金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序

廉艳平 刘谋斌

* (北京理工大学先进结构技术研究院,北京 100081)

† (北京大学工学院,北京 100871)

增材制造（亦称“3D 打印”）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术，涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合,已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术，也是《中国制造2025》规划的重要发展方向。金属增材制造是3D 打印技术的一个主要分支，一般常采用高能束（激光、电子束等）作为输入热源，通过熔化离散金属材料（粉材、丝材）进行逐层叠加打印制件，从而弥补传统减材和等材制造的不足，已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用。然而，从结构设计、制造过程到性能评价，金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决。例如，由于金属粉材或丝材的离散效应，如果工艺参数选择不当，金属3D 打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷，从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性。

由于材料参数和工艺参数众多,模拟与仿真可以缩短产品研发周期,预测及修正产品瑕疵,提升产能,降低生产成本,是增材制造的核心技术.但金属增材制造是一个高温下金属材料传热、相变、熔池流动及快速凝固的复杂冶金工艺过程,涉及多尺度多介质强耦合,对模拟与仿真是一个巨大的挑战.发展可靠的数值计算技术,对金属增材制造进行过程模拟、缺陷分析、性能预测与工艺优化,从而进一步建立工艺参数—缺陷特征—力学性能的内在关联,具有重要的科学意义和工程应用价值.

在此背景下,《力学学报》组织了“金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术”专题,包括1 篇综述和7 篇研究论文,旨在展现我国力学学者在该领域的部分最新研究成果,以促进学术交流,供相关学者和技术人员参考.

按照材料送给方式的不同，金属增材制造可分为粉床熔合技术和直接能量沉积技术,如激光选区熔合技术、电子束选区熔合技术和激光同轴送粉直接能量沉积技术等.针对该三种典型金属增材制造技术,清华大学的陈泽坤等综述了其在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用,归纳了常见内部缺陷的形成机理和控制方法,阐述了工艺参数与成形构件组织形貌、材料力学性能的关联,并对金属增材制造在可打印合金体系的扩充、缺陷与残余应力对材料性能影响的量化标准、组织形貌的预测方法等方面所面临的挑战和亟待深入开展的研究方向进行了分析与展望.

在粉床熔合技术中,连续、均匀、致密的粉床是确保打印成功的关键前提之一.因此,探究粉床铺设质量的影响因素以优化粉末铺设工艺参数,是金属增材制造前沿计算技术的一个重要研究方向.针对该问题,本专题组织了2 篇研究论文.南昌航空大学的孙远远等人采用离散元法研究了不同成形区粗糙表面形貌和铺粉工艺参数对粉层铺设质量的影响,分析了粉末在成形区粗糙表面的动力学行为和沉积机制,揭示了颗粒迸溅、空斑缺陷的形成机理.进一步,新加坡国立大学苏州研究院的陈辉和闫文韬发展了离散元法与计算流体力学的双向动态耦合模型,研究了粉体粘结效应、壁面效应和渗流效应对粉床铺设质量的影响,揭示了粉床熔化过程中的粉末飞溅和剥蚀现象,为激光选区增材制造技术中粉末颗粒的热/动力学行为的模拟分析提供了一种数值计算方法.

目前,粉末尺度的高保真数值模拟是研究基于粉材的金属3D 打印缺陷形成机理和熔覆层形貌的主要研究手段.与粉床熔合技术的先铺粉后加热熔化凝固过程不同,同轴送粉直接能量沉积技术涉及复杂的喷口、颗粒、环境气体、熔体、凝固体之间相互作用,给高保真数值模拟带来了更大的挑战.针对此类问题,本专题组织了2 篇研究论文.北京大学的王泽坤与刘谋斌发展了半解析计算流体力学、流体体积法、离散元(CFD-VOF-DEM)耦合算法,通过在作者前期发展的半解析CFD-DEM 计算框架下引入VOF 以描述自由液面和相变界面,分析了粉末颗粒之间的碰撞、空中加热粘结熔化、熔合以及熔池熔道形成等物理现象,实现了真实物理环境下激光同轴送粉直接能量沉积技术的数值模拟.与前述工作不同,北京理工大学的黄辰阳等人采用拉格朗日质点法模拟求解粉末输送及空中非均匀加热的过程,进一步耦合FVM 和VOF 求解粉末与熔池的交互作用及其流动凝固过程,发展了激光、粉末、熔池交互作用的高保真多物理场模型,实现了激光同轴送粉直接能量沉积TC17 合金单道扫描过程的高效模拟,揭示了粉末落入熔池前温度分布和粉末/基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层形貌的影响机理.

材料的宏观力学性能与其微观组织密切相关.为了实现金属增材制造成形材料微观组织和力学性能的调控,亟需深入研究熔池内部复杂的动态凝固行为和微观组织演变规律,为此,本专题组织了2 篇研究论文.湖南大学的肖文甲等针对激光同轴送粉直接能量沉积技术,构建了宏观传热传质与非等温多相场耦合的单向耦合多尺度算法及其MPI 并行算法,研究了IN718 合金凝固过程中的平面晶生长、失稳转变为枝晶及其竞争生长的过程,揭示了与温度梯度相关的晶粒弯曲生长现象,为金属增材制造材料凝固微观组织的预测和调控提供了一种多尺度数值计算方法.南京航空航天大学的易敏等人针对激光选区熔合技术,提出了集成离散元法、非等温相场模型、晶体塑性有限元法(CPFEM)的顺序耦合计算框架,实现了粉床铺设、多晶微结构演化和力学性能计算.其中,采用非等温相场模型考虑了热传导、熔池流体动力学和微结构演化三者之间的耦合以模拟熔体、气孔和多晶微结构,应用CPFEM 预测多晶微结构的宏观力学相应,进一步采用极值概率理论分析成形材料的疲劳分散性,研究了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响,为工艺参数、微结构、力学性能关联规律研究提供了一种数值计算方法.

金属增材制造成形材料与构件的疲劳性能是其作为航空、核工业等领域内主承力结构的一个关键性能,亟需相应的预测评价方法.为此,本专题组织了1 篇以增材制造成形材料高周疲劳性能分析为主题的研究论文.西北工业大学的朱继宏等人将晶体塑性学、弹塑性内聚力模型以及分别针对于晶粒和晶界的疲劳准则相结合,发展了增材制造316 不锈钢材料高周疲劳性能分析的微观力学模型.其中,分别采用晶体塑性学和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为,针对晶粒和晶界分别采用Papadopoulos 疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则,同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响.研究表明,循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316 不锈钢材料发生高周疲劳的一个主要原因.

目前,金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术研究是国际学术前沿热点研究方向,也是增材制造技术实现控形控性、确保零部件打印成功率的关键基础理论和核心支撑技术..由于篇幅所限,本专题未涉及面向增材制造的结构设计、残余应力与变形的高效模拟、成形材料与构件的缺陷表征与性能评价、成形材料的动态力学性能、基于机器学习的增材制造过程-微观组织/结构-力学性能高效预测模型等方面,而在这些方面金属增材制造技术也面临着诸多挑战和难题.本专题期望以此为契机,促进该领域关键力学问题和数值计算方法的深入系统研究,以支撑金属增材制造技术和装备的快速发展,服务于我国从制造大国向制造强国转变的重大需求.