《Additive Manufacturing》：Modeling and validation of microstructure and porosity formation in Al-10Si alloy laser powder bed fusion additive manufacturing process
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激光粉末床熔融 (LPBF) 增材制造 (AM) 在制造高性能金属构件方面前景广阔，但仍面临微观结构不一致和气孔形成等挑战，这直接影响零件的性能与可靠性。本研究通过改进的元胞自动机 (CA) 模型，成功预测了Al-10Si合金在LPBF过程中的晶粒演变与氢气孔形成。模型集成了熔池温度场、考虑高冷却速率的非平衡晶粒生长机制以及改进的氢孔形核准则，准确模拟了从熔池边缘的细小等轴晶到中心的大等轴晶的微观结构转变，并对球形和晶间两类典型气孔形貌进行了仿真验证。模拟结果在晶粒与气孔的尺寸、分布上与实验结果高度吻合，为优化LPBF工艺参数提供了有效的模拟工具。
金属增材制造，特别是激光粉末床熔融技术，近年来越来越多地在航空航天、国防和汽车等领域大显身手。它不仅能减少材料浪费、缩短生产周期，还能制造出传统方法难以企及的复杂、高性能零件。然而，这项“黑科技”也并非完美无瑕。在制造过程中，零件内部容易形成气孔，其微观结构也常常与常规方法制造的材料大相径庭。这些“瑕疵”会严重影响零件的力学性能和可靠性，成为工程师们追求“完美零件”道路上的一大障碍。更令人头疼的是，工艺参数（如激光功率、扫描速度等）究竟如何影响最终零件性能，目前我们还没有完全搞清，这给产品设计和工艺优化带来了不少麻烦。为了弥补这一认知差距，研究者们开发了多种模拟模型，希望能够预测LPBF过程中的晶粒和气孔是如何形成和演变的。这其中，元胞自动机和相场法是两种常用的“虚拟显微镜”。不过，以往的研究大多“各管一摊”，要么只关注晶粒形貌，要么只盯着气孔形成，很少有模型能同时捕捉晶粒和气孔在熔池内的相互作用。这就限制了我们对LPBF过程中复杂物理现象的全景式理解。于是，来自俄亥俄州立大学的研究团队，决心开发一个更强大的模拟工具，来同时“看透”这两个关键特征。他们的研究成果发表在《Additive Manufacturing》期刊上。
为了揭示LPBF过程中晶粒与气孔共生的秘密，研究者们采用了以下关键技术方法：首先，他们开发了一个改进的三维元胞自动机模型，其核心物理机制包括基于菲克第二定律的溶质扩散、液/固界面溶质分配以及形核理论。其次，模型的关键创新在于引入了考虑高冷却速率下非平衡凝固的修正相图（用于模拟硅在铝中的过饱和现象）以及一个基于氢过饱和度的随机气孔形核判据。最后，研究结合了实验与模拟验证：通过商用软件SysWeld计算获得稳态熔池温度场并输入CA模型；同时，使用Al-10Si-0.3Mg商业合金粉末，在特定工艺参数下制备LPBF样品，并利用电子背散射衍射、光学显微镜、扫描电镜和显微计算机断层扫描等技术，对实际样品的晶粒尺寸、形貌以及气孔尺寸、分布和形貌进行系统表征，用以与模拟预测结果进行对比验证。
模拟的晶粒形貌
模型成功捕捉了LPBF Al-10Si合金中典型的微观结构演变。模拟结果显示，在熔池边缘区域，由于较高的冷却速率，形成了细小的等轴晶；而在熔池中心区域，冷却较慢，则生长出较大的等轴晶，并伴随有明显的柱状晶生长取向。这与实验观察到的晶粒从边缘到中心的尺寸梯度变化趋势一致。通过对比模拟截面与EBSD实验结果的截面，模型准确地再现了柱状晶的生长方向以及熔池内部与边缘的晶粒尺寸差异，尽管受限于计算单元尺寸，模型未能完全复现实验中所观察到的最细小边缘晶粒。
模拟的气孔形貌
CA模型成功模拟了实验中观察到的两种主要气孔形貌：球形气孔和晶间气孔。球形气孔尺寸较大（约5-50微米），而晶间气孔则表现为被枝晶臂限制的、更小尺寸的孔隙簇。模型基于氢在液态铝中过饱和度的随机形核准则，模拟了凝固过程中氢从生长中的固相排出并在液相中聚集，最终导致气孔形核和生长的过程。对50次随机模拟运行结果的统计表明，预测的平均气孔直径（16.9微米）和面密度（8个/平方毫米）与通过光学显微镜和显微CT实验测量得到的结果（平均直径约18-22微米，面密度约10个/平方毫米）具有良好的一致性。这验证了模型在预测气孔尺寸和分布方面的有效性。
综上所述，本研究成功开发并验证了一个能够同步预测LPBF Al-10Si合金晶粒结构与氢气孔形成的改进CA模型。该模型通过整合熔池温度场、非平衡晶粒生长机制和精炼的氢孔形核判据，不仅准确再现了从熔池边缘到中心的晶粒尺寸与形貌梯度变化，还成功模拟了球形和晶间两类典型气孔的形貌、尺寸与分布，其预测结果与实验表征数据高度吻合。这项工作的意义在于，它提供了一种能够同时考量晶粒与气孔相互作用的有效模拟工具，克服了以往模型多侧重于单一特征的局限。这有助于更深入地理解LPBF过程中微观缺陷的形成机理，为通过调整工艺参数（如激光功率、扫描速度等）来主动调控最终零件的微观结构与性能，从而优化增材制造工艺、生产出更可靠的高性能金属部件，奠定了重要的理论基础。未来的工作将致力于将该模型扩展至多层、多道扫描的更复杂制造场景，以提升其在工业规模生产中的普适性和预测能力。
