《Journal of Materials Processing Technology》：Modelling and simulation of solute segregation and eutectic phase precipitation during laser directed energy deposition of precipitation-strengthened Ni-based superalloys
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本文针对激光定向能量沉积制备沉淀强化镍基高温合金过程中不可避免的共晶相（如Laves相）形成及其导致的裂纹问题，通过建立多尺度模型，系统模拟了熔池动力学、枝晶生长、溶质偏析和共晶相析出行为。研究首次定量阐明了激光能量输入和合金成分通过影响枝晶生长和溶质偏析来调控最终共晶相含量的规律，揭示了合金特异性过冷参数对微观结构响应的决定性作用，为通过调控工艺参数或优化合金成分来抑制有害共晶相形成、降低热裂纹敏感性提供了理论依据和预测方法。
在先进制造领域，激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, L-DED）技术以其快速制造、高自动化和复杂构件近净成形等优势，成为制造航空航天、能源等领域关键热端部件（如燃烧室、涡轮盘、叶片）的明星技术。其中，镍基高温合金因其卓越的高温耐腐蚀和抗氧化性能，成为这些部件的首选材料。然而，一个长期存在的难题制约着该技术更广泛的应用：在合金快速凝固过程中，不可避免地会形成共晶相，其中最典型的是Laves相。这些硬脆相的析出不仅会恶化合金的塑性、韧性等力学性能，更严重的是，它们常常成为裂纹的萌生源，直接导致构件开裂失效，极大地增加了制造风险和成本。对于某些合金，如以高Al、Ti含量著称的IN738，其增材制造过程中的裂纹问题尤为突出，几乎到了“谈裂纹色变”的程度。传统锻造合金尚且面临焊接性问题，而增材制造特有的快速凝固和非平衡微观结构特征，使得材料对裂纹更加敏感。因此，深入理解激光定向能量沉积过程中，枝晶如何生长、溶质如何重新分布、以及最终共晶相如何析出这一连串的物理过程，对于从根源上控制微观结构演化、预防裂纹缺陷、优化后续热处理工艺至关重要。
尽管先前已有一些实验研究尝试通过基体冷却、采用脉冲激光等方式来抑制共晶相，但实验手段难以直接观察凝固前沿枝晶演化、溶质再分配等关键动态过程。数值模拟由此成为穿透这一黑箱的强大工具。然而，现有的研究多集中于单一合金（如IN718），缺乏对不同镍基高温合金体系在激光定向能量沉积过程中枝晶生长、溶质偏析及共晶相析出演化规律的对比研究，尤其缺乏定量揭示工艺参数和合金成分通过影响枝晶生长和溶质偏析来调控最终共晶相含量的普适性规律。
为了攻克这一难题，由浙江工业大学激光先进制造研究院的研究团队主导，联合国际合作者，在《Journal of Materials Processing Technology》上发表了题为“Modelling and simulation of solute segregation and eutectic phase precipitation during laser directed energy deposition of precipitation-strengthened Ni-based superalloys”的研究论文。该研究旨在通过多尺度模拟，首次定量阐明在不同能量输入和合金成分（考虑低偏析到高偏析合金）下，激光定向能量沉积技术制备镍基高温合金过程中，熔池动力学、枝晶竞争生长、溶质偏析及共晶相析出的内在关联，为主动调控微观结构、抑制有害相形成、降低热裂纹敏感性提供确定性路径和预测方法。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，构建了一个耦合宏观与微观尺度的多物理场模型。宏观尺度上，采用欧拉两相流模型精确模拟熔池的流体流动、传热传质过程；微观尺度上，采用元胞自动机（Cellular Automaton, CA）模型模拟枝晶演化、溶质偏析和共晶相沉淀。两个模型通过插值算法共享网格和变量（如温度历史），实现了跨尺度数据传递。其次，考虑到多组元镍基高温合金的复杂性，研究将其简化为等效二元系统，将主要γ相形成元素（Ni, Fe, Cr, Co, Mo）视为溶剂，而将主要共晶相构成元素（Al, Ti, Nb）视为等效溶质，从而聚焦于核心物理过程。此外，模型引入了连续形核模型来描述合金的异质形核过程，并设定了统一的形核能力参数以便于不同合金间的对比。研究还通过IN718单道沉积实验，对模型的准确性进行了验证，比较了熔池尺寸、一次枝晶臂间距（Primary Dendrite Arm Spacing, PDAS）和共晶相形貌等关键参数。
4.1. 熔池流动与传热行为
通过宏观尺度欧拉两相模型，研究获得了不同工艺参数下（Case1-Case5，线能量Eline从112.5 J·mm-1到225.0 J·mm-1）熔池的特征。模拟结果显示，所有案例的熔池形态和温度场分布相似，均呈现典型的“勺形” morphology，并受Marangoni力驱动形成双涡流 flow pattern：熔池前部为小的顺时针涡流，后部为大的逆时针涡流。提高线能量输入会显著增加熔池高度和深度，这是由于基底吸收能量增加，促进了更大的熔池和更高的粉末捕获效率。模拟得到的熔池沉积高度和熔池深度与实验结果吻合良好，平均偏差在可接受范围内，验证了宏观模型在预测熔池形貌方面的合理性。
4.2. 微观结构生长行为
微观尺度模拟揭示了熔池内枝晶生长的复杂动态。以Case3（E150）为例，模拟显示，在熔池底部区域，柱状枝晶从基底外延生长，朝向熔池中心；而在熔池顶部区域，则形成了等轴枝晶，这些等轴枝晶源于凝固前沿过冷熔体中的异质形核。溶质场分布清晰地显示出枝晶干处溶质贫乏，而枝晶间区域溶质富集，形成了微观偏析。这些溶质富集区正好对应了后续共晶相（在IN718中主要为Laves相）的析出位置。模拟结果与实验观察高度一致：在熔池底部，Laves相以链状形态分布于柱状枝晶之间；在熔池顶部，则以颗粒状形态弥散分布于等轴枝晶之间。研究进一步追踪了凝固前沿过冷区的演化，发现随着凝固进行，过冷区的范围和过冷度均增大，从而触发了异质形核，导致了柱状枝晶与等轴枝晶之间的竞争生长（Columnar-to-Equiaxed Transition, CET），这显著影响了最终的微观结构形态和溶质分布。
4.3. 热输入对枝晶结构和Laves相析出的影响
系统分析了不同线能量输入对枝晶生长、溶质偏析和Laves相析出行为的影响。结果表明，较高的线能量输入（如E225）导致较低的冷却速率，产生较宽且过冷度较大的过冷区，这促进了等轴晶的形成，加剧了溶质偏析（偏析指数Segregation Index, SI增高），并形成了较粗大的一次枝晶臂间距（PDAS增大），从而为Laves相的大量析出提供了条件。反之，较低的线能量输入（如E112）则产生较高的冷却速率，过冷区变窄，过冷度减小，抑制了等轴晶的形成，减轻了溶质偏析（SI降低），促进了更细小的枝晶结构（PDAS减小），进而有效地抑制了Laves相的析出。定量数据显示，当线能量从225.0 J·mm-1降至112.5 J·mm-1时，实验测得的平均PDAS从14.65 μm减小到7.74 μm，模拟结果也呈现相同趋势；同时，Laves相的体积分数也显著降低。这表明，通过降低激光能量输入，可以提高冷却速率，细化枝晶，减轻偏析，是抑制有害Laves相析出、降低裂纹敏感性的有效工艺手段。
4.4. 不同镍基高温合金下的微观结构生长行为
研究的一个关键创新点在于引入了“合金特异性过冷参数”（Alloy-specific Undercooling Parameter, P），其定义为 P = m c0(k - 1) / k，其中m为液相线斜率，c0为初始浓度，k为溶质分配系数。该参数被证明是决定不同镍基高温合金（IN738, IN718, IN706, IN625）在相同激光能量输入下微观结构响应的核心量化指标。模拟结果显示，P值较高的合金（如IN738，P=62.82 K；IN718，P=53.51 K）表现出更强烈的CET倾向（熔池内等轴晶比例高）、更严重的溶质偏析（SI高）、更粗大的枝晶结构（PDAS大）以及更显著的共晶相析出（体积分数高）。例如，IN738的共晶相体积分数高达9.36%。相反，P值较低的合金（如IN706，P=33.58 K；IN625，P=15.86 K）则倾向于形成以柱状晶为主的微观结构，枝晶更细小，偏析程度轻，共晶相析出量少（IN625共晶相体积分数仅为3.42%）。机理在于，高P值合金具有更宽的凝固温度范围（Freezing Range, FR）和偏析范围（Segregation Range, SR），在凝固前沿产生更大更宽的过冷区，促进了异质形核和等轴晶形成，同时强烈的溶质再分配导致枝晶粗化和枝晶间溶质富集，为共晶相析出创造了条件。
本研究通过构建并验证一个耦合宏观欧拉两相模型与微观元胞自动机模型的多尺度模拟框架，成功揭示了激光定向能量沉积镍基高温合金过程中微观结构演化的内在规律。研究结论可归纳为以下几点：首先，该耦合模型能够准确捕捉从宏观熔池流动传热到微观枝晶竞争生长、溶质偏析及共晶相析出的全链条物理现象，关键参数预测与实验结果吻合良好。其次，工艺参数（激光能量输入）通过影响冷却速率和温度梯度，显著调控微观结构：高能量输入导致低冷却速率，促进等轴晶形成、加剧溶质偏析、形成粗大枝晶和大量共晶相；而低能量输入则产生高冷却速率，抑制等轴晶、减轻偏析、细化枝晶并有效抑制共晶相析出。最后，也是最重要的，研究首次明确提出并验证了“合金特异性过冷参数P”作为连接合金成分与微观结构演化的关键桥梁。该参数定量决定了不同镍基高温合金的微观结构响应：高P值增强异质形核、促进柱状晶向等轴晶转变、加剧溶质偏析并促进共晶相形成；低P值则有利于柱状晶主导和细化微观结构，从而降低裂纹敏感性。
该研究的科学意义和实践价值重大。在理论上，它建立了清晰的“工艺-成分-微观结构”关联，为理解激光增材制造复杂凝固过程提供了深刻的物理洞察。在实践上，它为材料工程师和工艺工程师提供了明确的指导：一方面，可以通过优化激光工艺参数（如适当降低线能量）来调控凝固过程，抑制有害相析出；另一方面，更为根本的是，为未来新型可增材制造镍基高温合金的成分设计提供了关键准则——通过调整合金成分（特别是Al、Ti、Nb等元素含量）来降低合金的P值，可以从本质上实现细化的微观结构和减弱的偏析倾向，从而显著降低热裂纹敏感性，推动高性能镍基高温合金增材制造的进一步发展与应用。
