改善增材制造Al-Fe-Cu-xZr合金的加工性能和晶粒组织：实验和高保真度模拟
时间：2024-09-04 09:26 来源：多尺度力学 作者：admin 阅读：次
文章研究探讨了锆元素对LPBF铝合金的工艺性和微观结构的影响。通过设计并制造不同锆含量的Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金，结合高保真模拟和实验，研究表明锆含量的增加显著改善了铝合金的工艺性，促进了柱状晶粒向等轴晶粒的转变及晶粒细化，从而提高了机械性能。研究还讨论了锆微量合金化对铝合金工艺性和微观结构转变的机制。下面将介绍文章高保真模拟方面的内容。
研究者通过高保真粉末尺度计算模型模拟了单轨激光熔化过程。该模型结合了离散元方法（DEM）和计算流体力学（CFD），其中DEM用于粉末铺展过程，CFD则处理熔池的动态变化，包括金属相和气体相的演变。模型涉及到的质量、动量和能量守恒方程为：
动量方程考虑到熔池节目所受到的表面张力：
马兰戈尼力：
蒸汽反冲压力：
高保真模拟过程中的部分物理参数设置如下：
固相导热率：
其中：
液相导热率：
液相密度：
液相比热容：
其中A、B是常数，Cm是摩尔比热容，M是金属摩尔质量。热物性参数设置值通过实验标定，图1显示的是不同Zr含量的铝合金在固态(左)和液态(右)下的热导率随温度的变化。CFD仿真计算的几何模型由DEM模拟得到，模型见图2。
图 1 四种不同Zr含量的铝合金在固态(左)和液态(右)下的热导率随温度的变化。
图 2 激光粉末床熔合过程的物理模型
图3显示高保真计算过程中的熔池示意图。工作计算量温度梯度和熔池凝固速度，笛卡尔坐标系下的温度梯度：
不同方向温度梯度(x,y,z):
最终温度梯度：
熔池凝固速度：
图3 熔池示意图
模拟结果有：图4，单个熔池内的熔体速度梯度；
图4 模拟的单个熔池内的熔体速度梯度( MVG )分布。( a ) - ( b ) Zr0 . 3合金；( c ) - ( D ) Zr0.6合金；( e ) - ( f ) Zr0.8合金和( g ) - ( h ) Zr1.3合金
图5，模拟匙孔形状及对应熔池表面马兰戈尼强度的演变：
图5 模拟匙孔形状及对应熔池表面马兰戈尼强度的演变。( a ) Zr0.3合金，( b ) Zr0.6合金，( c ) Zr0.8合金，( d ) Zr1.3合金。
图6，温度场信息模拟。
图6 LPBF Al - 1Fe - 0.6 Cu -
xZr合金的单熔池热场分布。单道模拟温度场侧视图，( a ) Zr0.6和( b ) Zr0.8，( c )温度梯度( G )，( d
)凝固速度( R )，( e ) G / R和( f ) G * R从单个熔池底部向顶部模拟的变化。
相关研究成果以“Improving the processability and grain structures of
additively manufactured Al-Fe-Cu-xZr alloy: Experiment and high-fidelity
simulation”为题发表在Additive Manufacturing 84(2024)104074上，论文第一作者为Jing-Yu
Xu、Wei-Hao Yuan，通讯作者为Cheng Zhang、Hui Chen、 Lin Liu。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104074
(责任编辑：admin)
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