随着金属增材制造过程仿真分析工具功能的进一步增强，金属增材仿真分析的价值将逐渐显现。开展多尺度的金属增材过程仿真分析，对于降低金属增材制造成本、提高制造质量、缩短研发周期具有重要的意义。
继谷.专栏安世亚太仿真专家分享的《上篇-案例展示金属增材制造过程仿真分析-宏观尺度》，本期谷专栏文章进行关于金属增材制造过程微观尺度的仿真分析分享。
微观尺度增材制造过程仿真分析
微观尺度增材制造过程仿真分析，主要关注熔池特征、微观组织结构特征及详细的温度变化历史特征，通过快速计算不同工艺参数组合下熔池尺寸、未熔合产生的孔隙率以及微观结构晶粒尺寸、取向等来优化工艺参数，最终实现成形材料力学性能的调控。
-通过熔池尺寸特征优化不同激光功率、扫描速率组合
金属增材制造成形质量很大程度上由微观熔池尺寸特征决定，而激光功率、扫描速率是控制熔池尺寸特征的基本参数，较优的激光功率、扫描速率匹配组合，可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的产生。ANSYS Additive Science工具可以计算不同激光功率、扫描速率组合下的熔池尺寸，快速找到较优的组合匹配，实现工艺参数的优化。
以某国际知名品牌激光粉末床熔化设备TC4大层厚60µm工艺参数优化为例，计算激光功率300W~450W，扫描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度达到90µm，深宽比小于0.95，长宽比小于4.2为优化准则，选择最优激光功率、扫描速率组合匹配，图7~9为计算结果，最终优化的最优匹配结果为350W、1300mm/s组合。
图7 不同激光功率、扫描速率熔池重熔深度。来源：安世亚太
图8 不同激光功率、扫描速率熔池深宽比。来源：安世亚太
图9 不同激光功率、扫描速度熔池长宽比。来源：安世亚太
-分析不同扫描间距下粉末未熔合产生的孔隙率
确定激光功率、扫描速率的较优匹配之后，不同的扫描间距将产生不同的搭接率，较大的扫描间距，可能产生未熔合等材料内部冶金缺陷，较小的扫描间距可能导致搭接率过大，影响成形效率及表面质量。利用ANSYS Additive Science工具计算不同扫描间距下材料未熔合产生的孔隙率，实现激光功率、扫描速率、扫描间距的综合参数优化。
在2.1得到的较优激光功率、扫描速率组合匹配基础上，进一步计算不同扫描间距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如图10所示），以粉末率小于0.005作为优化准则。最终优化结果为，当扫描间距达到0.15mm时，粉末率达到0.0047，因此，优化结果为扫描间距将不能大于0.15mm。
图10 不同扫描间距下粉末未熔合孔隙率。来源：安世亚太
-分析不同工艺参数下晶粒尺寸、取向特征
材料的微观组织结构特征晶粒尺寸、形状、生长取向等决定了材料的宏观力学性能。金属增材制造过程中，微观组织结构对加工工艺参数具有较高的敏感性，研究工艺参数与微观组织结构特征的定量关系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以计算不同工艺参数下晶粒尺寸、生长取向。图11为不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果，材料为高温合金GH4169。
图11 不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果。来源：安世亚太
熔池的冷却速率影响微观晶粒组织，从计算结果可以看出，随着冷却速率（主要由激光功率、扫描速度决定）的增加，晶粒尺寸细化，平均粒径大约由45µm细化到15µm，晶粒分布也越均匀。层间旋转角度不仅对晶粒取向影响明显，对晶粒尺寸分布影响也较为显著，67°旋转较79°和180°晶粒尺寸分布更加均匀。此外，从计算结果也可以看出，水平方向上晶粒组织由于散热条件的不同，晶粒生长方向各异，水平方向与垂直方向晶粒组织差异明显。
基于晶粒尺寸定量计算结果，可以进行材料宏观力学性能预测。对于大多数材料，晶粒尺寸可以预测材料的屈服强度，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d为晶粒直径，σ0和Ky是材料常数，可以定量计算材料的屈服强度。建立工艺参数与晶粒组织的定量关系，对于精确控制成形材料的组织及力学性能具有重要意义。
-构件几何尺度的温度历史预测
金属增材制造过程质量监控必不可少，增材制造设备也将更加智能化，温度传感器（实时监测熔池温度）、光敏传感器（实时监测熔池亮度、面积）、智能铺粉、实时成形材料缺陷监测等设备实时监控技术已经成为应用热点。
利用温度传感器可以实时获取熔池表面的温度变化及分布特征，但很难精确描述熔池内部的温度演变历史。利用仿真手段，对构件几何尺度任意区域的详细温度变化历史进行虚拟预测（如图12所示），可以为构件成形精度、内部缺陷、微观组织及力学性能的质量追溯、分析评价提供温度历史数据。
图12 温度历史监测结果。来源：安世亚太
郭鹏伟
安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。
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