增材制造镍基高温合金成形过程数值模拟研究进展 ...l 【焦点 l 模拟、AI】

根据3D科学谷的市场洞察，数值模拟以及机器学习在每个特定领域发挥着越来越重要的作用，包括：缺陷检测和纠正、在构建过程中和构建之后减少残余应力和故障、原位计量和设计精度、微结构设计、合金设计和优化。

本期，通过节选近期国内在模拟、人工智能算法等方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的发展近况。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

增材制造镍基高温合金成形

过程数值模拟研究进展

胡勇1,2,3张文格1,2,3马好放1,2王泽1,2杨小康1,2

1. 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室2.兰州理工大学材料科学与工程学院3.兰州理工大学温州泵阀工程研究院

摘要：

增材制造技术为镍基高温合金复杂零部件的制造带来了前所未有的机遇，然而在实验研究和实际生产中仍然面临着较大的竞争压力，制约了增材制造镍基高温合金的快速发展。

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近年来，不同尺度的模拟方法逐步应用于指导镍基高温合金的增材制造和开发。具体来说，宏观尺度模拟关注成形过程中的热历史、成形控制、残余应力分布和力学行为；介观尺度模拟主要用于解决成形过程中的激光吸收、熔池内熔体流动、熔化凝固、缺陷形成以及裂纹防治等问题；微观尺度模拟则聚焦于制造过程中构建材料的微观组织演化；而多尺度模拟通过耦合不同类型的模型，实现了材料成形过程中的跨尺度研究。

本课题通过综述宏观、介观和微观以及多尺度条件下镍基高温合金增材制造过程数值模拟研究进展，分析了不同模拟方法对于解决增材制造镍基高温合金成形和控性相关问题的策略和思路。最后，针对如何推动数值模拟在增材制造镍基高温合金开发中的应用进行了展望，并指出其发展方向。

基于晶粒形貌的

增材制造力学行为数值模拟

王艺飞、陈静远、张昭

大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室

摘要：

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为，本课题建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场，建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化，建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律，从而修正位错动力学模型，得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为，且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能，在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时，屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化，这主要是晶粒球化导致的。

增材铜合金拉伸力学行为的

卷积神经网络预测

肖庆晖1张仁嘉2刘士杰3胡文轩1吕晨晞1朱思瑛1易敏1

1. 南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室2.北京宇航系统工程研究所3.北京航天动力研究所低温液体推进技术实验室

摘要：

深度学习因其在处理复杂数据和解决复杂问题方面的显著优势而备受关注，已应用于材料性能预测领域。

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本课题提出了一种结合卷积神经网络模型与晶体塑性有限元方法的预测框架，在晶体塑性模型中考虑了增材铜合金(CuCrZr)固溶强化、位错强化以及晶界强化的贡献，实现了基于增材铜合金的晶体学织构极图、微结构图和晶粒尺寸预测单轴拉伸力学行为的目标。

首先，基于实验结果对晶体塑性模型参数进行校正，验证了模型的准确性及预测能力。随后，使用参数校正后的晶体塑性模型对增材铜合金不同的代表体积元进行了一系列的有限元模拟，并利用这些模拟结果对卷积神经网络模型进行了训练、验证与测试。研究结果表明，该卷积神经网络模型在保证预测精度的同时，显著减少了计算时间，展示了其在增材铜合金力学性能预测方面的应用前景。

激光熔覆四通道喷嘴

结构参数对外流场的影响研究

陈春雨1,2邵中魁2沈小丽2鲁玉军1

1. 浙江理工大学机械工程学院2.浙江省机电设计研究院有限公司新技术研究所

摘要：

为了解决激光熔覆四通道同轴送粉喷嘴粉末流汇聚效果不佳这一问题，对四通道同轴送粉喷嘴的结构参数进行了仿真优化研究。首先，建立了喷嘴二维结构图，利用理论模型分析了喷嘴结构参数对粉末汇聚形态的影响；然后，基于气固两相流理论，采用有限元仿真软件对激光熔覆四通道喷嘴的结构参数进行了仿真分析，探究了不同结构参数下粉末流参数的变化规律，以及外流场浓度的分布规律，得到了合理的结构参数范围；最后，对参数优化后的喷嘴进行了送粉测试，根据测试结果与仿真结果进行了对比验证。

研究结果表明：当喷嘴粉管倾角增大时，焦距增大，同时粉末浓度快速增大后稳定，倾角在60°～75°间合适；当喷嘴粉管内径增大时，粉末浓度和焦距先增大后减小，粉斑直径则先减小后增大，内径在1.5 mm左右合适；当喷嘴粉管出口处间距增大时，焦距增大，间距在12 mm左右合适；当喷嘴入射管内径增大时，送粉速度增大，同时粉末浓度减小，入射管内径应尽量与输送管匹配；当喷嘴外保护气倾角为35°～65°时，保护气作用在粉流汇聚处。测试结果验证了模型的准确性，其粉斑直径为2.2 mm，粉末焦距为16.1 mm，粉末汇聚效果良好。该模型可为改善喷嘴送粉效果提供参考。

激光选区熔化钨基复合材料

形貌演变及缺陷形成机制研究

乔湛1胡章平2

1. 国家能源集团新能源技术研究院有限公司2.南京航空航天大学航天学院

摘要：

钨基复合材料具有优异的综合性能，如高熔点、优异力学性能、低热膨胀系数、高硬度、良好热导率及优异耐腐蚀性能等，因此被广泛应用于航空航天、核工业、医疗装备及电子器件等领域。针对传统粉末冶金工艺制备钨基复合材料存在的结构设计受限及性能提升困难等瓶颈问题，采用激光选区熔化（SLM）技术制备钨基复合材料。

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首先，研究了激光体积能量密度对W-Y2O3钨基复合材料物相结构的影响；其次，研究了激光体积能量密度对W-Y2O3钨基复合材料表面形貌及内部组织演变行为的影响；最后，阐明了SLM成形W-Y2O3钨基复合材料缺陷形成机制。

结果表明：通过优化SLM成形工艺参数可以抑制未熔化球形粉、孔洞及表面凹凸不平等缺陷的形成，但依旧无法抑制钨基复合材料中裂纹成形缺陷的萌生。SLM工艺特性引入的高温度梯度和高热应力与钨的高韧脆转变温度二者协同作用能够诱导裂纹萌生，并沿着低结合强度钨晶界进行扩展形成网状裂纹。本研究的开展不仅能为SLM成形钨基复合材料缺陷形成机制提供理论基础，还为增材制造制备无成形缺陷钨基复合材料提供技术支撑。

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