Acta Mater.：粉末床增材制造的相場模擬

【引言】

增材制造（Additive manufacturing，AM），也被稱為3D打印，是一種以逐層方式制造物體的技術。增材制造過程的兩個常用方法是選區激光熔融和電子束熔融，通過融化金屬細粉制造三維金屬部件。此過程中，電子束或者激光束會選擇性地對鋪好的金屬粉末層進行掃描，形成熔池；隨后熔池凝固，疏松的金屬粉末變成一致密層。隨后，新的粉末層鋪到剛凝固的致密金屬層，不斷重復掃描-熔化-凝固過程，直到整個部件完成為止。然而，增材制造過程中的質量控制是一個亟待解決的問題，例如氣孔率、殘余應力、變形、表面粗糙度以及微觀組織等，都會對材料的性能造成影響。??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

【成果介紹】

近日，來自新加坡A STAR 高性能計算研究所（Institute of High Performance Computing）的Yong-Wei Zhang（通訊作者）在期刊Acta Materialia上在線發表了題為“Phase field simulation of powder bed-based additive manufacturing”的文章。研究人員建立相場模型對粉末床增材制造過程進行模擬，重點研究光束功率和掃描速度兩個重要參數對熔池的大小，形狀，氣孔率和晶粒結構的影響。該相場模型再現了實驗中觀察到的許多重要現象，揭示了制造參數和熔池深度、長度，氣孔率以及晶粒密度的標度關系。本研究工作可以為增材制造過程中缺陷和微觀組織的準確控制提供有益的參考。

[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Yong-Wei Zhang的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1. 3D增材制造過程示意圖以及2D相場模型的參數設置

選取3D增材制造過程的中間橫截面為模擬面，掃描方式為“S”往返型。

圖2.增材制造過程的2D模擬結果

增材制造過程中的參數：光束功率80W，掃描速度800mm/s。

掃描方向：a)-c)從左向右；d)-e)從右向左。

圖3相場模型預測的熔池演變

a) 80W光束功率下熔池的尺寸和幾何形狀，掃描速度：A₁、A₂—400mm/s；B₁~B₄--800mm/s；C₁~C₇—1600mm/s。

b)熔池長度和掃描距離的關系；光束功率為80W，掃描速度分別為400,800,1600mm/s。

c)熔池深度和掃描距離的關系；光束功率為80W，掃描速度分別為400,800,1600mm/s。

d)不同光束功率下，熔池深度和掃描速度的關系。

e)熔池深度和功率密度的關系。

f)不同功率下，熔池長度和掃描速度的關系。

圖4 氣孔率和微觀組織隨過程參數的變化

a₁)-a₁₂)不同光束功率和掃描速度下的孔洞分布和晶粒結構；

a₁₃)氣孔率分布圖；淺顏色對應高的氣孔率。

b)不同光束功率下，氣孔率隨掃描速度的變化。

c)氣孔率隨功率密度的變化。紫色的點和線顯示了60μm層厚下的氣孔率模擬結果。從左到右5個紫色圓點對應的過程參數分別為：P₀=40W，v=400mm/s；P₀=160W，v=1000mm/s；P₀=80W，v=400mm/s；P₀=120W，v=400mm/s；P₀=1600W，v=400mm/s。

圖5 過程參數對晶粒結構的影響

a)不同光束功率下，晶粒密度隨掃描速度的變化。

b)晶粒密度隨功率密度的關系。

【小結】

本文建立相場模型，研究了粉末床增材制造過程中熔池的尺寸、形狀、氣孔率和晶粒結構。研究發現，熔池長度和深度隨光束功率密度的增加而增加。熔池深度、氣孔率和晶粒密度與功率密度存在標度關系。而且，當功率密度降到一臨界值后，氣孔率會急劇增加。另外，不同功率密度下，晶粒結構受不同的機制影響。本研究工作揭示了過程參數與熔池尺寸、形狀、氣孔形成以及晶體結構的關系，為增材制造過程中的參數選擇提供了有益指導。

文獻鏈接：Phase field simulation of powder bed-based additive manufacturing(Acta Materialia,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.033)

本文由材料人編輯部付鈺編輯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。?

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