钛合金激光立体成形中凝固与固态相变全流程微观组织演化机制

Laser solid forming (LSF) is a typical additive manufacturing technology. The titanium part made by LSF is suffered from low ductility and poor low cycle fatigue performance, as well as obvious anisotropic mechanical behaviors. All of these undesirable mechanical properties are related with the microstructure formed during both solidification and solid-state phase transformation. The multiple rapid thermal cycles result in the very complex non-equilibrium microstructure of LSF component. The present understanding of the microstructure evolution during the solidification and solid-state phase transformation is still very limited, which is insufficient to provide an effective guide for the improvement of property of LSF component. Using the micro-scale phase-field simulation method coupled with macro-scale finite element method, as well as combining with typical validation experiments, we intend to study the microstructure evolution in the whole process from solidification to the subsequent solid-state transformation, analyze the formation mechanism of various microstructure, and explore the relationship between manufacturing parameters, macro scale temperature distribution, stress distribution and microstructures. This work can provide a useful guide for the microstructure control and the improvement of mechanical properties.

钛合金激光立体成形(Laser Solid Forming, 简称LSF)是增材制造技术的典型代表。当前两相钛合金LSF构件的延伸率及低周疲劳性能偏低，且存在明显的性能各相异性。这些力学性能的不足与其在凝固及固态相变过程中形成的微观组织密切相关。然而多周期循环往复、剧烈变温的工艺特点决定了LSF构件微观组织表现出强烈的非平衡性及复杂多变性，当前对其从凝固到固态相变的全流程形成机理仍认识有限，无法为LSF构件组织性能的优化调控提供有效指导。本项目采用耦合宏观有限元计算的相场法模拟技术，并结合关键性实验，研究钛合金LSF过程中从快速凝固到固态相变的全流程微观组织演化规律，分析特征组织的形成机理，探索工艺参数与宏观温度、应力分布以及微观组织之间的关联。项目的完成对于钛合金LSF构件微观组织主动调控及综合力学性能提升具有指导作用。

钛合金激光立体成形（Laser Solid Forming, 简称LSF）构件的力学性能取决于其内部微观组织。对钛合金LSF过程中从初始快速凝固到固态相变的全流程微观组织演化机制及规律的理解是实现其组织调控及综合力学性能提升的关键。本项目在多相场模型基础上，通过耦合钛合金自由能数据库以及微观弹性应变能，建立了包含相场、温度场、溶质场、弹性场在内的多场耦合模型，开发了基于“体自由能最小”原理的界面浓度求解方法及GPU加速算法，通过微观组织结构、成分、取向信息在不同相变阶段的有效传递，构建了三维凝固/固态相变微观组织演化一体化模拟策略，并将经实验验证的宏观温度场、应力场模拟信息以插值离散方式与之耦合，成功实现了LSF全流程组织演化模拟。进一步结合实验观测，对LSF过程中凝固及固态相变组织形成机制及规律进行了系统研究。取得的主要成果如下：（1）揭示了激光立体成形过程中熔池表层及内部的凝固组织形成机制，阐明了温度变化特征对微观组织演化的影响规律，建立了工艺参数与组织特征及微观偏析之间的关联；(2)获得了激光立体成形TC4合金从基材到沉积层顶部的组织演化规律，明晰了冷却速度及热应力对固态相变组织的影响规律，理清了不同沉积部位的变体选择规律，揭示了网篮、集束、层带等典型组织的形成机理；（3）揭示了循环往复受热过程中层片组织持续粗化机制，探明了热循环频率及峰值温度对对粗化速率的影响，获得了非稳态粗化进程随第二相颗粒团簇状态以及初始尺寸分布的演化规律，建立了非稳态粗化动力学预测模型；（4）发展了基于两点统计及主成分分析的凝固微观组织定量表征方法，通过机器学习手段建立了凝固工艺与微观组织之间的关系模型，初步实现了从工艺参数到凝固微观组织的快速预测。研究成果无论是对于多周期、非稳态、循环往复受热条件下的相变理论发展，还是对钛合金LSF构件微观组织主动调控都具有重要意义。