不锈钢电子束焊缝中微观组织演化的相场模型参数一致性确定

《Materials Science and Engineering: A》：Consistent determination of phase-field model parameters for microstructure evolution in stainless steel electron beam weldments

　　

为提升对奥氏体不锈钢电子束焊接过程中晶粒演化的理解与预测能力，研究人员在已有多序参量相场晶粒生长框架基础上进行改进与扩展，引入了实验驱动的初始微观组织、耦合热流温度场以及系统的顺序标定流程。初始微观组织由EBSD测量数据构建，通过极射赤面反极图投影将实测晶体取向映射到相场序参量上，从而保留母材的晶粒取向分布。研究人员建立了一套基于多种EBSD派生指标的连续顺序标定流程以确定关键模型参数：界面迁移率通过对比模拟晶粒数与晶粒尺寸分布和实验测量值进行标定；通过各向异性参数引入有效晶界能各向异性，并由模拟取向分布与EBSD图对比标定；形核采用泊松分布随机播种算法，并通过基于截距的形核指数与实验观察评估。该顺序流程在研究参数范围内给出了一组一致的模型参数。使用此参数集，模型复现了实验制备并经过微观组织表征的自熔电子束焊缝的最终晶粒结构与晶粒取向分布。所提出的建模与标定方法可推广至其他高能束工艺，并有助于工艺-结构-性能建模。

研究背景方面，奥氏体不锈钢因强度与耐蚀性优异广泛用于高性能构件，而焊接过程伴随陡峭温度梯度与快速凝固，在熔合区与热影响区形成复杂且取向依赖的微观组织。准确预测晶粒演化对焊缝完整性、缺陷抑制及力学性能调控至关重要。现有介观模拟框架主要包括元胞自动机(CA)、蒙特卡洛(MC) Potts模型与相场法(PF)；其中PF从自由能泛函出发演化连续序参量，在物理一致性上最具优势，但既有PF研究仍存在参数敏感性缺乏系统考察、界面迁移率常假设各向同性、形核律缺失或固定、温度场多用Goldak热源近似而非热流耦合、验证多限于平均晶粒尺寸而忽视取向分布等问题。多数研究以合成微观组织（如Voronoi镶嵌）初始化，未能保留母材未完全重熔区外延再生长控制的焊缝织构特征。因此，研究人员以316L不锈钢自熔电子束焊(EBW)为对象，扩展Yang等人多序参量PF框架，开展参数一致标定与实验验证。

关键技术方法上，研究人员以两根316L不锈钢管环缝EBW接头为样本队列，取轴向-径向截面约15×15 mm2试样，经导电树脂镶样与0.05 μm氧化铝溶胶抛光后，用Zeiss Sigma VP场发射SEM配EDAX探测器以3 μm步长采集1.29×2.125 mm2区域EBSD数据；将EBSD晶体取向经极射赤面反极图投影映射为PF取向序参量η_i以构建实验驱动初始条件；温度场由OpenFOAM热流CFD计算并传递至PF域；PF演化在MOOSE框架求解，液相-固相变量ζ与n个取向序参量η_i由自由能泛函F(ζ,η_i,T)变分得到，界面迁移率D_g取Arrhenius形式，形核用泊松分布随机播种；参数经顺序标定：先标D_g（对比晶粒数/尺寸分布），再标晶界能各向异性参数（对比取向分布），最后标形核率（基于截距形核指数）。

研究结果部分，第2节相场晶粒生长模型与数值实现中，研究人员基于Yang等人公式给出ζ与η_i的演化方程及总Helmholtz自由能F，含局部项f_local=f_phase+f_grain与梯度项f_grad，通过预设液固界面能σ_p、宽度l_p及晶界能σ_g0、宽度l_g换算m_p、m_g、κ_p、κ_g，晶粒动力学系数L_g=4D_g/(3l_g)，D_g=D₀exp(?Q_g/RT)，L_p作有效常数标定，确认单位体系并在MOOSE中实现。第3节微观组织表征中，研究人员给出316L管化学成分与EBW参数（焊速16.66 mm/s、束流100 mA、电压80 kV、1 mm×1 mm圆振荡1000 Hz），EBSD揭示焊缝细长柱状晶与外延再生长主导特征。第4节初始条件中，研究人员通过极射赤面反极图投影将EBSD像素取向离散赋给η_i，保留母材取向分布用于PF初始化。第5节CFD温度场传递中，研究人员用OpenFOAM计算热流场并插值至PF网格，替代Goldak近似。第6节顺序标定方法中，研究人员定义晶粒数、晶粒尺寸分布、取向分布、截距形核指数等目标函数，在参数范围内顺序最小化误差，获得单一一致参数集；标定后模拟与实验晶粒数及尺寸分布吻合。第7节晶粒生长各向异性中，研究人员引入各向异性参数修正η梯度项，标定后模拟极图与EBSD极图一致。第8节形核模型中，研究人员用泊松分布随机播种描述熔池尾部异质形核，以截距形核指数对标，复现等轴晶比例与取向展宽。第9节讨论中，研究人员指出顺序标定避免了文献经验取值的矛盾，EBSD初始化是焊缝织构预测关键，热流温度场提升动力学保真度，各向异性与形核项共同解释柱-等轴转变；方法可扩展至激光焊与增材制造。第10节结论中，研究人员翻译结论为：扩展的PF框架结合EBSD初始微观组织、热流温度场与顺序标定，可在研究参数范围内给出一致参数集，复现316L EBW焊缝最终晶粒结构与取向分布；界面迁移率、晶界能各向异性与泊松形核率三项标定缺一不可；该方法支持高能束工艺-结构-属性建模。论文发表于《Materials Science and Engineering: A》。