粉末增材制造微结构的非等温相场模拟

作者：杨阳祎玮^*; 易敏; 胥柏香

来源：中南大学学报(自然科学版), 2020, 51(11): 3019-3031.

• 粉末增材制造
• 相场模型
• 微结构
• 选区烧结/熔化
• 温度梯度
• 有限元方法

为了预测粉末增材制造过程中微结构特点及其演化过程,考虑增材制造中局部温度的剧烈变化和极大的温度梯度,改进热-熔体-微结构耦合的非等温相场模型。在该相场模型中,微结构演化由传质、传热、熔体流动、固液相变和晶体生长的耦合动力学所描述。采用有限元方法对该模型进行数值求解,并将其应用于粉末的非等温烧结以及选区烧结(selective sintering,SS)和选区熔化(selective melting,SM)增材制造的模拟。研究结果表明:温度梯度将产生额外的热毛细和热泳传质,以及固/液界面移动和晶界迁移的额外驱动力,进而显著影响微结构演化;该模型可预测高能集中热束功率P和扫描速度v对孔隙率、表面形貌、温度分布、晶粒形状及取向、致密度等微观结构特征的影响规律;当P-0.15v-23>0(SS)和P-0.25v-100>0(SM)时,可获得大于90%的致密度。

• 单位
  机械结构力学及控制国家重点实验室; 南京航空航天大学