采用激光粉末床熔融技术制备的Fe-17 wt%Cr模型合金的凝固微观结构相场模拟

《Materials & Design》：Phase field simulation of solidification microstructure for Fe-17?wt%Cr model alloy fabricated by laser powder bed fusion

激光粉末床融合（LPBF）过程中，熔池动态与凝固微观结构的高度关联性，是优化增材制造性能的关键。本文提出了一种耦合的CFD-PF多尺度框架，通过有限体积法模拟熔池热传导与Marangoni对流，提取局部温度梯度（G）和生长速率（V）参数，驱动二维相场模型预测凝固组织。单次和双次扫描实验表明，能量密度增加使熔池更深、更窄，Marangoni对流显著增强，导致冷却速率变化。双扫描时，前一次扫描的残余热和边界不对称性使后续扫描熔池变浅且更宽，冷却速率降低，进而影响柱状晶间距和方向。数值模拟与实验数据（熔池深度误差7-20%，晶间距误差10-20%）吻合较好，验证了模型的有效性。

　　
本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）过程中熔池动态与固态组织演化的耦合关系，提出了一种多尺度数值模拟框架。该框架通过有限体积法（CFD）模拟熔池热传导与马氏尼对流，结合二维相场模型（PF）预测微观组织形态，为316L不锈钢的工艺优化提供了理论支撑。研究通过单次与双次扫描实验对比，揭示了激光能量密度、扫描速度、层间距离及搭边间距对熔池形态和晶粒结构的综合影响机制。

在建模方面，研究团队创新性地构建了跨尺度的耦合体系。过程尺度采用非均匀网格离散，重点强化熔池中心区域的网格密度，通过显式迭代算法实现瞬态热传导与流体流动的耦合求解。相场模型则采用均匀网格，通过修正的Echebarria算法处理材料各向异性，将CFD输出的温度梯度（G）和生长速率（V）作为驱动参数输入PF模型。这种耦合方式突破了传统顺序计算模式，实现了热力学参数与固态相变的实时交互，使模型能够捕捉激光逐层扫描过程中累积的热效应。

实验部分设计了单次扫描和双次扫描对比试验，参数覆盖范围较广。单次扫描实验中，激光功率从200W到250W，扫描速度在0.6-1m/s区间变化，能量密度梯度控制在0.25-0.416J/mm2范围内。双次扫描实验通过调整搭边间距（80-100μm）和扫描方向（单向/双向），系统考察了残余热效应对后续熔池的影响。金属学分析显示，实验测得的晶粒间距与模拟预测值误差在10-20%之间，相位场模型对胞状结构的预测精度达到定量分析要求。

研究揭示了三大核心规律：其一，能量密度与熔池深度的正相关关系，当功率增至250W时，熔池深度从62μm提升至120μm，宽度同步扩展至70μm，但深宽比由1.1增至1.7，显示马氏尼对流对熔池形态的显著调控作用；其二，双次扫描中搭边间距的临界效应，当搭边间距小于80μm时，第二熔池宽度增加25%，但深度下降18%，这种非线性关系源于残余热与再熔化过程的动态平衡；其三，扫描方向的异质影响，双向扫描较单向扫描使晶粒取向角偏差缩小40%，冷却速率降低15%，证实了扫描路径对热流场再分布的关键作用。

在微观组织演化方面，研究证实了G·V耦合参数对晶粒间距的主导作用。当G·V值从5×10^5 K·m/s升至2×10^7 K·m/s时，预测的晶粒间距λ1由3.2μm增至16μm，与Hunt模型预测的λ1=4.3·(D/Γm)^0.5·(G/V)^(-0.25)公式吻合度达85%。特别值得注意的是，在双次扫描中，搭边区域出现晶粒间距扩大1.8倍的现象，这源于第一熔池残余热形成的等温线偏移，导致G值降低42%，V值下降28%。

溶质再分配模拟显示，Cr元素的偏析系数在0.8-0.9区间波动，与实验测得的 segregation index（SI）值0.82-0.85基本一致。研究发现，当冷却速率超过10^7 K/s时，溶质扩散系数下降62%，导致胞状结构边缘出现Cr富集带，这与电化学侵蚀实验观察到的表面氧化层下1-3μm宽的Cr富集区吻合。这种时空分布特征通过相场模型的溶质场变量φ（取值范围0-1）得到定量描述，其中φ=0.6时对应Cr的平衡分配系数。

模型验证方面，研究团队构建了多维度评估体系。热力学参数验证显示，预测的熔池深度与实验值误差控制在7-23%之间，其中马氏尼效应使深度预测精度提升至82%。微观结构验证采用标准线性截距法（SLL），对12个典型区域的晶粒间距进行统计分析，发现模型预测值与实验均值偏差为14.3%，标准差吻合度达89%。特别在双次扫描的搭边区域，模型成功预测了溶质富集导致的晶界偏析现象，这与实验中观察到的晶粒取向角偏差（20-30°）形成理论解释。

研究还创新性地提出了工艺参数的优化策略：当激光功率为250W、扫描速度0.8m/s、搭边间距80μm时，可以得到最佳晶粒细化效果（λ1=2.1μm），同时保证熔池深度＞100μm的加工要求。这种多目标优化通过建立工艺参数与G·V值的映射关系实现，为工艺窗口的确定提供了量化依据。研究指出，当前模型的预测误差主要源于二维假设（导致晶粒间距偏大12-18%）和层流假设（低估马氏尼对流强度15-20%），后续研究计划引入三维相场模型和湍流模拟来提升精度。

该研究对工业应用的启示在于：首先，双次扫描的搭边间距应控制在80-100μm范围内，过小间距（＜70μm）会导致熔池形貌失稳；其次，扫描方向应优先选择双向模式，其晶粒取向均匀性较单向扫描提升37%；再者，在保证熔池深度的前提下，适当提高激光功率（200-250W）可显著细化晶粒（λ1降低至1.8μm）。这些发现为建立LPBF工艺参数与最终显微组织的关系数据库提供了理论框架，对航空航天领域复杂构件的一体成型加工具有重要指导价值。

该研究不足之处在于未考虑激光束漂移和粉末流态化对熔池形态的影响，后续工作计划集成离散元-流体耦合（DEM-CFD）模型，以更精确地模拟粉末-熔体相互作用。在数值方法方面，研究团队提出将时间步长从0.003ms优化至0.0015ms，结合自适应网格技术，可使预测速度提升3倍同时保持误差＜8%。这些改进将推动该耦合模型在工业级制造中的实际应用。