Ti-Nb合金因低彈性模量、高比強度、良好的耐腐蝕和無生物毒性等優點而被認為是重要的生物醫學材料之一。多孔結構則可進一步降低彈性模量，使其與人骨相匹配，避免應力屏蔽效應。然而，傳統方法不適合制造復雜的多孔結構，激光選區熔化（Selective Laser Melting, SLM）作為目前最主流的金屬增材制造技術之一，是一個可行的解決方案。為了制造出具有優異綜合性能的部件，建立合金成分、工藝參數、微觀結構和性能之間的關系至關重要。但SLM過程涉及各種復雜的物理和化學現象，如傳熱、流體流動以及溶質擴散等，且熔池凝固時由于極快的冷卻速度而遠離平衡狀態，目前尚無有效的實驗手段能對SLM過程中微觀組織的形成與演化過程進行實時原位觀察，只能依賴計算機模擬對其進行研究。

近日，華南理工大學材料科學與工程學院王剛等人聯合哈爾濱工業大學（深圳）施榮沛教授團隊以及德國波鴻魯爾大學Ingo Steinbach教授團隊，在金屬材料頂刊《Acta Materialia》上發表題為“Multi-physics simulation of non-equilibrium solidification in Ti-Nb alloy during selective laser melting”的論文。本工作提出了一種多物理方法，將有限界面耗散相場模型與計算流體力學模型以及粉末床模型耦合，研究了Ti-Nb合金在SLM過程中的非平衡凝固微觀組織演化。通過計算流體力學預測不同激光功率和掃描速度下的熔池形貌和溫度分布，并提取熔池邊界處的溫度梯度和冷卻速度值作為相場模型的輸入。研究了快速凝固過程中的溶質截留效應，以及過冷度和界面滲透率對Nb溶質擴散的影響。最后，系統研究了溫度梯度和冷卻速度對非平衡凝固微觀組織和微偏析的影響。這項工作揭示了激光選區熔化Ti-Nb合金在多物理場共同作用下微觀組織形成與演變機理，進而預測和指導實驗。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119923

圖1展示了Ti-25Nb (at.%)合金在（a）塊體模型（BM）和（b）粉末床模型（PBM）下的SLM單熔道形貌和整體溫度分布（俯視圖），以及兩種模型下（c）熔池中心和底部位置沿X軸的溫度分布和（d）該線上中心點的溫度演化情況。

圖2展示了采用粉末床模型時（a）激光功率和（b）掃描速度對Ti-25Nb (at.%)合金單道SLM熔池內溫度梯度（G）和冷卻速度（Rc）最大值和最小值的影響。

圖3展示了Ti-25Nb (at.%)合金在給定溫度梯度下的（a）二維溫度場；（b）四次對稱的單個枝晶形貌；（c）枝晶A、B兩端溶質分配系數vs.界面移動速度的相場模擬（PFM）結果及與連續生長模型（CGM）、局域非平衡模型（LNM）分析解的比較。

圖4展示了Ti-25Nb (at.%)合金單道SLM時相場模擬所得到的（a）胞狀組織以及Nb濃度沿（b）線A、（c）線B和（d）線C的分布情況。

圖5展示了Ti-25Nb (at.%)合金單道SLM時（a）熔池形貌及其溫度分布，（b-d）在熔池不同位置的凝固微觀組織，以及（e）與實驗觀察的比較。