金屬增材制造中的關鍵力學問題與前沿計算技術主題序

廉艷平 劉謀斌

* (北京理工大學先進結構技術研究院,北京 100081)

? (北京大學工學院,北京 100871)

增材制造（亦稱“3D 打印”）是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體構件的新興制造技術，涉及力學、光學、材料、機械、控制、計算機、軟件等學科的交叉融合,已成為現代制造業最具代表性的顛覆性技術，也是《中國制造2025》規劃的重要發展方向。金屬增材制造是3D 打印技術的一個主要分支，一般常采用高能束（激光、電子束等）作為輸入熱源，通過熔化離散金屬材料（粉材、絲材）進行逐層疊加打印制件，從而彌補傳統減材和等材制造的不足，已在航空航天、汽車電子及生物醫學等眾多領域取得了典型應用。然而，從結構設計、制造過程到性能評價，金屬增材制造涉及眾多的關鍵力學問題亟待解決。例如，由于金屬粉材或絲材的離散效應，如果工藝參數選擇不當，金屬3D 打印產品易出現內部缺陷和表面缺陷，從而影響打印構件的宏觀力學性能及服役可靠性。

由于材料參數和工藝參數眾多,模擬與仿真可以縮短產品研發周期,預測及修正產品瑕疵,提升產能,降低生產成本,是增材制造的核心技術.但金屬增材制造是一個高溫下金屬材料傳熱、相變、熔池流動及快速凝固的復雜冶金工藝過程,涉及多尺度多介質強耦合,對模擬與仿真是一個巨大的挑戰.發展可靠的數值計算技術,對金屬增材制造進行過程模擬、缺陷分析、性能預測與工藝優化,從而進一步建立工藝參數—缺陷特征—力學性能的內在關聯,具有重要的科學意義和工程應用價值.

在此背景下,《力學學報》組織了“金屬增材制造中的關鍵力學問題與前沿計算技術”專題,包括1 篇綜述和7 篇研究論文,旨在展現我國力學學者在該領域的部分最新研究成果,以促進學術交流,供相關學者和技術人員參考.

按照材料送給方式的不同，金屬增材制造可分為粉床熔合技術和直接能量沉積技術,如激光選區熔合技術、電子束選區熔合技術和激光同軸送粉直接能量沉積技術等.針對該三種典型金屬增材制造技術,清華大學的陳澤坤等綜述了其在傳統合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的應用,歸納了常見內部缺陷的形成機理和控制方法,闡述了工藝參數與成形構件組織形貌、材料力學性能的關聯,并對金屬增材制造在可打印合金體系的擴充、缺陷與殘余應力對材料性能影響的量化標準、組織形貌的預測方法等方面所面臨的挑戰和亟待深入開展的研究方向進行了分析與展望.

在粉床熔合技術中,連續、均勻、致密的粉床是確保打印成功的關鍵前提之一.因此,探究粉床鋪設質量的影響因素以優化粉末鋪設工藝參數,是金屬增材制造前沿計算技術的一個重要研究方向.針對該問題,本專題組織了2 篇研究論文.南昌航空大學的孫遠遠等人采用離散元法研究了不同成形區粗糙表面形貌和鋪粉工藝參數對粉層鋪設質量的影響,分析了粉末在成形區粗糙表面的動力學行為和沉積機制,揭示了顆粒迸濺、空斑缺陷的形成機理.進一步,新加坡國立大學蘇州研究院的陳輝和閆文韜發展了離散元法與計算流體力學的雙向動態耦合模型,研究了粉體粘結效應、壁面效應和滲流效應對粉床鋪設質量的影響,揭示了粉床熔化過程中的粉末飛濺和剝蝕現象,為激光選區增材制造技術中粉末顆粒的熱/動力學行為的模擬分析提供了一種數值計算方法.

目前,粉末尺度的高保真數值模擬是研究基于粉材的金屬3D 打印缺陷形成機理和熔覆層形貌的主要研究手段.與粉床熔合技術的先鋪粉后加熱熔化凝固過程不同,同軸送粉直接能量沉積技術涉及復雜的噴口、顆粒、環境氣體、熔體、凝固體之間相互作用,給高保真數值模擬帶來了更大的挑戰.針對此類問題,本專題組織了2 篇研究論文.北京大學的王澤坤與劉謀斌發展了半解析計算流體力學、流體體積法、離散元(CFD-VOF-DEM)耦合算法,通過在作者前期發展的半解析CFD-DEM 計算框架下引入VOF 以描述自由液面和相變界面,分析了粉末顆粒之間的碰撞、空中加熱粘結熔化、熔合以及熔池熔道形成等物理現象,實現了真實物理環境下激光同軸送粉直接能量沉積技術的數值模擬.與前述工作不同,北京理工大學的黃辰陽等人采用拉格朗日質點法模擬求解粉末輸送及空中非均勻加熱的過程,進一步耦合FVM 和VOF 求解粉末與熔池的交互作用及其流動凝固過程,發展了激光、粉末、熔池交互作用的高保真多物理場模型,實現了激光同軸送粉直接能量沉積TC17 合金單道掃描過程的高效模擬,揭示了粉末落入熔池前溫度分布和粉末/基板能量分配比例對熔池流場和熔覆層形貌的影響機理.

材料的宏觀力學性能與其微觀組織密切相關.為了實現金屬增材制造成形材料微觀組織和力學性能的調控,亟需深入研究熔池內部復雜的動態凝固行為和微觀組織演變規律,為此,本專題組織了2 篇研究論文.湖南大學的肖文甲等針對激光同軸送粉直接能量沉積技術,構建了宏觀傳熱傳質與非等溫多相場耦合的單向耦合多尺度算法及其MPI 并行算法,研究了IN718 合金凝固過程中的平面晶生長、失穩轉變為枝晶及其競爭生長的過程,揭示了與溫度梯度相關的晶粒彎曲生長現象,為金屬增材制造材料凝固微觀組織的預測和調控提供了一種多尺度數值計算方法.南京航空航天大學的易敏等人針對激光選區熔合技術,提出了集成離散元法、非等溫相場模型、晶體塑性有限元法(CPFEM)的順序耦合計算框架,實現了粉床鋪設、多晶微結構演化和力學性能計算.其中,采用非等溫相場模型考慮了熱傳導、熔池流體動力學和微結構演化三者之間的耦合以模擬熔體、氣孔和多晶微結構,應用CPFEM 預測多晶微結構的宏觀力學相應,進一步采用極值概率理論分析成形材料的疲勞分散性,研究了激光掃描速度對微結構演化、屈服應力和疲勞分散性的影響,為工藝參數、微結構、力學性能關聯規律研究提供了一種數值計算方法.

金屬增材制造成形材料與構件的疲勞性能是其作為航空、核工業等領域內主承力結構的一個關鍵性能,亟需相應的預測評價方法.為此,本專題組織了1 篇以增材制造成形材料高周疲勞性能分析為主題的研究論文.西北工業大學的朱繼宏等人將晶體塑性學、彈塑性內聚力模型以及分別針對于晶粒和晶界的疲勞準則相結合,發展了增材制造316 不銹鋼材料高周疲勞性能分析的微觀力學模型.其中,分別采用晶體塑性學和彈塑性內聚力模型模擬晶粒和晶界的力學行為,針對晶粒和晶界分別采用Papadopoulos 疲勞準則和一種基于安定性理論的介觀疲勞準則,同時考慮位錯滑移和晶界對疲勞性能的影響.研究表明,循環載荷下滑移帶與晶界處的裂紋萌生是增材制造316 不銹鋼材料發生高周疲勞的一個主要原因.

目前,金屬增材制造中的關鍵力學問題與前沿計算技術研究是國際學術前沿熱點研究方向,也是增材制造技術實現控形控性、確保零部件打印成功率的關鍵基礎理論和核心支撐技術..由于篇幅所限,本專題未涉及面向增材制造的結構設計、殘余應力與變形的高效模擬、成形材料與構件的缺陷表征與性能評價、成形材料的動態力學性能、基于機器學習的增材制造過程-微觀組織/結構-力學性能高效預測模型等方面,而在這些方面金屬增材制造技術也面臨著諸多挑戰和難題.本專題期望以此為契機,促進該領域關鍵力學問題和數值計算方法的深入系統研究,以支撐金屬增材制造技術和裝備的快速發展,服務于我國從制造大國向制造強國轉變的重大需求.