激光粉末床熔融镁合金的多物理场建模：从熔池动力学到微观结构演化的桥梁

推荐：针对激光粉末床熔融(LPBF)镁合金工艺参数优化难题，研究人员通过多尺度模拟框架（集成DEM、FVM-VOF和PFM）揭示了熔池热力学行为与枝晶生长的关联机制，阐明了激光功率(P)和扫描速度(V)对温度梯度(G)、凝固速率(R)及微观组织的调控规律，为生物可降解镁合金植入体的定制化制备提供理论指导。

　　

镁合金因其优异的生物相容性和骨匹配力学性能，已成为生物可降解植入材料的明星选手。然而在激光粉末床熔融(LPBF)这种革命性增材制造技术中，镁的高挥发性和反应活性却成了"阿喀琉斯之踵"——激光辐照下易产生气孔、熔池不稳定等缺陷，而传统试错法又难以捕捉参数-组织的微妙关系。更棘手的是，工艺参数(P,V)与镁合金凝固组织的关联机制至今仍是未解之谜。

江西理工大学机电工程学院的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表的研究中，构建了一个惊艳的多物理场"数字实验室"：先用离散元法(DEM)搭建三维粉末床，再用有限体积法(FVM)耦合流体体积法(VOF)模拟熔池流动，最后通过相场法(PFM)解码枝晶生长密码。这套"组合拳"首次实现了从粉末熔化到枝晶演化的全链条仿真。

关键技术包括：1) 基于Hertz-Mindlin模型的DEM粉末床构建；2) 集成Marangoni对流和反冲压力的FVM-VOF熔池模拟；3) 提取温度梯度(G)和凝固速率(R)作为PFM边界条件；4) 通过EBSD验证枝晶形貌。实验采用BLTS210E型LPBF设备制备样品，参数范围为P=60-120 W，V=0.6-1.2 m/s。

熔池特性

模拟显示熔池呈不对称半椭圆形，前沿温度梯度(2.52×10⁷ K/m)是尾部的2.5倍。当P从60 W增至120 W时，熔池长度由102 μm膨胀到174 μm，而V提高则使峰值温度从1209.8 K骤降至946.5 K。有趣的是，80 W/0.8 m/s参数下熔池表面会形成Marangoni对流驱动的"驼峰"。

单道成形规律

低功率(60 W)导致"断线"式不连续熔道，而120 W则引发过熔和球化。扫描速度的"跷跷板效应"更明显：0.6 m/s时熔道宽而平，1.2 m/s时则变窄变糙，就像调快焊枪速度留下的"蚯蚓痕"。

微观结构演化

枝晶生长上演了四幕大戏：线性生长阶段溶质在固液界面(S/L)富集；失稳阶段出现二次枝晶臂；竞争生长阶段上演"适者生存"；稳定阶段形成间距84.5 μm的柱状晶。EBSD检测显示实际枝晶间距(67.53 μm)比模拟小，这源于模拟未考虑凝固潜热。

参数调控魔法

激光功率如同"放大镜"：120 W时枝晶臂间距(18 μm)比60 W时(13.9 μm)粗壮29%。扫描速度则像"快进键"：1.2 m/s下的冷却速率是0.6 m/s的2.8倍，使枝晶更细密。最妙的是溶质分布——高速扫描时溶质被"冻结"在枝晶间，形成周期性的"峰谷"浓度振荡。

这项研究构建了首个LPBF镁合金"工艺-组织"定量关系图谱，破解了参数优化依赖经验的困局。特别是揭示的G/R与枝晶形貌的映射规律，为定制生物可降解镁植入体的梯度组织提供了数字化设计工具。未来通过引入机器学习，这套多尺度模型有望成为镁合金增材制造的"数字孪生"大脑。