採用單元細胞自動機模型對AM製造Al-Cu的析出相進行模擬

江蘇雷射聯盟導讀：在增材製造過程中，顯微組織的演變是相當複雜的，同時對機械性能的影響可謂至關重要。為了預測AM過程中的顯微組織，已經有許多數值模型用來對組織進行模擬。但對於固態的相轉變過程並沒有被考慮進去。在這裡，來自清華的研究學者，發展了一種基於合金元素分配的微孔自動機模型來模擬固態相轉變。在這一模型中，採用了混合的相轉變模型，同時考慮了析出相的生長和分解過程。基於驗證實驗所得的溫度曲線，該模型很好的再現出電子束熔化Al 2024鋁合金凝固過程中的相析出過程。模擬結果同實驗結果相吻合，並詮釋出關鍵形貌特徵產生的原因。溫度分布曲線對析出相的影響也進行了研究，其結果表明：（1）在AM製造過程中粉末床的溫度會導致析出相的分解；（2）當粉末床的溫度比較低的時候，析出相的最終分布和析出相的尺寸會相對比較均勻。

金屬增材製造（AM）通過熔化沉積材料而層層堆積來實現三維實體的製造。該技術具有製造複雜形狀的製品時具有快速製造和直接製造的優點。而且這些製品具有採用傳統工藝不能製造和不易製造的特點。在增材製造技術當中，電子束增材製造是在真空中利用電子束來熔化金屬材料而進行列印的一種AM技術。該技術的一個極大的優勢就是在製造像Al合金這類易於氧化和產生裂紋的合金時可以有效的避免。

圖1 3D-CA 計算程序 的流程圖

對粉末進行預熱是電子束增材製造的一個必須的步驟。這一步驟可以起到抑制冒煙和減少熱應力的作用。另外一方面，如果預熱溫度過高，則可以直接忽略固態相變過程，如對Ni基合金，預熱溫度為1273K的時候；對鈦合金預熱溫度為1073K的時候。Nandawana等人則發現在不同加工溫度下析出相沿晶界邊緣析出。Tan等人和Helmer等人則發現在沉積態時的強化相的尺寸在試樣底部要比較大，而在頂部則較小。他們將這一現象歸因於在高溫時析出相的生長造成的。

圖2 （a）沉積的樣品，立方體的樣品被紅色的矩形所標識出來的在本文中進行了分析研究

圖解：(b) 準備用來分析的樣品的示意圖；(c) AM沉積樣品的截面圖；(d) 測量得到的溫度曲線（紅色）和模擬得到的溫度曲線 III, IV, IV-2 和 IV-3

顯微組織連接著沉積態產品的工藝過程和機械性能。人們一直在嘗試通過計算模擬的辦法來預測金屬增材製造過程中的顯微組織。同時，已經有不同的模型來預測晶粒的生長，如耦合細胞單元自動機 (CAFE) 模型、耦合細胞單元自動機有限元體積法模型 (CAFVM) 、耦合細胞單元自動機波爾茨曼法模型、耦合相場熱波爾茨曼法模型(PF-TLB) 、耦合相場-有限元體積法模型 和 Monte Carlo模型等。

圖3 (a)模擬得到的θ孕育相的分布；（b）在 t = 3500 s時模擬顯微組織的橫截面

然而，很少有研究人員將目光聚焦於模擬AM過程中的固態相變過程。Chen等人則研究過混合CAFE模擬的框架並在固結Ti6Al4V合金時複製出β → α + β轉變的相轉變過程。該工作主要聚焦於熱源移走之後冷卻過程中的固態相變過程，而在AM製造時整個過程中的長時間的固態相變過程卻沒有考慮。有許多研究人員研究了在熱處理過程中的固態相變過程。如鋼中奧氏體 (γ)向鐵素體(α)的轉變。這一過程同合金元素的分配相關，客戶以通過CA模型進行成功地模擬。然而，在以上模型中，對於新相的分解通常給予了忽略。此外，bhattacharya和Shi等人則分別模擬了鋼中奧氏體(γ)向鐵素體(α)的轉變。鈦合金中α'相地析出，並採用相場模擬進行了模擬。然而，在他們的模型當中，模擬所佔比重較少，這是因為相場模擬計算是相當昂貴地。

圖4

圖4 (a) 左圖：在II-3 且 t = 100 s、 1000 s 、3500 s時模擬顯微組織的橫截面 (標尺x = 80 μm)，右圖：相應的模擬的顯微組織中的Cu的濃度分布，析出相在fθ > 0.7時顯示為圖(a)中沿著晶界邊界分布的紅色的簇狀。 (b) 相比例-時間曲線和生長速率-時間曲線；(c) 不同Cu濃度的條件下熱動力驅動力和形狀驅動力

Al 2024鋁合金是一種析出強化型的鋁合金，由於該合金具有密度低、性能卓越的優點而廣泛的應用於航空航天工業中。該合金中的主要的強化相為 θ (Al2Cu) 和 S (Al2CuMg) 相，其尺寸和分布則顯著地影響著最終地機械性能。當採用電子束製造Al 2024鋁合金地時候，對粉末床進行預熱並會維持在較高地溫度，且這一溫度顯著高於傳統熱處理時地溫度。因此，其析出過程就會非常快。獲得的析出相會對增材製造的產品產生顯著的影響。

圖5 (a) 沉積態樣品在頂部區域的顯微組織；

圖解：(b)圖（a）中相應的顯微組織測量得到的Cu的濃度 (EDS)； (c)模擬的顯微組織(c1)的截面 (z = 20 μm)顯微組織 ，基材中 (c2) 的 Cu 濃度和(c3)中總體的Cu濃度分布，時間為 t = 3500 s；(d) 模擬顯微組織 (d1) 的橫截面 (z = 52 μm) , (d2) 基材中Cu的濃度分布， (d3)中的在t = 3500 s總體的Cu濃度分布 ，在圖 (c1), (c2), (d1) 和 (d2)中，紅色的簇狀為沿著晶粒邊界的析出相

在這裡，來自清華大學的學者和新加披的學者聯合發展了一種3D的CA 模型並首次將其應用於研究電子束增材製造Al 2024鋁合金中 θ (Al2Cu) 和 S (Al2CuMg) 相析出的研究。在這個模型當中，析出相的生長和分解均給予了考慮。首先，採用一個簡單的單晶生長模擬過程來進行驗證模型的正確性。緊接著，驗證性實驗來進行驗證。測量得到的溫度曲線輸入提出的模型中來複製析出相的過程。然後，模擬的結果並同實驗結果來進行比較。最後，採用這一模型對溫度曲線對析出相的影響也進行了研究。

圖6 模擬的顯微組織的橫截面和3D結構

圖解: (a1, a2) t = 3500 s, (b1, b2) t = 5500 s, (c1, c2) t = 11, 500 s 和 (d1, d2) t = 19, 716 s (模擬結束的時候); (e) θ相的分數隨時間變化的參數； (f) 樣品中心觀察到的顯微組織； (g) 樣品底部觀察到的顯微組織

圖7 (a) 整個時間段內析出相的比例；

圖解：(b–g) 模擬 IV (b,c), IV-2 (d,e)和 IV-3 (f,g),時的最終顯微組織的橫截面和3D圖

圖8 在模擬 IV-2 且時間為 t = 3000 s時的Cu在基材中的濃度分布，取截面為z = 52 μm

圖解： (b) 在IV-3 且 t = 3000 s時模擬得到的Cu在基材中的濃度分布.

文章來源：Modeling precipitation process of Al-Cu alloy in electron beam selective melting with a 3D cellular automaton model，https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101423，Additive Manufacturing，Volume 36, December 2020, 101423