。提出的四项建模原则（粉末层稳态、传热精度、数字-实体比对和全参数模拟能力）为多物理场模型开发树立了新标准。对晶格结构亚表面孔隙形成机制的阐释，为航空航天轻量化构件质量控制提供了理论依据。开发的LVPF方案证明，通过动态调整工艺参数可实现复杂结构的性能定制化设计。更重要的是，这项研究构建的数字化平台为人工智能辅助工艺优化奠定了基础，将大幅减少实验试错带来的资源消耗，推动增材制造向绿色智能制造方向发展。未来，通过与热机械模型耦合预测残余应力，将进一步扩展该模型在工程应用中的价值。