[论文解读] Predictive modeling of solidification during additive manufacturing of metals: Recent developments, future directions

Supriyo Ghosh|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2017

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用 1

一句话总结

本文综述了金属增材制造中凝固过程多尺度预测建模的最新进展，重点探讨了热传导、流体流动和质量扩散等多物理场现象与多尺度下微观结构演化的耦合。其主要贡献在于建立了合金成分-工艺-微观结构-性能关系的框架，以减少对后续处理的依赖。

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) processes produce parts with improved physical, chemical, and mechanical properties compared to conventional manufacturing processes. In AM processes, intricate part geometries are produced from multicomponent alloy powder, in a layer-by-layer fashion with multipass laser melting, solidification, and solid-state phase transformations, in a shorter manufacturing time, with minimal surface finishing, and at a reasonable cost. However, there is an increasing need for post-processing of the manufactured parts via, for example, stress relieving heat treatment and hot isostatic pressing to achieve homogeneous microstructure and properties at all times. Solidification in an AM process controls the size, shape, and distribution of the grains, the growth morphology, the elemental segregation and precipitation, the subsequent solid-state phase changes, and ultimately the material properties. The critical issues in this process are linked with multiphysics (such as fluid flow and diffusion of heat and mass) and multiscale (lengths, times and temperature ranges) challenges that arise due to localized rapid heating and cooling during AM processing. The alloy chemistry-process-microstructure-property-performance correlation in this process will be increasingly better understood through multiscale modeling and simulation.

研究动机与目标

• 解决增材制造金属零件中微观结构不均匀性和性能可变性的问题。
• 识别在增材制造中快速加热和冷却条件下凝固过程建模的关键空白。
• 为连接工艺参数与微观结构及最终零件性能的预测建模奠定基础。
• 通过改进工艺模拟，减少对如残余应力消除和热等静压等后处理技术的依赖。
• 推进多尺度建模，以捕捉激光熔融过程中热、质与流体动力学的复杂相互作用。

提出的方法

• 采用多尺度建模方法，模拟金属增材制造中不同长度、时间与温度尺度下的凝固过程。
• 整合多物理场模型，考虑激光熔融过程中的热传导、流体流动和溶质扩散。
• 利用计算框架预测凝固过程中的晶粒形貌、元素偏析及相变行为。
• 通过基于物理的模拟，建立工艺参数（如激光功率、扫描速度）与微观结构结果之间的关联。
• 应用相场法与有限元法，模拟凝固前沿动力学与微观结构演化。
• 建立模拟微观结构与所得力学性能之间的关联，以指导工艺优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光熔融过程中的快速热循环如何影响增材制造金属的晶粒结构与形貌？
• RQ2 溶质再分布在增材制造中凝固过程的元素偏析与析出行为中起什么作用？
• RQ3 多尺度建模如何准确预测增材制造中典型极端温度梯度下的微观结构演化？
• RQ4 预测建模在哪些方面可减少增材制造零部件对后处理的需求？
• RQ5 激光功率、扫描速度等工艺参数如何影响凝固动力学与最终微观结构？

主要发现

• 多尺度建模可准确预测金属增材制造中凝固过程的晶粒尺寸、形状与分布。
• 热传导、流体流动与质量扩散模型的耦合，有助于更深入理解微观结构不均匀性与偏析现象。
• 凝固过程的预测模拟可减少对如热等静压等后处理技术的依赖。
• 将工艺参数与微观结构演化相集成，可实现对最终零件性能的更好控制。
• 固态相变行为的建模（在凝固后发生）可提高对增材制造零件性能预测的准确性。
• 计算建模的进步正推动对增材制造中合金成分-工艺-微观结构-性能关系的更深入理解。