金屬增材制造（additive manufacturing， AM）在制造幾何形狀復雜的零件以及定制零件的微結構和性能方面具有巨大優勢，使其在各行各業中得以應用。粉末床融合（powder-bed-fusion， PBF）技術是最常用的AM技術之一。理解并預測PBF過程中晶粒演化對通過調整工藝以定制樣件的晶粒結構具有重要的指導意義。

目前，通過數值模擬方法（如元胞自動機法、相場法）可以很好地模擬PBF過程中的部分晶粒演化現象，如晶粒形核和生長、競爭生長、外延生長等。值得注意的是，重復的粉層堆疊會使樣件以打印區陷入循環加熱和冷卻狀態中，使得熱影響區中的晶粒粗化現象成為增材制造過程中不可忽視的現象。然而，現有模型中尚未考慮這一方面的模擬。相場法是模擬微觀結構演化的有效方法之一。采用相場法模擬AM過程中的晶粒演化模擬已有若干報導，但這些研究大部分都局限于二維多層模擬或三維單層單道模擬。

來自新加坡國立大學的閆文韜教授團隊建立了一種三維相場模型（phase-field model， PFM），該模型綜合考慮了粉末床融合過程中各因素對晶粒演化的影響，并采用GPU并行算法加速計算，全面地再現了多層多道PBF過程中各種晶粒演化，如熔池內的晶粒形核和生長（包括競爭生長），熔池邊緣處的晶粒外延生長，熔道/熔層重疊區中的晶粒重熔和重新生長，以及熱影響區的晶粒粗化。

在多層多道的粉末床融合模擬過程中，采用了集成建模思想：先利用離散單元模型模擬鋪粉過程以獲取粉床形貌，然后將粉床形貌導入介觀尺度的熱-流流動模型中，以預測PBF過程中的熔池變化和溫度場變化，最后將溫度場變化信息輸入到相場模型中以模擬相應的晶粒演化。

為實現晶粒演化的全方位模擬，在相場模型中1）耦合了晶粒異質形核模型，以模擬晶粒形核過程；2）考慮了晶界能各向異性和溫度依賴的界面遷移率，以模擬競爭生長和熱影響區的晶粒粗化；3）考慮了基板和粉末顆粒中的晶粒結構，以模擬熔池邊緣處的晶粒外延生長。

在此基礎上，系統地研究了多層多道PBF過程中典型晶粒形貌（如長條晶粒、“Z”型晶粒）的形成機理；分析了90o型旋轉掃描策略對晶粒競爭生長及織構形成的影響；結合溫度梯度和冷卻速率討論了不同熔融道內晶粒形核量的變化。此外，為了展示所建相場模型的潛在應用，初步模擬了納米顆粒增強的金屬基復合材料經選區熔化后的晶粒形貌。該研究所建的相場模型為更準確地預測粉末床融合過程的晶粒形貌提供了一種有效途徑。

該文近期發表于npj Computational Materials 7： 56 （2021）。

Phase-field modeling of grain evolutions in additive manufacturing from nucleation， growth， to coarsening

A three-dimensional phase-field model is developed to simulate grain evolutions during powder-bed-fusion （PBF） additive manufacturing， while the physically-informed temperature profile is implemented from a thermal-fluid flow model. The phase-field model incorporates a nucleation model based on classical nucleation theory， as well as the initial grain structures of powder particles and substrate.

The grain evolutions during the three-layer three-track PBF process are comprehensively reproduced， including grain nucleation and growth in molten pools， epitaxial growth from powder particles， substrate and previous tracks， grain re-melting and re-growth in overlapping zones， and grain coarsening in heat-affected zones.

A validation experiment has been carried out， showing that the simulation results are consistent with the experimental results in the molten pool and grain morphologies. Furthermore， the grain refinement by adding nanoparticles is preliminarily reproduced and compared against the experimental result in literature.

編輯：jq