上海大學(xué)《Additive Manufacturing》：多物理場模擬揭示激光增材制造高溫合金固態(tài)開裂機(jī)理

近日，上海大學(xué)任忠鳴教授團(tuán)隊圍繞“難焊鎳基高溫合金激光增材制造開裂控制”持續(xù)開展研究，在固態(tài)裂紋的多物理場耦合模擬與實驗驗證方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)論文 “Cracking behavior in laser powder bed fusion of non-weldable Ni-based superalloys: A multi-physics numerical and experimental study” 發(fā)表于增材制造行業(yè)頂刊《Additive Manufacturing》。第一作者為郭鎧博士，通訊作者為陳超越教授、徐松哲副教授和任忠鳴教授。

激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)為航空航天發(fā)動機(jī)熱端部件的制造提供了全新路徑，但難焊鎳基高溫合金在打印過程中的嚴(yán)重開裂問題長期制約其工程應(yīng)用。固態(tài)裂紋涉及工藝參數(shù)、溫度場、應(yīng)力分布、晶粒形態(tài)與取向以及合金成分之間的復(fù)雜耦合，其形成與擴(kuò)展機(jī)制一直缺乏清晰揭示，缺乏直接模擬裂紋萌生與擴(kuò)展的多物理場全耦合模型。

針對這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊開發(fā)了一套跨尺度多物理場模擬框架。該框架整合了宏觀熱積累模擬、熔池尺度熱場仿真、元胞自動機(jī)（CA）微觀組織演化、晶體塑性有限元（CPFEM）與內(nèi)聚力裂紋模型（CZM），首次在增材制造中實現(xiàn)了熱場→微觀組織→晶體塑性→裂紋擴(kuò)展的全鏈路直接模擬。

圖1 跨尺度熱—組織—晶體塑性—裂紋多物理場耦合模擬框架

團(tuán)隊完整捕捉了固態(tài)裂紋的萌生與擴(kuò)展過程。在激光照射階段，熱影響區(qū)受到壓縮熱應(yīng)力，裂紋被有效抑制；冷卻至約200°C時，拉伸殘余應(yīng)力開始形成，峰值達(dá)470 MPa，驅(qū)動裂紋沿晶界萌生。隨著進(jìn)一步冷卻，裂紋持續(xù)形核與擴(kuò)展，而裂紋的形成又部分釋放了局部應(yīng)力。至冷卻后期，最大拉伸應(yīng)力降至約238 MPa，裂紋停止擴(kuò)展，應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定。

圖2 增材制造過程中的原位應(yīng)力演化與裂紋形成過程

裂紋擴(kuò)展行為在不同晶粒形態(tài)中表現(xiàn)出顯著差異，晶粒形態(tài)對裂紋路徑的主導(dǎo)作用是該研究的一大核心發(fā)現(xiàn)。在等軸晶結(jié)構(gòu)中，曲折的晶界有效阻礙裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展被有效終止。而在柱狀晶結(jié)構(gòu)中，平直的晶界為裂紋提供了連續(xù)擴(kuò)展通道，最終形成長穿透裂紋。

圖3 不同晶粒形態(tài)下的裂紋擴(kuò)展行為：等軸晶結(jié)構(gòu)（a）vs 柱狀晶結(jié)構(gòu)（b）

對裂紋行為與微觀結(jié)構(gòu)特征的定量關(guān)聯(lián)分析揭示了更為精確的規(guī)律：在三種工藝參數(shù)下，平均裂紋長度均約為平均晶界長度的三分之一，且這一比例關(guān)系在不同參數(shù)下保持穩(wěn)定。裂紋密度與平均晶粒尺寸、形狀因子均呈正相關(guān)——更細(xì)小的等軸晶意味著更多的晶界面積和更曲折的晶界路徑，從而有效阻礙裂紋擴(kuò)展。這一發(fā)現(xiàn)表明：裂紋敏感性主要由微觀組織特征主導(dǎo)，而僅憑打印后的殘余應(yīng)力統(tǒng)計不足以全面評估裂紋風(fēng)險。

圖4 裂紋長度與微觀結(jié)構(gòu)因子的定量關(guān)聯(lián)分析

基于模擬結(jié)果的指導(dǎo)，團(tuán)隊在CM247LC合金上進(jìn)行了系統(tǒng)的LPBF實驗驗證。隨掃描速度從1800 mm/s降至1000 mm/s，EBSD表征證實了由柱狀晶向等軸晶的微觀組織轉(zhuǎn)變，平均晶粒尺寸從29.6 μm細(xì)化至15.2 μm。與組織演變相對應(yīng)，裂紋密度從1.35 mm/mm2驟降至0.05 mm/mm2，降幅高達(dá)96%。特別值得關(guān)注的是，在低掃描速度條件下，固態(tài)裂紋被完全消除——表征顯示殘余微缺陷主要為孤立的凝固微裂紋，其工程危害遠(yuǎn)低于連續(xù)貫穿的固態(tài)裂紋，且可通過熱等靜壓（HIP）工藝閉合消除。

圖5 不同掃描速度下CM247LC合金的裂紋形貌與裂紋密度演化

論文信息

Kai Guo, Songzhe Xu, Lv Zhao, Ruixin Zhao, Yuyang Hou, Jiang Wang, Chaoyue Chen, Zhongming Ren. Cracking behavior in laser powder bed fusion of non-weldable Ni-based superalloys: A multi-physics numerical and experimental study. Additive Manufacturing, 2026, 126: 105264. DOI: 10.1016/j.addma.2026.105264

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。

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