Abstract

The metallic additive manufacturing process is a multi-scale and multi-physics coupling problem, including complex physics phenomena, i.e., mass and heat transfer, phase transformation, and material microstructure evolution. Therefore, in this work, we thoroughly reviewed the numerical simulation studies on metallic additive manufacturing in two folds, the mass and heat transfer, and material microstructure evolution. In light of the physics phenomena and the length scale of the problems concerned, we summarized the commonly used heat source models, mass and heat transfer numerical models (including powder scale high fidelity thermo-fluid flow coupling model, continuum-based thermo-fluid coupling model, and continuum-based heat conduction model), and the microstructure prediction models (including phase-field model, cellular automaton method, kinetic Monte Carlo method) followed by the discussions on their advantages and applicability. Furthermore, the “process-structure-property” integrated numerical models are reviewed. The numerical simulation challenges for the metallic additive manufacturing are finally presented in addition to the prospect.

Highlights

  • MRT p expWessels等人[36]采用该模型模 拟了激光热束作用下单个金属粉末颗粒融化的过程 (详见参考文献[36]的图13).

  • 进一步, Yan等人[39]将该模型用于 多层多道过程的数值模拟, 研究了层间熔化规律对成 形质量的影响, 指出在搭接区内未熔合易导致孔隙缺 陷, 如图6所示.

  • 计算结果表明, 在给定热输入不变的情况下, 铺粉越厚 则孔隙率越高、成形表面越粗糙; 单道成形表面的波 纹密集程度与温度梯度大小和粉末的平均尺寸呈正相 关, 这是因为温度梯度越大导致Marangoni效应越强, 粉末尺度越大而在表面张力作用下带来的不稳定性越 大, 与实验结果吻合较好(详见参考文献[41]的图10).

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Summary

MRT p exp

Wessels等人[36]采用该模型模 拟了激光热束作用下单个金属粉末颗粒融化的过程 (详见参考文献[36]的图13). 进一步, Yan等人[39]将该模型用于 多层多道过程的数值模拟, 研究了层间熔化规律对成 形质量的影响, 指出在搭接区内未熔合易导致孔隙缺 陷, 如图6所示. 计算结果表明, 在给定热输入不变的情况下, 铺粉越厚 则孔隙率越高、成形表面越粗糙; 单道成形表面的波 纹密集程度与温度梯度大小和粉末的平均尺寸呈正相 关, 这是因为温度梯度越大导致Marangoni效应越强, 粉末尺度越大而在表面张力作用下带来的不稳定性越 大, 与实验结果吻合较好(详见参考文献[41]的图10). 进一步, Khairallah等人[44]基于该高保真多物理 场模型着重研究了纳秒尺度下的材料飞溅现象, 并揭 示了飞溅诱导缺陷形成的机制. 图7 (网络版彩图)基于ALE3D模拟激光粉床熔合工艺316L 不锈钢粉末熔池温度和速度的计算结果, 展示了材料飞溅和 剥蚀现象[43](图片来自文献, 已获得授权). 进一步, Gan等人[50]在该模型中引入基于最小能 量原理的简化气/液界面控制方程来确定熔池表面形 貌, 从而避免引入熔池表面为平面的假设以提高计算 精度. 同时, 图8 (网络版彩图) (a) 基于连续体假设的直接能量沉积工艺热流耦合分析模型; (b) 温度场云图及熔池内的流场图[49](图片来 自文献, 已取得授权). (a) 5个工况的单道扫描计算结果, 其中激光功率固定为540 W, 扫描速度范围为200–400 mm/min; (b) 5个工况的单道扫 描计算结果, 其中激光扫描速度为200 mm/min, 功率范围为340–540 W; (c) 单道8层计算结果, 其中激光功率为390 W, 扫描速 度为200 mm/min (图片来自文献, 已取得授权). (a) 扫描第37层时温度分布云图; (b) 38层沉积完成后 残余应力分量σxx云图; (c) 工件的最终变形情况(变形放大为5倍)[60](图片来自文献, 已取得授权). 计算结果表明, (1) 预 测的一次枝晶间距的范围为1–4 μm, 与实验测量值范 围1–3 μm吻合较好, 如图13所示; (2) 扫描速度对枝晶 的晶向分布和二次枝晶生长有着显著的影响, 如图14 所示; (3) 扫描速度越大, 枝晶晶向越倾向于激光移动 方向且二次枝晶生长越充分. 除了模拟枝晶形貌, 也有其他学者将PF模型进行 简化以在介观尺度上模拟微观组织的演化过程. 例如, Liu等人[78]采用二维PF模型预测了SEBM工艺 Ti-6Al-4V合金的多层扫描工况下材料凝固初生相, 其 中忽略了溶质扩散方程以减少计算量. 针对单道多层 工况, Liu等人[78]获得的微观组织如图15所示. 预测结 果重现了实验中观察到的横截面典型微观组织特征: 熔池两侧向内倾斜且呈现竞争生长的柱状晶、位于熔 池中心且其与中心轴平行的柱状晶、熔池边缘 的细小等轴晶等. 但是, 考虑到金属增材制造熔池内温 度分布不均匀, 基于二维模型预测的微观组织有一定 的局限性, 无法反映整个熔池内的微观组织演化过程 及其空间分布特性

CA法及其应用 CA方法是应用较为广泛的材料微观组织介观尺
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