上海交通大学材料学院特种材料研究所增材制造团队提出预测金属材料可打印性的理论模型

| 3DScienceValley · 2022/07/20

金属增材制造技术(3D打印）是第四次工业革命中最有前途的数字化技术之一，但是由于固有的快速加热和冷却过程，其中冷却速度可达105-106k/s，零件凝固组织与传统工艺组织显著不同，通常会出现较大的柱状晶和周期性裂纹。研究表明纳米颗粒可以有效地改善上述状况。当前，学术界对纳米颗粒增强金属基复合材料的研究主要集中在显微组织和力学性能方面。熔池作为增材制造的基本单元，开展纳米颗粒的引入对熔池特征、流体流动以及可打印性影响的研究，对于提升增材制造结构性能具有重要意义。

据此，来自上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟讲席教授团队的研究人员建立了热-力-流耦合模型，将数值模拟技术与单道熔池表征实验相结合，量化了纳米颗粒的引入对熔池特征和可打印性的影响，提供了一个理论框架来预测和有效地筛选具有良好可打印性的金属材料。相关研究成果以题目为：“A comprehensive model to quantify the effects of additional nano-particles on the printability in laser powder bed fusion of aluminum alloy and composite”的论文在材料加工领域高水平期刊Additive Manufacturing上发表，博士生郭利萍为第一作者，王洪泽副教授和吴一副研究员为共同通讯作者。

A comprehensive model to quantify the effects of additional nano-particles on the printability in laser powder bed fusion of aluminum alloy and composite，
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103011

不同纳米颗粒增强铝合金的可打印性

论文主要使用Flow 3d流体仿真软件对激光粉末床熔融的单道成形过程进行模拟，基于Volume of fluid方法对粉末演变和流体流动进行可视化分析，研究了纳米粒子的引入对熔池动力学、熔池特征、G-R凝固图谱的影响，探究了不同热物性对熔池特征的影响程度，最后通过引入可打印性因子F，讨论了不同纳米颗粒增强AlSi10Mg的可打印性（图1）。

本文的图形摘要

图2. 6wt% TiB2对AlSi10Mg熔池演变和流体流动的影响

首先是TiB2对熔池动力学的影响。在相同工艺参数组合下（300W, 1400mm/s）对AlSi10Mg和6wt% TiB2/AlSi10Mg进行了对比研究（图2）。结果表明TiB2/AlSi10Mg熔池中出现了明显的凹区，说明复合材料熔池内存在明显蒸发现象。复合材料熔池中存在两个主要的流体流动方向：沿着凹区前臂的向下流动①以及向后上方的流动②。与合金相比，这种向下的流动将导致更大的熔池深度。熔池顶部和底部的温度和冷却速度曲线表明（图3），复合材料的熔池温度更高，这是因为TiB2的引入会提高材料的激光吸收率；在快速冷却阶段，其冷却速度大于合金冷却速度，基于公式：可以推断，与合金相比，复合材料的冷却速度更有利于细晶粒的形成。基于Hunt模型获得的G-R凝固图谱表明（图4），合金熔池中等轴区、混合区和柱状区的比例分别为0，80.95%和19.05%，而复材熔池中的相应比例为14.29%，76.19%以及9.52%，说明TiB2可以促进柱状晶向等轴晶转变。单道实验EBSD图谱证实了TiB2可以细化晶粒以及促进柱状晶向等轴晶转变（图5）。对不同含量TiB2对熔池特征影响的研究表明（图6），随着TiB含量的增加，熔池长度和深度也逐渐增大，当含量为12%时，熔池中出现了明显的匙孔现象。

图3. 6wt% TiB2对AlSi10Mg熔池温度和冷却速度的影响

图4. AlSi10Mg和6wt% TiB2/AlSi10Mg的凝固图谱

图5. AlSi10Mg和6wt% TiB2/AlSi10Mg单道实验EBSD图谱

图6. 不同含量TiB2对熔池特征的影响

热物性参数对激光粉末床熔融过程的粉末演变、流体流动和最终成形质量非常重要。为了探究哪个参数影响最大，采用控制变量法，通过把合金的热物性逐一替换为复材的热物性，每一个模型只改变一种热物性参数，最后提取熔池的温度和深度，并与合金和复材相应的特征参数进行对比。用DTa和DTc分别表示改性模型与合金和复材的偏差。DTa越大DTc越小，表明当前热物性对熔池特征影响越大，用衡量影响程度。研究表明热导对于铝合金增材制造过程影响最大（图7）。

图7. 不同热物性对AlSi10Mg熔池特征影响程度

纳米粒子可以改善材料的可打印性，在此研究中，基于熔池热历史和G-R图谱，通过引入可打印性因子F，将微观组织与可打印性相关联，讨论了不同纳米颗粒增强AlSi10Mg的可打印性（图8）。横轴的F为1，纵轴的F为0，柱状区与混合区的边界F为0.3，等轴区与混合区的边界F为0.8。结果表明，可打印性顺序为TiB2/AlSi10Mg>TiC/AlSi10Mg > SiC/AlSi10Mg >AlSi10Mg。

图8. 合金和复材的可打印性评估