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北理工廉艳平教授课题组:线材增材制造过程中晶粒成核-生长-粗化的扩展元胞自动机有限体积方法(转载)

一、研究背景

在各种金属AM工艺中,金属增材制造工艺由于其克服尺寸和重量限制的潜力,在重工业中受到了越来越多的关注。然而,这一过程通常会导致热影响区(HAZ)的微观结构异质性增加和显著的晶粒粗化,因此需要适当的解决方案;另外,Ti6Al4V合金是各种工业应用中必需的高端材料之一,非常适用于金属AM。它是一种𝛼+𝛽钛合金,以其优异的高强度、低密度、高断裂韧性、优异的耐腐蚀性和优越的生物相容性等性能而闻名,这些特性使其对航空航天、生物医学和电力/能源应用具有吸引力。与传统的制造方法相比,AM具有显著的优势。然而,在解决颗粒结构的数值方法上缺乏足够的发展 。

基于上述问题,北理工廉艳平教授及其团队在增材制造技术领域TOP期刊Additive Manufacturing(IF:11)发表了题为“An extended cellular automaton finite volume method for grain nucleation–growth–coarsening during the wire-based additive manufacturing process”的研究成果,提出了一种扩展的元胞自动机有限体积方法(xCAFVM)来解决上述问题,用于预测在线材增材制造过程中Ti6Al4V的熔池流动和晶粒结构演化,该方法的主要特点是CA和改进的MC模型之间的双向耦合方案,采用提出的多时间步长方案同步。这使得该方法有效地结合了CA模型和MC模型在金属增材制造过程中预测糊状区晶粒成核和生长以及HAZ粗化方面的优势。

二、论文图片

图1. 说明xCAFVM:(a)FVM热流流场和xCA方法颗粒成核生长糊状区和颗粒粗化,(b)细胞属于不同区域和细胞变量更新顺序,或者使用CA和改进MC模型完全耦合xCA方法。

图2. 金属AM过程中热流体流动问题的模型建立。

图3. 案例BO-2.13 MJ/m的仿真结果和实验数据的比较。

图4. (a) BO-0.23MJ/m的𝑌𝑍横截面的温度和速度场,𝑌𝑍横截面的(b) BW-0.23MJ/m,三维视图的(c) BO-0.23MJ/m和三维视图的(d) BW-0.23MJ/m的温度和速度场,其中𝐶𝑅为𝑇𝑠和𝑇𝛽之间的平均冷却速率。箭头的方向表示流速的方向,而箭头的颜色表示流速的大小。(c)和(d)中的虚线框分别表示(a)和(b)的横截面的位置。

图5. 模拟了(a) 4细胞和(b) 64细胞在横截面上的初始粒度尺寸,其中白色虚线勾画出FZ和HAZ。仿真结果显示为逆极点图(IPF)着色,建筑方向(𝑍)用于表示IPF。(c)HAZ在纵向横截面上的空间分布;FZ中柱状晶粒在不同高度的(d)平均尺寸,即在基底表面以上0和0.5 mm。

图6. 模拟结果和实验数据的比较:将(a) BW-0.23 MJ/m和(b) BO-0.23 MJ/m平分域的横截面上的晶粒结构,其中白色虚线和红色实线分别勾勒出FZ和HAZ。(c)在分割区域的纵向横截面上的粒度分布。(d)在FZ中的平均粒宽。

图7. (a) HAZ下部(b) HAZ上部(BW-0.23 MJ/m)的晶粒结构。

图8.  距离融合线不同距离的探测点温度分布曲线(𝑋𝑍纵切分区域)

图9. FZ内晶粒:(a)晶粒尺寸分布;(b)平均长径比分布。

图10. 在BO-0.23 MJ/m的激光熔化时,熔体池周围的颗粒结构演变:(a) 3D视图和(b)横截面视图,其位置如(a).中的白色虚线框所示。

图11. 模拟BO-0.23MJ/m(左)和BW-0.23MJ/m(右)的颗粒结构,从(a、b)平分区域的纵向截面和(c,d)顶视图(未显示未融化区),其中白色虚线表示预测的融合线和HAZ。

图12.(100)在(a)未受影响区、(b) HAZ和(c) FZ的BO-0.23 MJ/m的极点数。极点图是使用ATEX软件计算的。

三、关键结论

在本文中,学者提出了一种扩展的元胞自动机有限体积方法,用于研究Ti6Al4V的金属AM过程中晶粒结构的演化,特别是𝛽晶粒粗化现象。该方法将热流体流动的有限体积方法与颗粒结构演化预测的扩展CA方法相结合,采用单向耦合方案。通过在扩展的CA方法中应用双向耦合方案,将热影响区晶粒生长的元胞自动机模型与晶粒粗化的改进蒙特卡罗模型相结合,而改进的MC模型考虑了晶粒取向偏差和温度相关的晶粒生长速率,实现了晶粒取向变化概率的确定。通过引入多步时间集成来同步CA和改进的MC模型,该方法有效地预测了金属AM过程中晶粒结构的演化,平衡了计算成本和物理学的必要性。验证该方法的准确性时,重现了4个实验案例,包括裸金属底座上的单轨外壳和无丝原料的裸金属底座上的单轨外壳。模拟结果与实验数据吻合较好,特别是再现了HAZ中的𝛽晶粒显著粗化的现象。此外,研究还指出:晶粒粗化对后续层的晶粒结构有重要影响,强调了在Ti6Al4V合金线AM过程中考虑颗粒粗化的重要性,且该方法有助于深入理解金属AM过程与微观结构和性能之间的关系,同时可以优化工艺参数以实现预期的机械性能

四、通讯作者

廉艳平,太阳集团tyc5997,长聘教授/博导,国家级青年人才,国家基础加强重点项目首席科学家。现担任中国力学学会固体力学专业委员会委员、数据驱动的计算力学方法专业组成员,《力学学报》、《计算力学学报》等期刊编委。主要从事计算力学理论与算法研究,包括冲击侵彻、金属增材制造、先进材料与结构设计分析等问题的数值模拟理论与算法,数据驱动计算力学新方法等。主持多项国家级科研项目,曾获北京市自然科学奖二等奖(2/6)、国际增材制造数值模拟挑战赛一等奖(1/6)、中国科学期刊2022年度优秀论文奖、中国大学出版社优秀学术著作奖、清华大学优秀博士学位论文、美国西北大学 Travel Award等荣誉。主要从事极端多场计算力学理论与算法研究,包括增材制造、冲击侵彻、先进材料与结构设计分析等问题的算法以及数据驱动计算力学新方法。

在CMAME, Comput. Mech.,  J. Comput. Phys., IJIE 等国内外计算力学主流期刊发表学术论文50余篇,出版学术专著《物质点法》,合作参编国际学术丛书著作2部,软件著作权11项,申请发明专利4项。

五、论文引用

Feiyu Xiong, Yanping Lian, Ming-Jian Li, Jiaqi Ouyang, Yufan Liu. Additive Manufacturing: An extended cellular automaton finite volume method for grain nucleation–growth–coarsening during the wire-based additive manufacturing process, 2023.103782:2214-8604.

DOI链接: https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103782