增材制造快速凝固相場模擬研究進展*

邱 義，王俊升,2

（1. 北京理工大學材料學院，北京 100081；2. 北京理工大學前沿交叉科學研究院，北京 100081）

增材制造是一種近凈成形熱加工方法。相對于傳統減材制造方法，增材制造節約材料用量，不需要模具，可實現快速設計與加工，能夠滿足個性化需求，適用于復雜結構件，被譽為未來制造方法[1–2]，目前廣泛應用于航空航天、國防軍工、醫療器械等領域[3–4]。金屬增材制造根據材料送給方式可分為兩種：（1） 預置粉末床，通過激光或等離子弧作為集中熱源選區熔化技術；（2）同步送粉/絲金屬熔融沉積或電弧增材制造技術[5–6]。如圖1 所示，在金屬基板上，同步送粉/絲或粉末床，當集中熱源按3D 模型路徑掃描之后，形成熔池，凝固后獲得所需金屬零件[2,7]。

然而，由于增材制造是借助于激光或者電弧對一個點快速熔化與凝固，其冷卻速率在103K/s 以上，不可避免產生熱應力；同時，無論是粉體還是絲材的熔化與凝固都會伴隨著氣孔產生，研究表明鋁合金增材制造氣孔率高達5%以上；此外，由于熔池非平衡凝固過程熱量分布不均勻，溶質分布不均勻造成偏析，降低零部件性能[8–10]。增材制造熔化和凝固過程不僅涉及溶質擴散、熱擴散、流運等物理過程，而且相變界面動力學過程還存在界面能與界面曲率的吉布–斯湯姆遜效應（Gibbs–Thomson effect）[11–12]。

圖1 兩種增材制造示意圖Fig.1 Schematic diagram of two main ways of metal additive manufacturing

相場法是一種介觀尺度模擬方法，其理論基礎是Landau 提出的朗道連續相變理論[13]，它提供了一種可通過模擬來更好地理解相變機理的途徑。……