多物理场相场模型与田口法联用模拟固态烧结中材料行为的微结构优化研究

本研究创新性地将多物理场相场模型与田口法相结合，建立了SbDoE（Simulation-based Design of Experiments）方法体系，通过有限元模拟系统评估了烧结温度（Ts）、加热速率（β）和时间（ts）对316L不锈钢相对密度（f）、热导率（k）和弹性模量（E）的影响。研究发现烧结时间对材料性能优化影响最显著，建立的数值模型预测结果与文献数据高度吻合，为固态烧结工艺优化提供了高效可靠的计算框架。

　　

在材料科学领域，固态烧结工艺是制备高性能金属部件的关键技术，但传统实验方法存在成本高、周期长的瓶颈。尤其对于316L不锈钢这类重要工程材料，其烧结过程中温度场、微结构演变与力学性能的复杂耦合关系尚未完全阐明。现有研究多采用单一物理场模拟或全因子实验设计，既难以捕捉多尺度物理现象，又面临计算量巨大的挑战。针对这些问题，法国UTBM大学Judice Cumbunga团队在《Materials Today Communications》发表创新研究，通过融合多物理场相场模型与田口法，建立了高效的仿真优化框架。

研究团队主要采用三项关键技术：1）多物理场相场模型，整合Cahn-Hilliard方程（描述质量守恒的相场变量c）、Allen-Cahn方程（非守恒相场变量η）和热-力耦合方程；2）基于MOOSE平台的有限元求解器，采用自适应网格和Newton-Krylov算法处理非线性问题；3）田口L₉(3³)正交试验设计，通过9组模拟替代全因子27组实验。样本采用8个不同粒径（3.0-6.0μm）的316L不锈钢粉末初始构型。

【微结构行为】通过相场变量演化模拟发现，烧结时间（ts）对相对密度（f）影响最显著（F值0.82），最佳参数组合为1250°C/20°C·min^-1/90min。温度升高会导致孔隙孤立化，而延长烧结时间可促进孔隙-晶界协同运动，使相对密度提升至0.8421。

【热学性能】热导率（k）优化需采用"越小越好"准则，1200°C/5°C·min^-1/30min组合使k降至23.63 W·(m·K)^-1。ANOVA显示时间贡献率最高（F值2.99），短时间烧结保留的孔隙有效阻碍了热传导。

【力学性能】弹性模量（E）优化遵循"越大越好"原则，1300°C/20°C·min^-1/90min组合使E达174.57 GPa。值得注意的是，引入弹性场会使总自由能（F=F_chem+F_int+F_el）下降延缓，但显著改善力学性能预测精度。

研究结论表明，这种SbDoE框架将实验次数减少66.7%，预测误差<0.2%。通过量化烧结参数对多尺度性能的影响权重，为工程应用提供了明确指导：当以密度为优化目标时应优先延长烧结时间，而热绝缘材料则需控制烧结温度和时间。该工作不仅建立了计算设计与实验的桥梁，其相场-田口法耦合策略还可推广至粉末冶金、陶瓷烧结等领域。未来研究可进一步引入粘塑性场（F_vp）并开展宏观尺度验证实验。