microstructureFoam——面向熔焊与增材制造的热流体动力学与微结构演化全耦合相场框架

《SoftwareX》：microstructureFoam: A phase-field framework for thermofluid dynamics and microstructural evolution

　　

由熔焊（fusion welding）和增材制造（additive manufacturing, AM）形成的接头中，多晶微结构（polycrystalline microstructures）的演化主要受热场（thermal field）决定，而热场本身在连接过程中与流体流动（fluid flow）具有复杂关系。多数情况下，来自一个模拟框架（例如热流体动力学（thermofluid dynamics）软件）的热结果被传递至另一个能够预测微结构演化的框架（例如相场（phase-field, PF）或元胞自动机（cellular automata, CA）软件）。这种数据传递会因耦合信息丢失（例如生长晶粒释放的潜热（latent heat）反馈至温度计算）或不同计算方案之间的插值（interpolation）而不可避免地造成数据和保真度损失。在本工作中，研究人员在有限体积（finite-volume）框架中将热流体动力学与相场框架同形核（nucleation）模型完全耦合，以在溶质分配（solute partitioning）和偏析（segregation）效应较小时对生成的微结构实现更稳健的预测。研究人员通过示例展示该框架的能力，包括一个形核控制凝固（nucleation-controlled solidification）案例和一个捕捉竞争性柱状晶生长（competitive columnar grain growth）的柱状凝固（columnar solidification）情景。

论文解读文章

研究背景与问题：熔焊和增材制造中，集中热源使多组分金属基体发生局部加热、熔化，功率密度足够时还可发生汽化。液固转变、液相中复杂动量场和大温度梯度共同导致高度异质微结构；在多组分基体中，推进凝固前沿前的溶质分配使生长晶粒前方液相线温度呈位置依赖。接头区域及增材制造构件中形成的异质微结构强烈影响力学性能，并可促进应力局部化，已被认为是焊接和增材制造零件失效的重要因素。微结构因此是制造工艺与力学性能之间的关键桥梁，理解其演化对通过调整工艺参数优化微结构十分重要。由于连接和增材制造工艺参数多，全尺度实验成本高；高性能计算使高保真模拟具有可行性。现有微结构演化模拟主要有元胞自动机（cellular automata, CA）和相场（phase-field, PF）方法。CA在离散网格上以单元状态追踪凝固，效率高但物理保真度受限，将晶粒视为独立，忽略热相互作用、固液界面表面张力及糊状区晶粒粗化。PF以热力学和物理参数为基础，可自然捕捉晶粒相互作用和表面张力等界面现象，但计算成本更高；近期隐式、并行和多GPU策略推动了PF凝固模拟。本文通过忽略凝固基体中的溶质效应降低复杂度，面向热效应主导微结构演化的应用；其创新在于在单一OpenFOAM框架内全耦合热流体动力学与相场微结构演化，实现热场与微结构演化双向耦合，无需在独立工具间传递数据。

研究开展与意义：研究人员开发了microstructureFoam，作为LaserbeamFoam软件套件的一部分，以GPL-3.0发布，采用C++编写并基于OpenFOAM-v2506，集成热-流-相场-形核全耦合工作流，并可按OpenFOAM域分解方式并行。相场方程和形核模型以laserbeamFoam作为热流体动力学引擎，laserbeamFoam采用射线追踪模拟激光能量沉积；异质形核模型采用高斯分布激活过冷度，可模拟热条件和凝固动力学支持下的柱状到等轴转变（columnar-to-equiaxed transition, CET）。该工作的重要意义在于使熔池对流、潜热释放和微结构演化在单一有限体积环境中相互作用，便于研究局部熔池平流和热提取对形核密度、竞争晶粒生长及柱状晶选择的影响，并为焊接和增材制造中的微结构-工艺建模提供可扩展平台。

关键技术方法（不超过250字）：基于OpenFOAM-v2506的C++有限体积求解器，热流体引擎为laserbeamFoam，采用射线追踪沉积激光能量；相场采用时间依赖Ginzburg-Landau方程（time-dependent Ginzburg-Landau equations），以连续场描述固液相变和固态晶粒粗化，界面能各向同性，但依据固液界面晶粒取向引入立方形式各向异性固液边界迁移率（anisotropic solid-liquid boundary mobility），用于FCC和BCC材料；形核采用Greer异质形核模型，激活过冷度服从高斯分布，潜在形核位点随机分布并受间距约束，MPI并行时由主处理器串行确定后分发。示例材料参数代表Ti-6Al-4V合金；该文未涉及样本队列来源。

研究结果：
3.1 形核与凝固（Nucleation and solidification）：通过nucleationCase在2 mm×2 mm域模拟简单铸造，浇注温度1724 K（高于Ti-6Al-4V液相线1 K），模壁固定500 K，异质形核位点密度n_max为1×10¹⁸ sites/m³，平均激活过冷度T_nuc^μ为1 K、标准差T_nuc^σ为0.5 K。结果表明，早期稍过热金属接触冷模壁时冷却速率最高，大量形核位点激活，形成细等轴结构；随凝固进行冷却速率降低，形核激活速率降低，晶粒结构粗化；后期冷却速率进一步降低，热梯度仍足以推动凝固进入柱状区，无新晶粒形核。原文认为该案例未出现CET可能与毫米级模拟域及模壁至域中心平均热梯度1.224×10⁶ K/m的较强热提取有关；该域尺寸主要用于在个人计算机上快速检查模型运行，更大铸造域可展示CET但需更多计算资源。该示例说明microstructureFoam可捕捉形核控制晶粒细化。

3.2 柱状凝固（Columnar solidification）：通过columnarSolidificationCase构造垂直负热梯度，域内设为液相线温度1723 K，仅底部窄区设为500 K并固定底边，其他表面为零梯度；初始细等轴微结构由TesselateFoam生成。结果表明，凝固中形成柱状晶结构，源于底层等轴晶的竞争性外延生长；相邻晶粒通过固液界面释放潜热相互作用，在热效应主导且忽略溶质输运条件下，这种阻碍为纯热性质；晶粒向液相线推进时，取向最接近热梯度的晶粒因各向异性界面迁移率优先生长，最终超过并机械阻挡失配晶粒，直接展示增材制造强热梯度下常见?001?柱状织构机制；随凝固进行和材料从液相线1723 K冷却至固相线1658 K，柱状晶根部增厚，显示晶粒粗化。网格敏感性评估采用6.25、5.56和5.00 μm分辨率，早期三者预测前沿演化和竞争柱状生长开始一致；随凝固进展，最粗6.25 μm网格出现明显数值伪影，前沿位置和晶粒形态偏差；5.56和5.00 μm在考察期内接近一致，表明更细分辨率足以产生稳定预测。

讨论与结论翻译：讨论部分指出，microstructureFoam扩展了laserbeamFoam，将相场晶粒演化和异质形核模型直接集成到热流体动力学框架，使熔池对流、潜热释放和微结构演化在单一有限体积环境内交互，便于研究与真实工艺更接近条件下的形核密度、竞争晶粒生长和柱状晶选择；熟悉OpenFOAM的用户可借助教程案例以较小额外开销适应工作流。未来可耦合CALPHAD基热力学数据库以处理多组分合金和溶质效应，采用自适应网格加密和时间步进策略提高效率，扩展形核模型以允许动态演化的位点密度，并改进并行可扩展性和引入GPU加速。研究结论翻译：microstructureFoam提供了一个在OpenFOAM内模拟热流体行为与相场微结构演化的全耦合框架。通过将晶粒演化与异质形核直接集成到热流体求解器中，该框架避免了在独立流体动力学代码和微结构代码之间传递数据的需求，减少了与插值相关的保真度损失。示例表明其能够捕捉不同凝固条件下的形核控制晶粒细化和竞争性柱状晶生长。