综述:冶金、机械模型及机械学习在金属打印中的应用(二)

 公司动态     |      2022-10-13 00:29

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本文摘要:江苏激光同盟导读:在这里,我们为大家展示了金属打印在冶金以及使用机械模型和机械学习等方面的先进应用,以及这些手段在拓展金属增材制造方面所起的作用。本文为第二部门。 机械模型机械模型可以对工艺历程中的变量如温度场和速度场、冷却速率和凝固参数等在AM历程中不易丈量的量举行盘算。这些模型提供了AM打印部件在工艺参数变化和原质料的热物理性质发生变化时显微组织和性能如何变化的现象举行形貌。 然而,工艺和产物的数字表征在当今还面临着庞大的挑战。

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江苏激光同盟导读:在这里,我们为大家展示了金属打印在冶金以及使用机械模型和机械学习等方面的先进应用,以及这些手段在拓展金属增材制造方面所起的作用。本文为第二部门。

机械模型机械模型可以对工艺历程中的变量如温度场和速度场、冷却速率和凝固参数等在AM历程中不易丈量的量举行盘算。这些模型提供了AM打印部件在工艺参数变化和原质料的热物理性质发生变化时显微组织和性能如何变化的现象举行形貌。

然而,工艺和产物的数字表征在当今还面临着庞大的挑战。这一庞大性的表征,通常是选取最为重要的工艺参数而忽略不重要的工艺历程。这些假设基本是可信的,其可信的水平通过模型预测的效果同实验效果相比力来验证。

此外,该任务所用的模型一般是借鉴熔化焊接和冶金学中的模型。AM中的机械模型广泛地用于参数变化和部件组织性能之间的关系预测中。大多数的工艺参数的物理变化需要应用多尺度地模拟来表征,而且在某些场所中还会用到跨尺度的变化。大多数的模拟需要用到瞬时的3D温度场。

思量到盘算效率的变化取决于所思量地物理工艺历程和盘算的尺度。当盘算是在介观尺度举行时,其盘算速度是很是快的。然而,接纳同样的盘算对粉末层面地模型举行盘算则需要几倍数量级的时间。

因此,将时间尺度和长度尺度联合在一起是一件很是有挑战的事情,需要进一步的研究。在这里,我们对现有的研究希望举行回首,对机械模型在金属打印中面临的时机和挑战也做了先容。传热模型和金属流动模型金属打印包罗加热、熔化、凝固和固态相变的历程,以及熔化区形状、显微组织、缺陷、机械性能和残余应力和变形的演变情况。

对这些物理参数的变化同部件组织性能的定量关系的明白始于熔化区瞬时温度场和液态金属流动的模拟。传热和液态金属的流动的模拟基于质量守恒、动量和能量守恒的原理来获得诸如温度-时间历史的变化、熔化区形状和凝固速率的变化等。图5a为在PBF-L、DED-L工艺中使用粉末和DED-GMA中使用丝材为原质料时获得的典型的熔池的温度场和速度场。

熔池的3D温度场漫衍和形状变化以及原质料(粉末或丝材)的变化可以通过基于介观模型的传输现象来获得。这些模型可以模拟在多层沉积时的情形,此时每一层包罗着多道熔道。AM是依靠局部原质料的熔化和凝固来实现的,效果,熔池的形状和尺寸影响着打印部件的显微组织和性能。

除去对部件的形状特征举行盘算之外,这些模型还可以盘算在制造历程中沉积金属时的多个热循环。这些效果可以提供差别监控位置的温度-时间数据图(见图5b)。热循环对显微组织的模拟是很是必须的。

实验丈量诸如详尽的温度-时间-空间的数据是很是难题的,这是因为AM工艺自己的庞大性的本质所决议的。然而,在某些局部区域的温度-时间数据,如果可以获得的话,对测试和校准模型是很是有用的。

从传热和流体模型中获得的效果可以促进对显微组织、晶粒结构和可打印性的定量明白。显微组织演变的模拟在显微组织中差别身分变化时相分数的模拟有助于明白打印部件在热处置惩罚前后的性能。每一可热处置惩罚的合金在加热和冷却时经受着奇特的相变历程。效果,显微组织的模拟是同合金密切相关的,代表着显微组织演变历程中每一个相发生相变的可能的途径。

在金属部件经受多道热循环时多道熔化焊的显微组织的盘算方面的文章是比力富厚的。这一历程同AM工艺是比力相似的。在这些系统和AM中,可靠的显微组织的盘算已经通过在一连冷却相变图和相分数随时间的变化中所得得详细得动力学信息而获得。

相变的模拟和显微组织特征的尺度曾经用来思量热历史和 合金身分。Avrami等式显微组织的盘算,基于Johnson-Mehl对PBF-L Ti6Al4V合金是很是有用的,同时一连冷却相变图已经被用来明白DED-L Ti6Al4V的显微组织的演变,同时用于DED-L In718合金的析出动力学的模拟。只管这些盘算效果提供了相分数的可靠效果,但他们却不能提供形貌方面的信息。相变模拟手段被用来解决小长度规模内的显微组织的特征。

例如,相场模拟铝合金的显微组织演变时则出现出枝晶的生长,见图5b。相场模拟同时还被用于镍基高温合金的显微组织的盘算。

在DED-L Ti6Al4V合金时β相向织篮α相的固态相变转变。曾经使用相场模型基于粉末尺度的温度盘算举行模拟。在这些模型中,将物理模型中的孕育、加热和冷却思量进3D的熔体流动中是很是有挑战的。

同样,界限条件中的能量场的界说也是如此。相分数演变在实验数据和盘算数值方面定量数据的缺乏(在长度方面同部件相比)增加了难题。图5 金属打印时差别类型的机械模型的效果晶粒结构演变的盘算晶粒的形貌、尺寸和方位影响着部件的机械性能和化学性能。

晶粒尺寸的空间变化和形貌可以通过差别偏向一定的截面来视察。然而,取决于所选取的平面,柱状晶有可能在某些截面看起来像等轴晶。基于Monte Carl的晶粒生长的模拟可以明白打印部件的晶粒结构。

这些模型可以模拟差别晶粒形貌的过渡状态,如柱状晶向等轴晶的转变,在同方位相关的凝固状态下晶粒生长偏向的变化以及多个热循环时固态下晶粒生长偏向的变化以及多个热循环时固态晶粒的生长等。晶粒形貌的孕育密度的影响的盘算则讲明等轴晶的数量随着孕育密度的CET的增加而变化,此时孕育密度比力大。3D晶粒的生长模型可以展现晶粒结构的演化和提供有关晶粒形貌、尺寸和偏向以及织构方面的信息。

这些盘算需要温度场的3D瞬时信息、熔化区的尺寸、局部的温度梯度和在差别方位的凝固生长速率,所有这些可以通过热模拟和流体的模拟来获得。晶粒从部门熔化的晶粒举行外延生长和遵从。


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