來(lái)源： 多尺度力學(xué)
增材制造（AM）在加工鋁合金方面相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)增材制造生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁合金常常面臨一些挑戰(zhàn)，包括工藝性差以及不理想的微觀結(jié)構(gòu)（如粗大的柱狀晶粒和微裂紋），導(dǎo)致最終鋁合金的機(jī)械性能較差。來(lái)自西北工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等學(xué)校的研究者們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在鋁基合金中加入微量的鋯元素（x=0.3%、0.6%、0.8%、1.3%），可以顯著提高高強(qiáng)度鋁合金的工藝性和微觀結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，增加鋯含量能改善鋁合金的加工性能，減少缺陷和表面粗糙度，并改善熔池的穩(wěn)定性。鋯的加入還促進(jìn)了柱狀晶粒向等軸晶粒的轉(zhuǎn)變，并細(xì)化了晶粒尺寸，從而提高了合金的機(jī)械性能。研究表明，含0.8%和1.3%鋯的鋁合金在增材制造中表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型鋁合金提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。
文章研究探討了鋯元素對(duì)LPBF鋁合金的工藝性和微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)并制造不同鋯含量的Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金，結(jié)合高保真模擬和實(shí)驗(yàn)，研究表明鋯含量的增加顯著改善了鋁合金的工藝性，促進(jìn)了柱狀晶粒向等軸晶粒的轉(zhuǎn)變及晶粒細(xì)化，從而提高了機(jī)械性能。研究還討論了鋯微量合金化對(duì)鋁合金工藝性和微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制。下面將介紹文章高保真模擬方面的內(nèi)容。
研究者通過(guò)高保真粉末尺度計(jì)算模型模擬了單軌激光熔化過(guò)程。該模型結(jié)合了離散元方法（DEM）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD），其中DEM用于粉末鋪展過(guò)程，CFD則處理熔池的動(dòng)態(tài)變化，包括金屬相和氣體相的演變。
模型涉及到的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程為：
圖 1 四種不同Zr含量的鋁合金在固態(tài)(左)和液態(tài)(右)下的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。
圖 2 激光粉末床熔合過(guò)程的物理模型
圖3顯示高保真計(jì)算過(guò)程中的熔池示意圖。工作計(jì)算量溫度梯度和熔池凝固速度，笛卡爾坐標(biāo)系下的溫度梯度：不同方向溫度梯度(x,y,z):最終溫度梯度：熔池凝固速度：圖3 熔池示意圖
模擬結(jié)果有：圖4，單個(gè)熔池內(nèi)的熔體速度梯度；圖4 模擬的單個(gè)熔池內(nèi)的熔體速度梯度( MVG )分布。( a ) - ( b ) Zr0 . 3合金；( c ) - ( D ) Zr0.6合金；( e ) - ( f ) Zr0.8合金和( g ) - ( h ) Zr1.3合金
圖5，模擬匙孔形狀及對(duì)應(yīng)熔池表面馬蘭戈尼強(qiáng)度的演變：圖5 模擬匙孔形狀及對(duì)應(yīng)熔池表面馬蘭戈尼強(qiáng)度的演變。( a ) Zr0.3合金，( b ) Zr0.6合金，( c ) Zr0.8合金，( d ) Zr1.3合金。
圖6，溫度場(chǎng)信息模擬。圖6 LPBF Al - 1Fe - 0.6 Cu - xZr合金的單熔池?zé)釄?chǎng)分布。單道模擬溫度場(chǎng)側(cè)視圖，( a ) Zr0.6和( b ) Zr0.8，( c )溫度梯度( G )，( d )凝固速度( R )，( e ) G / R和( f ) G * R從單個(gè)熔池底部向頂部模擬的變化。
相關(guān)研究成果以“Improving the processability and grain structures of additively manufactured Al-Fe-Cu-xZr alloy: Experiment and high-fidelity simulation”為題發(fā)表在Additive Manufacturing 84(2024)104074上，論文第一作者為Jing-Yu Xu、Wei-Hao Yuan，通訊作者為Cheng Zhang、Hui Chen、 Lin Liu。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104074
