激光立体成形熔池热对流-凝固微观组织演化机理的数值模拟研究

This project is intended to develop a numerical model including the molten pool shape and microstructure evolution for the core issues of the control of the microstructure and material properties, around prospects of high performance laser additive manufacturing technology in the aerospace and power energy field. Considering the wide application of IN718 alloy, it is to be established a coupled model of lattice Boltzmann method (LBM) and cellular automaton (CA) for the numerical simulation of solidification microstructure and fluid flow in laser solid forming IN718 alloy. The numerical model is to be varified by the comparison to experiment data of the molten pool shape, microstructure, primary and secondary dendrite spacing. Then, LBM-CA model, combined with experiment, are used to describe molten pool shape-solidification microstructure evolution, under the condition of Marangoni convection in the molten pool, as well as the columnar to equiaxed transition (CET) mechanism. The project is to achieve the precise control of the microstructure and properties for laser additive manufacturing process.

本项目围绕目前在航空航天和动力能源领域具有重要应用前景的高性能激光增材制造技术，针对其组织和性能控制的核心问题—移动熔池演化及组织精确控制难题，发展耦合熔池热对流和凝固微观组织的熔池形态和组织演化数值模型。选取应用广泛的IN718合金为研究背景，建立适用于IN718合金熔池冶金过程的格子-玻尔兹曼法（LBM）和元胞自动机法（CA）耦合的LBM-CA数值模型。采用实验观测的熔池形貌，凝固显微组织形态，以及一次、二次枝晶间距对比，验证数值模型的可靠性。通过数值模拟结合实验研究的方法，揭示熔池内Marangoni对流条件下的凝固显微组织演化过程，并研究熔池凝固微观组织的柱状晶/等轴晶转变（columnar to equiaxed transition，CET）的机理，以期为实现对激光增材制造过程组织和性能的精确控制奠定基础。

本项目主要研究激光增材制造过程中的熔池热对流及凝固微观组织演化规律。.其中激光增材制造过程中的熔池热对流涉及了多物理场的相互作用，包括激光与粉末相互作用，传热，表面张力，马朗戈尼力，蒸发对熔体表面的反冲压力，熔池凝固过程等等。建立上述过程的多物理场数值模型是揭示激光增材制造工艺参数与最终成形质量（尺寸精度-控形和微观组织-控性）的重要方法。本项目采用高度函数法（Height function, HF）结合格子玻尔兹曼法(Lattice Boltzmann method, LBM)，建立了激光增材制造过程中熔池热对流的HF-LBM数值模型。其中，HF法精确求解熔池自由表面的曲率和法向量，使LBM模型获得熔池所受到的表面张力、马朗格尼作用力及反冲压力。采用该数值模型研究了不同扫描速率和粉末铺排密度对成形后熔道形貌的影响，揭示了激光增材制造中熔道失稳的原因以及后续形成未熔合缺陷的机制。.在激光增材制造熔池凝固微观组织方面，研究了Ni-Sn共晶合金在熔池中的生长规律，发现熔池底部为粗大的球状反常共晶组织(Globular anomalous eutectic)，而熔池中上部为细小的层片共晶组织(Lamellar eutectic)。本项目采用低网格各向异性共晶生长元胞自动机(Cellular Automaton, CA)模型，首次对Ni-Sn共晶合金的非规则反常共晶组织向层片共晶转变过程(Globular to lamellar transition, GLT)进行了模拟，发现冷却速率的快速跃迁是反常共晶GLT的重要原因。该成果被Progress in Materials Science（Gránásy et al.）引用，并认为其相场模型的模拟结果符合本项目CA模型所揭示的反常共晶生长机制。