综述：关于金属增材制造中的快速凝固与多尺度建模：综述

《Computational Materials Science》：On rapid solidification and multiscale modeling in metal additive manufacturing: A review

金属增材制造中快速凝固的非平衡效应及其多尺度建模研究，重点分析溶质捕获、拖曳与界面动力学机制对微观结构演变的调控作用，探讨分子动力学、蒙特卡洛等方法在跨尺度模拟中的应用，提出未来需突破的瓶颈问题。

　　

张崇峰|宋毅|李雷骥|沈晓鹏|王伟军|朱天池|肖飞

国家航空航天机械重点实验室，中国上海201108

摘要

金属增材制造（AM）提供了前所未有的设计灵活性和效率，但其性能受到快速凝固现象的严格控制。在本文中，我们对非平衡效应进行了深入分析。具体来说，讨论集中在关键机制上，包括溶质捕获、溶质拖拽以及界面动力学，以及它们在快速冷却过程中对微观结构演变的影响。我们将特别关注树枝状、共晶和包晶凝固以及带状结构，这些是金属增材制造的特征。同时，本文还概述了多尺度建模的最新进展，涵盖了分子动力学、动力学蒙特卡洛、元胞自动机和相场方法。通过将原子级过程与介观尺度图案形成联系起来，本文将提供一个全面的视角，将基础凝固科学与预测性仿真工具结合起来。文章最后指出了未来研究的关键障碍和潜在方向。

引言

由于金属增材制造（AM）在设计灵活性、生产率和精度方面的卓越能力，它经历了快速发展。因此，它引起了工业界和学术界的广泛关注[1]。基于熔融的AM过程中固有的高度相互关联的多物理现象包括原料动态、熔池内的流动、相变以及热传递，使材料经历快速冷却和反复的热循环[2]、[3]。随着工艺从铸造发展到焊接，最终到AM，热提取率显著增加。这种演变导致了快速凝固，其特征是温度梯度（G）约为1–10⁶ K m^?1，凝固速度（V）从传统方法中的μm/s范围提升到m/s甚至更高[4]。这些非平衡过程形成了独特的微观结构，这些结构又对机械性能产生了深远影响，包括残余应力分布、延展性和强度[5]。

在金属增材制造领域，领先的技术是定向能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF），后者包括电子束（EPBF）和激光（LPBF）子系统。表1比较了这三种方法，强调了由于冷却速率、能量输入和热梯度的不同而导致的凝固行为的显著差异。

AM中的快速凝固是一个核心研究课题，需要超越传统局部平衡热力学的理论框架。与平衡状态下的缓慢凝固不同，快速凝固在物理解释和建模策略上都有根本性的差异。经典描述如Stefan问题[6]以及Onsager和Prigogine发展的局部平衡不可逆热力学[7]在分析凝固和界面动力学方面表现良好。相比之下，快速凝固所特有的大驱动力会破坏界面和内部的局部热力学平衡，经常导致亚稳相的形成[8]、[9]。因此，快速合金凝固具有重要的科学意义和工程价值[10]。高冷却速率促进了微观结构的细化、溶解度的提高、偏析的减少以及亚稳相的发展，这些都可以显著改善疲劳抗力、磨损行为和耐腐蚀性能[11]。在极高的生长速度下，传统的树枝状、元胞状或共晶微观结构可能会消失，形成几乎均匀的固态结构。Mullins和Sekerka[12]利用绝对稳定性理论预测了这一转变，随后Coriell和Sekerka[13]对此进行了验证。

与现有的广泛AM综述不同，本文将重点专门放在定义AM微观结构特征的快速凝固现象上。认识到物理保真度是预测性仿真的前提，我们首先通过详细阐述快速凝固的物理背景来建立严格的理论基础，然后再评估多尺度建模技术。文章的结构如下：第2节深入分析了非平衡界面机制，重点讨论了溶质捕获、溶质拖拽和界面动力学。第3节分析了工艺参数如何控制AM中树枝状、共晶、包晶和带状结构的形成。第4节对多尺度仿真方法进行了批判性评估，包括分子动力学、动力学蒙特卡洛、元胞自动机和相场建模，强调了它们在捕捉AM特定凝固物理方面的有效性。最后提出了结论和未来展望。

节选内容

快速凝固中的非平衡效应

由于高冷却速率，快速凝固使合金远离局部热力学平衡，从而产生了一系列与溶质相关的非平衡现象，如溶质捕获、溶质拖拽和速度依赖的界面动力学。理解这些效应对于改进合金加工工艺和设计性能优异的材料至关重要。

快速凝固过程中的微观结构演变

几个变量决定了金属AM组件的最终冷却速率和性能；其中最重要的是激光扫描模式、扫描速度（R）和激光功率（P）。通常，AM样品的微观结构特征由以下属性决定：

（1）由于沿熔池边界的定向凝固，形成了独特的微观结构，这一过程受到激光熔化期间局部热历史的驱动（图5(a)）[51]。在微观层面上

快速凝固中的微观结构多尺度建模

在金属增材制造中，组件的生产依赖于熔池的形成，在这些熔池中复杂的微观结构会演变。多物理现象的协同作用——跨越不同的时间和空间尺度——控制着熔池内的凝固过程。具体来说，这些现象包括机械残余应力的积累、热传导、物理元素扩散和化学相变[2]、[3]、[107]、[108]。因此，AM中的凝固

结论与展望

本研究专门评估了金属增材制造（AM）中的快速凝固，重点关注控制微观结构演变的非平衡现象。与广泛的AM综述不同，我们将关键机制——溶质捕获、溶质拖拽和界面动力学——视为预测性多尺度建模不可或缺的物理前提。通过弥合基础科学与数值工具（MD、KMC、CA）之间的差距，

CRediT作者贡献声明

张崇峰：撰写——初稿。宋毅：概念构思。李雷骥：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源获取，调查，形式分析。沈晓鹏：形式分析。王伟军：软件开发。朱天池：验证。肖飞：监督，软件开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了上海航天技术研究院联合研究基金（编号：USCAST2023-19）的资助。本工作还得到了国家自然科学基金（编号：52571227）、上海市自然科学基金（编号：24ZR1438200）、设备开发部辉彦行动（编号：5D3D1365）以及中国核工业集团凌创研究项目（编号：CNNC-LCKY-2025-039）的资助。