热毛细对流作用下增材制造凝固组织和成分偏析形成机理研究

Thermocapillary convection is the primary natural convection in the molten pool during additive manufacturing of metallic materials, affecting the microstructure morphology and segregation significantly. However, the relevant simulation studies have so far remained scarce. In this project, the cellular automaton (CA) method and the multiphase lattice Boltzmann (LB) model will be combined to develop the multiphase CA-LB model that involves the fluid, temperature, concentration fields, and the process of microstructural evolution. The multiphase CA-LB model will be programmed based on the GPU-CUDA platform for high-performance computing. The proposed model will be applied to simulate the growth of dendrites/grains, the phenomenon of columnar-to-equiaxed transition (CET), and the segregation of solute Nb in the process of additive manufacturing of a nickel-based superalloy (Inconel 718). The experiments of direct laser deposition additive manufacturing for Inconel 718 will be performed to validate and analyze the simulation results. Through the combination of simulation and experimental investigations, the research of this project will elucidate the interactions among the thermocapillary convection, heat and solutal transports, as well as the microstructural evolution. The project will reveal the influence of thermocapillary convection on the formation of solidification microstructure and Nb segregation. This will contribute to the fundamentals for the prediction and control of the solidification microstructure for additive manufacturing components of nickel-based superalloys, providing guidance for optimizing the practical production process.

热毛细对流是金属增材制造熔池内最主要的自然对流，对增材制造的凝固组织形貌和成分偏析具有重要影响，但目前国内外相关的模拟研究报导甚少。本项目将元胞自动机(CA)方法和格子玻尔兹曼(LB)多相流模型相结合，建立耦合流场、温度场、浓度场和显微组织演化的CA-LB多相流模型及其GPU-CUDA高性能算法。应用所建立的CA-LB多相流模型，对Inconel 718镍基高温合金增材制造熔池热毛细对流作用下枝晶/晶粒生长、柱状晶-等轴晶转变和Nb元素偏析形成进行系统的模拟研究。开展Inconel 718合金直接激光沉积增材制造实验，将模拟和实验结果进行对比分析。通过模拟和实验研究相结合，阐明增材制造过程中热毛细对流、热质传输和凝固组织演化之间的相互作用机理，揭示热毛细对流作用对凝固组织和成分偏析形成的影响规律，为有效预测和控制镍基高温合金增材制造显微组织、优化生产工艺提供科学依据。

热毛细对流是金属增材制造熔池内最主要的自然对流，对增材制造的凝固组织形貌和偏析缺陷形成具有重要影响。本项目建立了包含多场、多相的快速凝固数值模型及相关算法，结合数值模拟和实验手段对热毛细对流作用下IN718合金熔池内的热质传输规律、凝固组织演化和偏析缺陷形成过程开展基础研究工作。在数值模型构建方面，本项目采用元胞自动机(CA)方法描述增材制造快速凝固过程中的显微组织形成，采用多相格子玻尔兹曼(LB)方法描述熔池内液相对流和浓度场演化，采用运动准稳态点热源解析模型描述熔池内的温度场演化。在实验研究方面，本项目开展了IN718合金的冷金属过渡(CMT)增材制造和透明合金凝固组织原位观察实验。从微观模拟研究角度来看，结果表明在热毛细对流的作用下，热源前进方向后侧出现了溶质富集，前侧环流外侧出现了低浓度区域。随着熔池内对流强度的增大，IN718合金一次枝晶间距减小，且对流对一次枝晶间距的影响效果随冷速的升高而增大。热毛细对流作用下的熔池左右两侧底部枝晶出现竞争生长，部分枝晶发生了反常淘汰；而熔池底部柱状晶由于对流影响微弱，生长只受到了固液界面前形核的等轴晶阻挡。熔池内枝晶形貌和溶质元素分布规律和实验显微组织观察结果定性一致。从宏观模拟研究角度来看，所构建的模型可以较好的再现熔池形貌、固-液界面推进、温度场演化等物理过程，不仅可以与实验研究进行对比分析，也可以为熔池内凝固组织的微观尺度模拟提供温度场条件。除了本项目按计划执行的研究内容，项目组也开展了外场（超声波）作用下的枝晶破碎与空化泡对固相界面的熔化机理、枝晶粗化三维模拟、异种焊丝CMT焊接区域偏析形成和粗糙热表面液滴弹跳与传热性能研究。本项目所建立的多场、多相CA-LB模型和模拟结果能够揭示增材制造凝固组织演化和偏析缺陷形成规律，为发展相关的快速凝固理论和实际应用中凝固组织调控提供重要依据。