块体金属玻璃激光粉末床熔融中结晶过程三维数值模拟的代表体积单元方法

《Materials & Design》：A representative volume element approach for the 3D numerical modelling of crystallization in laser powder Bed Fusion of bulk metallic glasses

　　

传统的块体金属玻璃（BMG）部件由于需要高冷却速率以避免通常导致有害力学性能的显著结晶，因此尺寸受限。激光粉末床熔融（LPBF）工艺可以解决这一问题，因为激光与材料之间的相互作用时间短且局限在微小体积内。然而，对于大多数BMG而言，使用该技术控制非晶组件的生产仍然是一项挑战。一种方法是开发完整的LPBF工艺三维数值模型，并结合适当的时间-温度-转变（TTT）图。然而，相关的计算时间仍然极具挑战性。在这项工作中，研究人员提出将计算域限制在一个小的代表体积单元（RVE）内。利用锆基BMG（AMZ4）的数据，研究人员表明，该方法不仅可以定量预测结晶动力学，还可以预测结晶区域的空间位置，且计算时间合理，这在LPBF三维建模中以前从未实现过。测得的结晶分数范围从73%到几乎0%，并且包括了不同机器打印、束斑尺寸变化以及扫描线之间添加延迟以考虑不同扫描策略的影响。结晶图案在部件中呈不均匀分布，但主要集中在热影响区（HAZ）的交汇处。这些结果通过打印样品的扫描电子显微镜（SEM）图像和显微硬度测量得到了验证。研究发现，即使采用简单的扫描策略，减小激光光斑尺寸和层厚也是保持非晶结构的关键因素。

**论文解读：基于代表体积单元的块体金属玻璃激光粉末床熔融结晶三维数值模拟研究**

**研究背景与意义**
块体金属玻璃（BMG）因其优异的硬度、强度、耐腐蚀性和高弹性极限，在电子、珠宝、医疗器械等领域具有广阔应用前景。然而，传统铸造或熔体纺丝方法难以制造大尺寸或复杂几何形状的BMG部件，因为需要极高冷却速率以避免结晶。激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造技术，凭借激光与材料短时局域作用，能实现极高局部冷却速率，理论上可突破尺寸限制。但实际加工中，部分结晶仍难避免，主要源于热积累和热影响区（HAZ）的反复加热。现有数值模型（如基于Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov（JMAK）模型的有限元模拟）虽能预测结晶分数，但全尺度三维模拟计算成本极高，且难以同时捕捉局部和全局热效应。研究人员先前研究发现，需要结合精确的TTT图（时间-温度-转变图）才能实现定量预测，但计算时间仍是瓶颈。为此，本研究提出一种基于代表体积单元（RVE）的新方法，在合理计算时间内同时预测结晶动力学和结晶区空间分布，并验证于锆基BMG（AMZ4）的LPBF打印实验。论文发表在《Materials》。

**关键技术与方法**
研究人员采用自主开发的有限元（FE）代码“Stratus”进行热模拟。该代码使用细网格随激光束移动的非共形网格技术，避免重网格化；热源为体积热源，基于实测1/e²束斑直径和穿透深度，并在液态自动切换为表面热源。结晶动力学基于JMAK模型，利用闪速差示扫描量热法（FDSC）测量的TTT图（针对同批次粉末，考虑氧含量影响），通过虚构时间技术处理非等温条件。计算域限制为RVE（包含3层、5道扫描轨迹，共15个轨迹），从而大幅降低计算时间。热-结晶耦合在细结晶网格上进行，采用自适应时间步长确保精度。实验验证涉及两台不同LPBF机器（实验室自建站和TruPrint 1000），样品通过X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）的背散射电子（BSE）检测和电子背散射衍射（EBSD）表征结晶分数与微观结构，并用显微硬度（HV0.1）评估力学性能。

**研究结果**
**3.1 具有显著不同结晶行为的样品分析**
研究人员设置了三种典型参数：X0（无延迟，大光斑80μm）、X5（5秒延迟，大光斑）、G0（优化参数，小光斑30μm）。X0样品XRD显示尖锐结晶峰（主要为CuZr₂），DSC无玻璃转变，结晶分数高达73%，硬度（HV2 560）高于完全非晶态（455），且出现裂纹（归因于结晶与残余应力的耦合）。EBSD显示靠近基板处晶粒较小，证实热沉效应。X5样品（5秒延迟）XRD呈现宽峰与尖峰混合，DSC表明结晶分数18%，但仍见裂纹；OM和SEM显示结晶集中在HAZ区域（黑色蚀刻区），宽度约20μm。G0样品（小光斑30μm）经长时蚀刻才显纳米晶簇，DSC测得过冷信号，结晶分数接近0%，熔池深度仅58μm。这些结果表明，减小激光光斑尺寸和层厚可同时改善局部和全局热效应，无需复杂扫描策略。

**3.2 数值模拟预测**
模拟采用RVE（5道×3层）及相同物理参数，预测的熔池深度和结晶分数与实验高度吻合：X0模拟结晶70%（实验73%），熔池深度160μm（实验150μm）；X5模拟11%（实验18%），熔池深度140μm（实验136μm）；G0模拟结晶约10^-9%（实验0%），熔池深度62μm（实验58μm）。模拟显示结晶区主要位于HAZ交汇处（即图6中的Region 2），与SEM观察一致。通过对比X0、X5、G0的单点热历史，发现X0因无延迟导致热积累，温度多次超过玻璃转变温度（Tg）进而促进结晶；X5延迟使温度回落至室温，消除热积累；G0虽有热积累但温度未达Tg，故不结晶。为验证RVE的代表性，研究人员模拟了单层10道扫描，发现基线温度从第2道到第5道上升约100°C，但第5道后趋于稳定，表明5道RVE能合理代表全局热历史。

**讨论与结论**
讨论部分指出，模拟虽未考虑Marangoni对流导致的晶体迁移，但仍能准确识别结晶敏感区域（即温度超过Tg且时间最长的位置），且统计上预测的结晶带宽度与实验一致（X5样品约20μm）。此外，RVE计算时间仅13小时（12th Gen i9处理器），远低于全尺度模型。研究结论总结如下：基于RVE的三维有限元模拟方法能够定量预测LPBF加工BMG的熔池深度和结晶分数，同时正确预测结晶区的空间分布，且计算时间合理。该方法强调三维模拟的必要性（温度场无对称性），并通过实验验证其有效性。研究人员确认，降低光斑尺寸和层厚是保持非晶结构的关键因素，即使在简单扫描策略下亦然。