俄亥俄州立大学《AM》顶刊丨Al-10Si合金激光粉末床熔融过程中微观结构与孔隙形成的建模与验证
激光粉末床熔融(LPBF)技术是金属增材制造的重要方法，在航空航天、汽车制造等领域展现出广阔应用前景。但LPBF成形过程中常出现的微观组织不均匀性和孔隙缺陷严重影响零件的力学性能和服役可靠性。传统模拟模型常仅关注晶粒形态或孔隙形成的单一方面，缺乏对两者物理交互机制的综合描述。本研究旨在开发一种改进的元胞自动机(CA)模型，实现对Al-10Si合金LPBF过程中微观组织演变和氢气孔形成的同步预测，为优化工艺和提高成形质量提供理论依据。俄亥俄州立大学的研究团队采用多尺度耦合建模方法，构建了一种改进的元胞自动机（CA）模型，系统引入非平衡溶质截留和氢气孔成核生长机制。模型充分考虑了LPBF高冷却速率下的硅过饱和现象和非平衡晶粒生长行为，基于Sievert定律建立氢气孔随机成核模型，并实现了晶粒演化与气孔行为之间的耦合模拟。热场输入通过SysWeld软件计算单道熔池的准稳态温度场获得，溶质扩散基于Fick第二定律进行描述。实验验证采用商用Al-10Si-0.3Mg合金粉末，在GE M2 Cusing设备上制备样品，工艺参数为激光功率375W（体素）/350W（轮廓），扫描速度1.0m/s，层厚50μm。通过EBSD分析晶粒尺寸和取向，SEM观察孔隙微观形貌，Micro-CT进行三维孔隙重构，OM进行金相观察。研究结果表明，所建立的CA模型能够准确预测Al-10Si合金LPBF过程中的微观组织演变和孔隙形成特征。模型成功再现了从熔池边缘细小等轴晶向柱状晶过渡，并在中心形成粗大等轴晶的演变趋势，实验中边缘与中心平均晶粒尺寸分别为2.5 μm和7.1 μm，模拟结果为3.2 μm和10.5 μm，两者吻合良好。同时，模型能够区分球形孔隙和晶间孔隙的形成机制和形态特征，其模拟结果与SEM观测结果一致。尽管在极端尺寸孔隙预测方面存在一定差异（主要源于Micro-CT分辨率限制和模型未考虑气孔合并等机制），但整体验证结果表明该模型具有较高的预测精度。为理解LPBF过程中的微观缺陷形成机制提供了有效的计算工具，未来工作将扩展至多层、多光束配置的复杂工业场景模拟，进一步提升模型的工程应用价值。本文以题为“Modeling and validation of microstructure and porosity formation in Al-10Si alloy laser powder bed fusion additive manufacturing process”的论文发表在《Additive Manufacturing》上。 图1.激光粉末床熔融过程中不同深度下晶粒的形貌演变，其中红/绿色代表熔池内形核晶粒，蓝色代表熔池边界外延生长晶粒。 图2.三维模拟的激光粉末床熔融过程中孔隙周围晶粒的形貌演变，其中黑色 区域代表孔隙，彩色 区域（红/绿代表熔池内形核晶粒，蓝色代表熔池边界生长晶粒） 图3.模拟得到的晶间孔隙率与扫描电镜观测所得的晶间孔隙率的对比情况 (a)为模拟结果；(b)为扫描电镜观测结果 图4.模拟得到的球形孔隙率(a)与扫描电镜观测到的球形孔隙率(b)的对比 来源：增材制造硕博联盟
