金屬增材制造中的關(guān)鍵力學(xué)問題與前沿計算技術(shù)主題序

廉艷平 劉謀斌

* (北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院,北京 100081)

? (北京大學(xué)工學(xué)院,北京 100871)

增材制造（亦稱“3D 打印”）是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體構(gòu)件的新興制造技術(shù)，涉及力學(xué)、光學(xué)、材料、機(jī)械、控制、計算機(jī)、軟件等學(xué)科的交叉融合,已成為現(xiàn)代制造業(yè)最具代表性的顛覆性技術(shù)，也是《中國制造2025》規(guī)劃的重要發(fā)展方向。金屬增材制造是3D 打印技術(shù)的一個主要分支，一般常采用高能束（激光、電子束等）作為輸入熱源，通過熔化離散金屬材料（粉材、絲材）進(jìn)行逐層疊加打印制件，從而彌補傳統(tǒng)減材和等材制造的不足，已在航空航天、汽車電子及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域取得了典型應(yīng)用。然而，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造過程到性能評價，金屬增材制造涉及眾多的關(guān)鍵力學(xué)問題亟待解決。例如，由于金屬粉材或絲材的離散效應(yīng)，如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，金屬3D 打印產(chǎn)品易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷和表面缺陷，從而影響打印構(gòu)件的宏觀力學(xué)性能及服役可靠性。

由于材料參數(shù)和工藝參數(shù)眾多,模擬與仿真可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,預(yù)測及修正產(chǎn)品瑕疵,提升產(chǎn)能,降低生產(chǎn)成本,是增材制造的核心技術(shù).但金屬增材制造是一個高溫下金屬材料傳熱、相變、熔池流動及快速凝固的復(fù)雜冶金工藝過程,涉及多尺度多介質(zhì)強耦合,對模擬與仿真是一個巨大的挑戰(zhàn).發(fā)展可靠的數(shù)值計算技術(shù),對金屬增材制造進(jìn)行過程模擬、缺陷分析、性能預(yù)測與工藝優(yōu)化,從而進(jìn)一步建立工藝參數(shù)—缺陷特征—力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián),具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值.

在此背景下,《力學(xué)學(xué)報》組織了“金屬增材制造中的關(guān)鍵力學(xué)問題與前沿計算技術(shù)”專題,包括1 篇綜述和7 篇研究論文,旨在展現(xiàn)我國力學(xué)學(xué)者在該領(lǐng)域的部分最新研究成果,以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流,供相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員參考.

按照材料送給方式的不同，金屬增材制造可分為粉床熔合技術(shù)和直接能量沉積技術(shù),如激光選區(qū)熔合技術(shù)、電子束選區(qū)熔合技術(shù)和激光同軸送粉直接能量沉積技術(shù)等.針對該三種典型金屬增材制造技術(shù),清華大學(xué)的陳澤坤等綜述了其在傳統(tǒng)合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的應(yīng)用,歸納了常見內(nèi)部缺陷的形成機(jī)理和控制方法,闡述了工藝參數(shù)與成形構(gòu)件組織形貌、材料力學(xué)性能的關(guān)聯(lián),并對金屬增材制造在可打印合金體系的擴(kuò)充、缺陷與殘余應(yīng)力對材料性能影響的量化標(biāo)準(zhǔn)、組織形貌的預(yù)測方法等方面所面臨的挑戰(zhàn)和亟待深入開展的研究方向進(jìn)行了分析與展望.

在粉床熔合技術(shù)中,連續(xù)、均勻、致密的粉床是確保打印成功的關(guān)鍵前提之一.因此,探究粉床鋪設(shè)質(zhì)量的影響因素以優(yōu)化粉末鋪設(shè)工藝參數(shù),是金屬增材制造前沿計算技術(shù)的一個重要研究方向.針對該問題,本專題組織了2 篇研究論文.南昌航空大學(xué)的孫遠(yuǎn)遠(yuǎn)等人采用離散元法研究了不同成形區(qū)粗糙表面形貌和鋪粉工藝參數(shù)對粉層鋪設(shè)質(zhì)量的影響,分析了粉末在成形區(qū)粗糙表面的動力學(xué)行為和沉積機(jī)制,揭示了顆粒迸濺、空斑缺陷的形成機(jī)理.進(jìn)一步,新加坡國立大學(xué)蘇州研究院的陳輝和閆文韜發(fā)展了離散元法與計算流體力學(xué)的雙向動態(tài)耦合模型,研究了粉體粘結(jié)效應(yīng)、壁面效應(yīng)和滲流效應(yīng)對粉床鋪設(shè)質(zhì)量的影響,揭示了粉床熔化過程中的粉末飛濺和剝蝕現(xiàn)象,為激光選區(qū)增材制造技術(shù)中粉末顆粒的熱/動力學(xué)行為的模擬分析提供了一種數(shù)值計算方法.

目前,粉末尺度的高保真數(shù)值模擬是研究基于粉材的金屬3D 打印缺陷形成機(jī)理和熔覆層形貌的主要研究手段.與粉床熔合技術(shù)的先鋪粉后加熱熔化凝固過程不同,同軸送粉直接能量沉積技術(shù)涉及復(fù)雜的噴口、顆粒、環(huán)境氣體、熔體、凝固體之間相互作用,給高保真數(shù)值模擬帶來了更大的挑戰(zhàn).針對此類問題,本專題組織了2 篇研究論文.北京大學(xué)的王澤坤與劉謀斌發(fā)展了半解析計算流體力學(xué)、流體體積法、離散元(CFD-VOF-DEM)耦合算法,通過在作者前期發(fā)展的半解析CFD-DEM 計算框架下引入VOF 以描述自由液面和相變界面,分析了粉末顆粒之間的碰撞、空中加熱粘結(jié)熔化、熔合以及熔池熔道形成等物理現(xiàn)象,實現(xiàn)了真實物理環(huán)境下激光同軸送粉直接能量沉積技術(shù)的數(shù)值模擬.與前述工作不同,北京理工大學(xué)的黃辰陽等人采用拉格朗日質(zhì)點法模擬求解粉末輸送及空中非均勻加熱的過程,進(jìn)一步耦合FVM 和VOF 求解粉末與熔池的交互作用及其流動凝固過程,發(fā)展了激光、粉末、熔池交互作用的高保真多物理場模型,實現(xiàn)了激光同軸送粉直接能量沉積TC17 合金單道掃描過程的高效模擬,揭示了粉末落入熔池前溫度分布和粉末/基板能量分配比例對熔池流場和熔覆層形貌的影響機(jī)理.

材料的宏觀力學(xué)性能與其微觀組織密切相關(guān).為了實現(xiàn)金屬增材制造成形材料微觀組織和力學(xué)性能的調(diào)控,亟需深入研究熔池內(nèi)部復(fù)雜的動態(tài)凝固行為和微觀組織演變規(guī)律,為此,本專題組織了2 篇研究論文.湖南大學(xué)的肖文甲等針對激光同軸送粉直接能量沉積技術(shù),構(gòu)建了宏觀傳熱傳質(zhì)與非等溫多相場耦合的單向耦合多尺度算法及其MPI 并行算法,研究了IN718 合金凝固過程中的平面晶生長、失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹Ъ捌涓偁幧L的過程,揭示了與溫度梯度相關(guān)的晶粒彎曲生長現(xiàn)象,為金屬增材制造材料凝固微觀組織的預(yù)測和調(diào)控提供了一種多尺度數(shù)值計算方法.南京航空航天大學(xué)的易敏等人針對激光選區(qū)熔合技術(shù),提出了集成離散元法、非等溫相場模型、晶體塑性有限元法(CPFEM)的順序耦合計算框架,實現(xiàn)了粉床鋪設(shè)、多晶微結(jié)構(gòu)演化和力學(xué)性能計算.其中,采用非等溫相場模型考慮了熱傳導(dǎo)、熔池流體動力學(xué)和微結(jié)構(gòu)演化三者之間的耦合以模擬熔體、氣孔和多晶微結(jié)構(gòu),應(yīng)用CPFEM 預(yù)測多晶微結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)相應(yīng),進(jìn)一步采用極值概率理論分析成形材料的疲勞分散性,研究了激光掃描速度對微結(jié)構(gòu)演化、屈服應(yīng)力和疲勞分散性的影響,為工藝參數(shù)、微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能關(guān)聯(lián)規(guī)律研究提供了一種數(shù)值計算方法.

金屬增材制造成形材料與構(gòu)件的疲勞性能是其作為航空、核工業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)主承力結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵性能,亟需相應(yīng)的預(yù)測評價方法.為此,本專題組織了1 篇以增材制造成形材料高周疲勞性能分析為主題的研究論文.西北工業(yè)大學(xué)的朱繼宏等人將晶體塑性學(xué)、彈塑性內(nèi)聚力模型以及分別針對于晶粒和晶界的疲勞準(zhǔn)則相結(jié)合,發(fā)展了增材制造316 不銹鋼材料高周疲勞性能分析的微觀力學(xué)模型.其中,分別采用晶體塑性學(xué)和彈塑性內(nèi)聚力模型模擬晶粒和晶界的力學(xué)行為,針對晶粒和晶界分別采用Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則和一種基于安定性理論的介觀疲勞準(zhǔn)則,同時考慮位錯滑移和晶界對疲勞性能的影響.研究表明,循環(huán)載荷下滑移帶與晶界處的裂紋萌生是增材制造316 不銹鋼材料發(fā)生高周疲勞的一個主要原因.

目前,金屬增材制造中的關(guān)鍵力學(xué)問題與前沿計算技術(shù)研究是國際學(xué)術(shù)前沿?zé)狳c研究方向,也是增材制造技術(shù)實現(xiàn)控形控性、確保零部件打印成功率的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論和核心支撐技術(shù)..由于篇幅所限,本專題未涉及面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計、殘余應(yīng)力與變形的高效模擬、成形材料與構(gòu)件的缺陷表征與性能評價、成形材料的動態(tài)力學(xué)性能、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造過程-微觀組織/結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能高效預(yù)測模型等方面,而在這些方面金屬增材制造技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)和難題.本專題期望以此為契機(jī),促進(jìn)該領(lǐng)域關(guān)鍵力學(xué)問題和數(shù)值計算方法的深入系統(tǒng)研究,以支撐金屬增材制造技術(shù)和裝備的快速發(fā)展,服務(wù)于我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重大需求.