微观组织模块-Deform Microstructure
环钢多火次锻造微观组织演变及模拟
％一·一ｐ－－０．６９３（景）Ｌ ６］㈤
动态再结晶晶粒尺寸为
ｄ壤ｘ一１．１５９ Ｘ １０６孑。０·２７７
（７）
４）静态模型
‰＝１－－ｅｘｐ［－ｏ．６９３（甜７０２］㈣
妣＿８．４７×１０＿１６∥９￡３‘３２３ｅｘｐ（紫】（９）
‰＝２．９８×１嘲ｍ￡＿１．Ⅳｅｘｐ（《严）
５）亚动态模型
（１０）
万方数据
‰＝１－－ｅｘｐ［－－Ｏ．６９３（科１０２］㈣，
ｄＡ玩ａ，；ｇ乩ｘ＝６１５０×３１删旷崩毛言－＇－０ｏ．－Ｓ３Ｚ１％２ｅｘｘｐｐ（（带警））（（１１３２））
６）晶粒长大模型
科～一．Ｄ８’９＝２．２ Ｘ １０２６ｅｘｐ（锷产）·ｔ
（１４）
式中三——应变速率 ％——峰值应力
ＲＺ—－－—Ｚｅ气ｎｎ体ｅ常ｒ－数Ｈｏ，ｌｌＲｏ＝８ｍ．ｏｎ３参１Ｊ数／（ｍｏｌ·Ｋ）
１微观组织演变模型
Ｍｎｌ８Ｃｒｌ８Ｎ钢属于奥氏体不锈钢，只能采用动 静态再结晶细化。研究通过Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ热模拟 实验获得热力参数，结合金相组织进行数据回归与 分析，获得下述模型参数。
１）峰值应力的双曲正弦应力应变模型
三一６．３４ Ｘ １０１６［ｓｉｎｈ（０．００７％）］４．７６ｅｘｐ（笔产）
第２期
何文武等：Ｍｎｌ８Ｃｒｌ动态再结晶晶粒；二火变形后，难变形区仍是粗大 的奥氏体组织，而大变形区和小变形区晶粒则细小均 匀，且大变形区晶粒沿晶界都生成了细小的动态再结 晶晶粒。原因是大变形区和小变形区在第二次加热 中发生了静态或亚动态再结晶，细化了晶粒，使得第 二次变形的初始组织细匀化，而难变形区由于在第一 次变形应变较小，没有达到发生静态再结晶的临界应 变，在第二次加热过程中，只发生静态回复和晶粒长 大，所以晶粒粗大；三火变形后，难变形区部分粗大的 奥氏体组织细匀化，大变形区和小变形区晶粒细小均 匀，大变形区沿晶界生成了细小的动态再结晶晶粒。
激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展
第53卷第1期表面技术2024年1月SURFACE TECHNOLOGY·15·激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展竺俊杰1，王优强1,2*，倪陈兵1,2，王雪兆1，刘德建1，房玉鑫1，李梦杰1（1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520）摘要：激光选区熔化（SLM）技术与激光熔化沉积（LMD）技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。
针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。
其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。
发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。
此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。
最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。
关键词：激光选区熔化；激光熔化沉积；钛合金；微观组织；力学性能；热处理中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)01-0015-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.01.002Research Progress on Microstructure and Mechanical Propertiesof Titanium Alloy by Laser Additive ManufacturingZHU Junjie1, WANG Youqiang1,2*, NI Chenbing1,2, WANG Xuezhao1,LIU Dejian1, FANG Yuxin1, LI Mengjie1(1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China;2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Shandong Qingdao 266520, China)ABSTRACT: Selective laser melting (SLM) technology and laser melting deposition (LMD) technology are becoming收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-06-15Received：2022-11-30；Revised：2023-06-15基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME063）Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)引文格式：竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 等. 激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(1): 15-32.ZHU Junjie, WANG Youqiang, NI Chenbing, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy by Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(1): 15-32.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年1月increasingly close to the properties of manufactured titanium alloys and forgings, which have great potential for applications in aerospace, biomedical and other fields. However, the poor surface quality, large residual stresses and the presence of internal holes in the formed Ti6Al4V alloy components affect the mechanical properties of the components, thus limiting their large-scale application. To address this situation, this work firstly outlined the manufacturing principles of selective laser melting and laser melting deposition, compared the forming parameters and characteristics of the two additive manufacturing technologies, and analyzed the advantages and applications of the two different forming technologies. Since the selective laser melting technique could adjust the thickness of the laying powder, a smaller laser spot diameter was chosen to improve the surface quality and dimensional accuracy of the formed components. The laser melting and deposition technology adopted coaxial powder feeding for faster processing and was more suitable for manufacturing medium to large metal parts.Secondly, the effects of laser power, scanning speed, laser scanning pitch, powder thickness and powder bed temperature on the forming of titanium alloys by SLM process and the effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the forming of titanium alloys by LMD process were reviewed from the forming process parameters of the two additive manufacturing technologies, revealing the intrinsic effects of forming parameters, microstructure and mechanical properties in the additive manufacturing process. The direct parameters of the forming process were found to affect the degree of powder melting, fusion quality and forming microstructure, thus affecting the organization and mechanical properties of the formed parts. The effect of laser power and scanning speed on the forming process was more obvious than other factors, and there was a greater correlation between them, and a combination of lower laser power and higher scanning speed could be adopted to obtain specimens with higher microhardness. In addition, the effects of different scanning strategies on the surface quality and mechanical properties of titanium alloys formed by the two additive manufacturing techniques were reviewed, and it was found that the surface quality, residual stress and tensile strength of different regions of the same specimen surface under different scanning strategies differed significantly, and anisotropy existed between different surfaces of the specimen under the same scanning strategy. Finally, the effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of titanium alloys were investigated, and suitable heat treatments could reduce the stresses and regulate the phase changes and properties of formed components. Two heat treatments, annealing and solution aging, can be combined to balance the strength and plasticity of the component. To summarize the research development of these two additive manufacturing technologies, it is necessary to accelerate the establishment of a complete system of methods under the forming process and forming environment, and to promote the research on the mechanism of microstructure evolution and macro mechanical properties influence.KEY WORDS: selective laser melting; laser melting deposition; titanium alloy; microstructure; mechanical properties; heat treatment由于钛合金有着比强度较高、生物相容性较好以及耐腐蚀性能好的优势，因此在全球范围内广泛应用于生物医疗与航空领域[1-2]。
DEFORM二次开发各模块介绍
材料本构模型是实现计算机数值模拟的前提条件之一，【关于计算机数值模拟技术的发展介绍】本论文所采用的有限元模拟软件DEFORM-3D进行材料的微观组织模拟介绍，DEFORM-3D 有限元软件是集成了原材料、成形、热处理和机加工为一体的软件，可用于分析各种塑性体积成形过程中金属流动以及材料的应力、应变和温度等物理场量的分布变化情况，同时提供了材料的流动、模具间的填充、成型过程的载荷量、模具所受应力、材料的纤维流向、成型过程的坯料形成、材料的韧性断裂以及金属微观组织结构等信息。
为了实现在金属成形工艺模拟过程中进行微观组织演化的定量预测，所使用的模拟软件必须有包含微观组织变化的本构模型和专门的微观组织演化分析模块。
当前国际上虽然有多个知名商业有限元软件流行，但是它们都不具备微观组织演化的预测功能;或者软件具有微观组织变化的本构模型，但仍需使用者输入材料的参数方可进行，而软件不提供材料的参数;故很多软件都淡化此微观组织演化分析模块。
庆幸的是多数商业软件都为二次开发设置了用户子程序功能，通过编制用户子程序就能实现对微观组织演化的预测功能。
用户自定义本构模型的输入方法在当今的科学研究方向中，新材料的开发占据了一个重要的角色。
不同的材料工作者开发了不同的新材料，得到了不同的本构模型，需要对这种新材料进行模拟，为了满足这种需求，DEFORM提供了两种用户自定义本构模型的输入方法：（1）以函数形式输入本构模型。
DEFORM提供了若干常用本构模型，如图4.6所示。
若用户的本构模型与系统提供的本构模型一致，则可直接输入其相关系数即可；若用户的本构模型在系统中不存在，则可通过二次开发编程的方式将用户的本构模型加入到DEFORM中，然后在图4.6中选择“User routine”并输入所调用的本构模型子程序的编号。
(2)以数据形式输入本构模型。
DEFORM还允许通过输入数据的方式来定义材料的塑性流动行为。
具体方法是根据材料的真应力一真应变曲线，取若干个数据点，逐个输入该材料在某个温度、某个变形速率和某个真应变下的真应力。
土木工程材料的基本性质1
密切关系。
二、材料的结构（structure）
材料的结构是指材料的内部组织情况，分为三 个层次:
微观结构 （micro-structure） 细观结构 （meso-structure） 宏观结构 （macro-structure）
（一）微观结构（microstructure）
粒所填充的程度。
' V0 0 D' 100% 100% V '0 0
D' P ' 1
二、材料与水有关的性质 （properties related to water）
水对材料有诸多不利的影响，如表观密度增加，导 热性增加，强度下降，体积膨胀，易受冰冻破坏。
（一）、亲水性与憎水性 Hydrophilic and Hydrophobic
4、孔隙率（porosity）
孔隙率是指材料中孔隙体积与总体积的百分比。：
Vp
V0 V 0 P 100% (1 ) 100% V0
V0 V
孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。
5、密实度（solidity）
密实度是指材料的体积内被固体物质充实的程度。
0 V D 100% 100% V0
下的强度和变形性质。
耐久性(durability)--在各种侵蚀环境下经久 耐用的性质。
第一节 材料的组成、结构及构造
Composition, structure and configuration
材料的组成、结构及构造是决定材料
性质的内在因素。
一、材料的组成 the Composition
材料的组成是指材料的化学组成和矿物组成。
DEFORM相关模块介绍
DEFORM相关模块介绍DEFORM相关模块介绍1、DEFORM-2D在同⼀集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性等，主要⽤来分析成形过程中平⾯应变和轴对称等⼆维材料流动，适⽤于热、冷、温成形，⼴泛⽤于分析锻造、挤压、拉拔、开坯、镦锻和许多其他⾦属成形过程，提供极有价值的⼯艺分析数据，如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应⼒和缺陷产⽣发展情况等。
包含了DEFORM的核⼼功能。
⽀持PC平台的Windows XP/Vista系列操作系统，⽀持UNIX/LINUX系统。
2、DEFORM-3D在同⼀集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性等，主要⽤于分析各种复杂⾦属成形过程中三维材料流动情况，适⽤于热、冷、温成形，提供极有价值的⼯艺分析数据，如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应⼒和缺陷产⽣发展情况等，DEFORM-3D功能与2D类似，但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。
⽀持PC平台的Windows XP/Vista 系列操作系统，⽀持UNIX/LINUX系统。
3、DEFORM-F2集成前处理、求解器和后处理于⼀体的独⽴分析系统，具有向导式的操作界⾯，使得⽤户可以⽅便地建⽴模型并完成分析过程。
主要⽤于典型的平⾯应变和轴对称等⼆维材料流动的冷、温、热成形以及传热过程分析。
相对于DEFORM-2D，DEFORM-F2更容易使⽤，⽤户能够很轻松完成前处理设置。
但是软件功能上有⼀些限制，⽐如：⽀持材料本构类型相对于DEFORM-2D较少，不⽀持⽤户⼦程序，不能设置复杂的边界条件，不能配置ADD-ON的模块，只能⼿动设置多步成形等等。
在PC平台的Windows XP/Vista系列操作系统下使⽤。
4、DEFORM-F3与DEFORM-F2类似，DEFORM-F3为3D的简化版本。
相对于DEFORM-3D，DEFORM-F3更容易使⽤，主要⽤于分析各种复杂⾦属成形过程中三维材料流动情况，对于典型成形过程，具有向导化的操作界⾯，⽤户能够很轻松完成前处理设置。
DEFORM
● 提高模具设计效率，降低生产和材料成本。
● 缩短新产品的研究开发周期。
● 分析现有工艺方法存在的问题，辅助找出原因和解决方法
产品特色
■ 友好的图形界面
DEFORM专为金属成形而设计，具有windows风格的图形界面, 可方便快捷地按顺序进行前处理及其多步成形分析 操作设置，分析过程流程化，简单易学。另外，DEFORM针对典型的成形工艺提供了模型建立模板，采用向导式操作步 骤，引导技术人员完成工艺过程分析。
DEFORM
——金属成形及热处理专业仿真环境
行业化专用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
产品关键词
DEFORM
——
● 金属成形
- 包括锻造、挤压、拉拔、开坯、轧制、粉末成形、烧结、冲压及冲裁等 工艺以及锻坯优化设计。
● 热处理
- 包括正火、退火、淬火、回火、时效处理、渗碳、蠕变、高温处理、相 变、金属再结晶、硬化、晶粒生长和时效沉积、感应加热、电阻加热 等。
变的可视化观测。 ● 可通过显式算法计算金属断裂过程的微观孔洞的形成及组织裂纹。
DEFORM
DEFORM
金属成形及热处理专业仿真环境
■ 切削过程分析
● 模拟车、铣、刨及钻孔等机械加工过程。 ● 模拟切削过程工件温度、变形及切屑产生。 ● 预测切削刀具的受力、温度变化。 ● 评估刀具的磨损情况。 ● 模拟切削过程中工件发生的热处理相变。 ● 可以分析各种材料金相，每种金相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。 ● 混合材料的特性取决于热处理模拟中每一步的各种金属相的百分比。
DEFORM
ProCAST微观组织设置教程
形核过冷度
Critical undercooling Copyright © ESI Group, 2006. All rights reserved. 6
Microstructure – 设置
形核长大参数(eutectic共析钢)
Eutectic Growth
Copyright © ESI Group, 2006. All rights reserved.
Copyright © ESI Group, 2006. All rights reserved.
18
Microstructure – 验证
Trends for microstructure of Cast Iron
增大 EUNUC and EUPOWER 值会减少 graphite nodule 和 austenite grains 晶粒越大,越容易生成珠光体 奥氏体半径越小,铁素体数量越多 bigger grains to more pearlite 凝固过程中冷却速率的影响
Cooling rate effect arround eutectoïd transformation共析出转变 温度附近(720°C)冷却速率的影响
快: more pearlite更多的珠光体 慢: more ferrite更多的铁素体
Copyright © ESI Group, 2006. All rights reserved.
Coupled/Uncoupled
计算慢 结果更精确 小步长
计算快 结果精度一般 需要控制时间步长
9
Copyright © ESI Group, 2006. All rights reserved.
Microstructure –
基于 DEFORM-3D 7050 铝合金动态再结晶 元胞自动机模拟
易幼平，刘超，黄始全
(中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：通过热模拟实验与金相实验建立 7050 铝合金流变应力模型与动态再结晶的元胞自动机模型(CA 模型)，
该模型综合考虑动态回复、位错密度以及形核率等因素对动态再结晶的影响。应用 DEFORM-3D 有限元软件模拟
7050 铝合金自由锻过程与微观组织演变，研究工艺参数与锻件变形程度对微观组织的影响。研究结果表明：变形
第5期
易幼平，等：基于 DEFORM-3D 的 7050 铝合金动态再结晶元胞自动机模拟
1815
外学者在此领域进行了大量实验与理论研究。Rollett 等[1]采用 Monte Carlo 方法对动态再结晶的微观组织 演化进行了模拟，但他们只考虑了形核率和不同变形 条件下存储能的影响。Peczak 等[2−5]将 Monte Carlo 方 法与 KM 模型结合，模拟了加工硬化及动态回复对动 态再结晶微观结构的影响，但由于 Monte Carlo 的局 限性，无法考察晶粒的生长动力学特征。近年来，采 用元胞自动机(Cellular automaton，CA)模拟材料成形 过程微观组织演变规律受到普遍关注。李殿中等[6−7] 采用 CA 法对金属凝固成形过程的再结晶过程进行了 模拟。Hesselbarth 等[8]建立了基于元胞自动机法的初 次再结晶模型，但他们并没有对动态再结晶进行模拟。 Goetz 等[9]在 Hesselbarth 等[8]的基础上对动态再结晶进 行了模拟研究，但他们的模型没有与热加工过程的实 际参数建立关系，因而无法直接考察变形条件对动态 再结晶动力学的影响。总体来说，CA 作为一种时间、 空间、状态都离散的网格动力学模型，目前已应用于 凝固结晶的形核生长、再结晶和相变等过程的模 拟[10−13]，但对于锻造过程中的动态再结晶的模拟还很 少。Deform-3D 是目前用于材料热成形过程模拟的大 型商用软件，其中的 CA 模块可用于模拟材料热成形 过程的微观组织演变规律分析。本文作者利用 DEFORM-3D 软件平台与 CA 模块对 7050 铝合金锻件 自由锻工艺进行仿真分析，利用热力模拟实验确定 7050 铝合金高温流变方程与再结晶模型，建立 7050 铝合金 CA 仿真模型，研究锻造工艺参数对材料内部 组织的影响规律，以便为 7050 铝合金自由锻工艺设 计提供依据。
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微观组织模块-Deform Microstructure
Deform微观组织模块能够计算金属成形及热处理过程中的回复再结晶及组织演变现象，晶粒计算模型包括JMAK模型，元胞自动机模型，中尺度模型等，能够计算晶粒尺寸变化，结晶率，晶界晶向，织构，蠕变、析出等，评估材料的改性问题。
模拟微观组织在金属成形过程、热处理过程及加热、冷却过程中的演变；
模拟晶粒生长，分析整个过程的晶粒尺寸变化；
计算成形及热处理过程中的回复再结晶现象，包括动态再结晶、中间动态再结晶及静态再结晶；
通过微观演变预测总体性能，避免缺陷；
具有多种组织计算模型，包含典型的JAMK方程、CA元胞自动机、Mesoscale中尺度及蒙特卡洛方程；
热锻微观组织晶粒尺寸云图
用户可二次开发自己的晶粒演变模型用于微观组织计算；
具有元胞自动机法可现实微观组织相图、晶粒尺寸、晶界及晶向，实现微观组织演变的可视化观测；
微观组织演变相图
可通过显式算法计算金属断裂过程的微观孔洞的形成及组织裂纹；
微观组织相图计算
预测金属成形过程中各部位的晶粒尺寸变化及晶粒织构的变形；
金属成形晶粒尺寸分布。