上海大学任忠鸣教授顶刊丨多物理场模拟与实验揭示镍基高温合金激光粉末床熔融过程的开裂机理
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860426001909
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背景
激光粉末床熔融（LPBF）技术为航空航天发动机热端部件的制造提供了全新路径，但难焊镍基高温合金在打印过程中的严重开裂问题长期制约其工程应用。固态裂纹涉及工艺参数、温度场、应力分布、晶粒形态与取向以及合金成分之间的复杂耦合，其形成与扩展机制一直缺乏清晰揭示，缺乏直接模拟裂纹萌生与扩展的多物理场全耦合模型。
针对这一挑战，开发了一套跨尺度多物理场模拟框架。该框架整合了宏观热积累模拟、熔池尺度热场仿真、元胞自动机（CA）微观组织演化、晶体塑性有限元（CPFEM）与内聚力裂纹模型（CZM），首次在增材制造中实现了热场→微观组织→晶体塑性→裂纹扩展的全链路直接模拟。
图1 多物理场模拟框架
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多物理场模拟框架
在这项工作中，（1）首先进行了宏观尺度的模拟，以模拟真实多层打印下的热累积效应；（2）然后将产生的热积累作为预定义场引入熔池模拟中；（3）将熔池温度场转移到CA模型中进行微观结构演化模拟；（4）计算出的微观结构用于 CPFEM-CZM 建模；（5）将温度场数据耦合起来，模拟在打印过程中固态裂纹扩展。
对不同工艺参数进行了仿真，研究不同条件下的温度分布、微观结构演化、应力和裂纹特征。多物理场框架在中国神威·太湖之光超级计算机上部署和计算，完整的计算流程如图2所示。
图2 通过实验验证多物理场模拟揭示激光增材制造高温合金固态开裂机理
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讨论
团队完整捕捉了固态裂纹的萌生与扩展过程。在激光照射阶段，热影响区受到压缩热应力，裂纹被有效抑制；冷却至约200°C时，拉伸残余应力开始形成，峰值达470 MPa，驱动裂纹沿晶界萌生。随着进一步冷却，裂纹持续形核与扩展，而裂纹的形成又部分释放了局部应力。至冷却后期，最大拉伸应力降至约238 MPa，裂纹停止扩展，应力分布趋于稳定。
图3 同晶粒形态下的裂纹扩展行为：等轴晶结构（a）vs 柱状晶结构（b）
裂纹扩展行为在不同晶粒形态中表现出显著差异，晶粒形态对裂纹路径的主导作用是该研究的一大核心发现。在等轴晶结构中，曲折的晶界有效阻碍裂纹扩展，裂纹扩展被有效终止。而在柱状晶结构中，平直的晶界为裂纹提供了连续扩展通道，最终形成长穿透裂纹。
图4 不同扫描速度下CM247LC合金的裂纹形貌与裂纹密度演化
对裂纹行为与微观结构特征的定量关联分析揭示了更为精确的规律：在三种工艺参数下，平均裂纹长度均约为平均晶界长度的三分之一，且这一比例关系在不同参数下保持稳定。裂纹密度与平均晶粒尺寸、形状因子均呈正相关——更细小的等轴晶意味着更多的晶界面积和更曲折的晶界路径，从而有效阻碍裂纹扩展。这一发现表明：裂纹敏感性主要由微观组织特征主导，而仅凭打印后的残余应力统计不足以全面评估裂纹风险。
图5 裂纹长度与微观结构因子的定量关联分析
基于模拟结果的指导，团队在CM247LC合金上进行了系统的LPBF实验验证。随扫描速度从1800mm/s降至1000mm/s，EBSD表征证实了由柱状晶向等轴晶的微观组织转变，平均晶粒尺寸从29.6μm细化至15.2μm。与组织演变相对应，裂纹密度从1.35mm/mm²骤降至0.05mm/mm²，降幅高达96%。特别值得关注的是，在低扫描速度条件下，固态裂纹被完全消除——表征显示残余微缺陷主要为孤立的凝固微裂纹，其工程危害远低于连续贯穿的固态裂纹，且可通过热等静压（HIP）工艺闭合消除。
图6 不同扫描速度下CM247LC合金的裂纹形貌与裂纹密度演化
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总结
总之，本论文为高温合金的 LPBF 工艺开发了一个全面的多物理场模拟框架，观察到的裂纹扩展行为与模拟非常吻合，进一步证实了所提出框架的可靠性。结论如下：
通常，扫描速度越慢，热量积累就越多。但模拟结果显示：工艺参数、晶粒形态和热场之间具有复杂的非线性关系。仅依靠工艺参数或温度梯度不足以准确预测微观结构演变和裂纹风险。
裂纹萌生是由冷却（200–70°C）期间的拉应力驱动的，峰值为470MPa。随着冷却的继续，拉应力区域扩大，促进裂纹进一步扩展。裂纹形成随后释放应力。最终，最大拉应力降低至238MPa。
裂纹扩展敏感因子主要受微观结构影响，如晶界长度、晶粒尺寸形状等。值得肯定的是裂纹长度平均约为晶界长度的三分之二。特别是在高速扫描下情况下形成柱状晶粒的晶界，为裂纹扩展提供了优先路径。
基于该框架的实验表明，裂纹密度可有效降低约96%。随着扫描速度的降低，显微组织由柱状晶转变为等轴晶，裂纹密度从1.35 mm/mm²骤降至0.05 mm/mm²，残余的微裂纹通过热等静压工艺可消除。
