孕育剂对铝快速凝固过程中微观组织演变的影响：激光粉末床熔融条件下的计算方法

《Materials & Design》：Influence of inoculants on microstructure evolution during fast solidification of aluminium: A computational approach under laser powder bed fusion conditions

　　

多尺度相场模型（multiscale phase-field model）预测了快速凝固过程中的孕育剂效应。孕育剂使凝固速度加倍，导致强烈的晶粒细化。TiB₂在铝合金中提供了最强的形核能力和细化效果。颗粒尺寸和密度强烈影响微观组织演变。模拟框架预测了最终晶粒尺寸和激光粉末床熔融（LPBF）加工窗口。

**论文解读：孕育剂对铝快速凝固微观组织演变的计算研究**

**研究背景与问题**
激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造（AM）的关键技术，在航空航天等领域应用广泛，但铝合金因高反射率、高热导率及凝固缺陷（如热裂纹、柱状晶）而难以加工。晶粒细化通过异质形核是改善可打印性和力学性能的有效策略，纳米级孕育剂如TiB₂、Sc-和Zr-基体系在快速凝固条件下已显示出显著效果。然而，现有实验研究占主导，缺乏能够预测孕育剂驱动微观组织演变的计算框架，尤其是针对LPBF条件下不同孕育剂系统的系统比较。为此，研究人员开发了多尺度计算框架，结合有限元分析（FEA）、CALPHAD热力学和相场模拟，以模拟孕育铝合金在LPBF条件下的微观组织演变，明确考虑孕育剂类型和特性，为孕育剂和合金设计优化提供预测基础。

**研究内容与结论**
研究人员采用多尺度方法，包括CALPHAD热力学计算、Rosenthal方程和FEA热模型、以及相场模拟（MICRESS），系统研究了Al-Cu-Mg-Mn基合金中添加Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Hf和TiB₂孕育剂对凝固行为的影响。模拟条件模拟LPBF单道扫描，激光功率100 W，扫描速度0.8 m s^-1，预热温度473 K。主要结论：孕育剂显著提高凝固速度（SV），使SV几乎翻倍，促进晶粒细化；TiB₂因更高的热力学驱动力和与铝基体的晶格匹配，表现出最强的形核能力和细化效果，SV达0.70 m s^-1，二次枝晶臂间距（SDAS）为0.20 μm；孕育剂体积分数增加和半径增大均提升SV，而空间分布影响较小；通过热梯度与SV关系预测最终晶粒尺寸，与文献实验值吻合（TiB₂偏差22.1%，Al₃Sc偏差27.8%），并确定了LPBF加工窗口（如200 W、0.8 m s^-1时晶粒尺寸2.12 μm，可避免球化、未熔合或锁孔缺陷）。该工作发表在《Materials》。

**关键技术方法**
1. **CALPHAD热力学与扩散计算**：利用Thermo-Calc软件及TCAL8（热力学）和MOBAL7（扩散）数据库，计算Scheil凝固（含溶质捕获）及Gibbs自由能，生成Gibbs能量系统（GES）文件作为相场输入。
2. **热模型**：采用Rosenthal方程（低能量密度）和基于MOOSE框架的FEA模型（高能量密度），模拟激光移动热源下的温度分布，提取沿生长方向的温度轮廓（T(z)），并验证与文献（[26]）的熔池尺寸和温度范围一致性。
3. **相场模拟**：借助MICRESS软件，构建多相场模型，定义域尺寸（9 μm宽×80 μm长，网格间距0.022 μm），包含AlFCC、液相及析出相（如Al₃Sc、TiB₂），设定异质形核模型（基于经典形核理论，形核势垒降低），通过热输入和形核参数模拟再凝固过程，输出SV、SDAS、浓度分布及相分数。
4. **晶粒尺寸预测模型**：基于SDAS与冷却速率（R）的经验关系（SDAS = A·R^-n）及SV与R的关联，推导最终晶粒尺寸GS = C·SV^m，其中常数C和m由文献确定（TiB₂：C=0.35，m=0.40；Al₃Sc：C=0.35，m=0.53）。

**研究结果**
**3.1 孕育剂 vs. 固溶合金**
通过对比添加Al₃Sc与无孕育剂情况，相场模拟显示孕育剂显著加速凝固，SV从约0.02 m s^-1提升至0.06 m s^-1，枝晶尖端位置更高，表明异质形核提供局部驱动力，促进界面早期形成和生长稳定化。EDS分析显示，后期SV下降归因于溶质浓度梯度减小，降低驱动力。

**3.1.1 孕育剂分散度的影响**
比较均匀、随机、垂直间距和水平间距四种分布，SV值总体相近，但均匀和垂直间距配置在0.36 ms附近略高，表明垂直方向（主生长方向）的均匀分布更有利；随机分布效果最差。

**3.1.2 孕育剂体积分数的影响**
将Al₃Sc数量从8个增至16个，SV显著提高（0.06 vs. 0.04 m s^-1），原因是更多形核位点导致固相更快合并。但后期因位置差异，8个案例的SV反而更高，这归因于枝晶位置不同导致的浓度梯度差异，不影响整体细化趋势。

**3.1.3 孕育剂半径的影响**
比较半径100 nm、300 nm、800 nm，300 nm案例SV最高（0.06 m s^-1），而100 nm和800 nm略低（0.05 m s^-1）。初始阶段大半径提供更大接触面积，促进形核；后期因位置效应，小半径案例SV反而更高。总体而言，大半径有利于更细的晶粒。

**3.2 孕育剂成分的影响**
Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Hf和TiB₂在相同参数下比较，TiB₂的SV最高（0.70 m s^-1），SDAS最小（0.20 μm），而其他三者接近（SV约0.34 m s^-1，SDAS约0.37 μm）。热力学计算显示TiB₂的液-固驱动力高出约50 kJ mol^-1，归因于其低界面能、晶格匹配和热稳定性。该结果与生长限制因子（Q值）理论一致，Ti具有最高Q值。

**3.3 孕育剂对晶粒生长限制和形核促进的作用**
相场模拟显示，初始枝晶从底部向上生长，遇到孕育剂后在其表面形成新枝晶，两者碰撞后底部枝晶停止生长，证明孕育剂有效限制生长。若抑制孕育剂形核，枝晶则无阻碍地穿过孕育剂区域，无细化效果。

**3.4 扫描参数对晶粒细化和最终晶粒尺寸的影响**
改变激光功率（50–300 W）和扫描速度（0.5–1.1 m s^-1），预测晶粒尺寸范围1.70–3.86 μm。高功率和低扫描速度增加能量密度，提高热梯度和冷却速率，从而增大SV、减小晶粒尺寸。最优加工窗口（无缺陷区）为150–250 W、0.6–1.0 m s^-1，例如200 W、0.8 m s^-1时晶粒尺寸2.12 μm，平衡细化与缺陷控制。

**总结讨论**
模拟结果与文献实验值对比显示，TiB₂和Al₃Sc的预测晶粒尺寸分别偏差22.1%和27.8%，在合理范围内，验证了模型可靠性。孕育剂特征对晶粒细化的影响程度排序：成分>体积分数>半径>空间分布。TiB₂因高驱动力和热稳定性成为最有效孕育剂。研究结论指出，通过优化孕育剂成分、体积分数和尺寸，可显著改善LPBF铝合金的微观组织与性能。

**研究结论**
（翻译自论文结论部分）
本研究采用相场模拟，结合热力学、热模型和本构模型，系统研究了孕育剂对铝合金LPBF凝固行为的影响。主要结论如下：
- 孕育剂通过显著提高形核率，使凝固速度近乎翻倍，增强晶粒细化。其中，TiB₂因有利的热力学驱动力，表现出最高的凝固速度和最小的二次枝晶臂间距。
- 孕育剂的空间分布对微观组织演变至关重要，最佳配置需平衡均匀性，尤其垂直间距因与主凝固方向一致而强烈影响晶粒生长。
- 集成的热-相场-本构建模框架可预测晶粒尺寸随工艺参数和孕育剂特征的变化，为工艺优化提供路径，在定义加工窗口内最大化晶粒细化并避免缺陷。