Ti-Nb合金因低弹性模量、高比强度、良好的耐腐蚀和无生物毒性等优点而被认为是重要的生物医学材料之一。多孔结构则可进一步降低弹性模量，使其与人骨相匹配，避免应力屏蔽效应。然而，传统方法不适合制造复杂的多孔结构，激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）作为目前最主流的金属增材制造技术之一，是一个可行的解决方案。为了制造出具有优异综合性能的部件，建立合金成分、工艺参数、微观结构和性能之间的关系至关重要。但SLM过程涉及各种复杂的物理和化学现象，如传热、流体流动以及溶质扩散等，且熔池凝固时由于极快的冷却速度而远离平衡状态，目前尚无有效的实验手段能对SLM过程中微观组织的形成与演化过程进行实时原位观察，只能依赖计算机模拟对其进行研究。

近日，华南理工大学材料科学与工程学院王刚等人联合哈尔滨工业大学（深圳）施荣沛教授团队以及德国波鸿鲁尔大学Ingo Steinbach教授团队，在金属材料顶刊《Acta Materialia》上发表题为“Multi-physics simulation of non-equilibrium solidification in Ti-Nb alloy during selective laser melting”的论文。本工作提出了一种多物理方法，将有限界面耗散相场模型与计算流体力学模型以及粉末床模型耦合，研究了Ti-Nb合金在SLM过程中的非平衡凝固微观组织演化。通过计算流体力学预测不同激光功率和扫描速度下的熔池形貌和温度分布，并提取熔池边界处的温度梯度和冷却速度值作为相场模型的输入。研究了快速凝固过程中的溶质截留效应，以及过冷度和界面渗透率对Nb溶质扩散的影响。最后，系统研究了温度梯度和冷却速度对非平衡凝固微观组织和微偏析的影响。这项工作揭示了激光选区熔化Ti-Nb合金在多物理场共同作用下微观组织形成与演变机理，进而预测和指导实验。

论文链接：

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

图1展示了Ti-25Nb (at.%)合金在（a）块体模型（BM）和（b）粉末床模型（PBM）下的SLM单熔道形貌和整体温度分布（俯视图），以及两种模型下（c）熔池中心和底部位置沿X轴的温度分布和（d）该线上中心点的温度演化情况。

图2展示了采用粉末床模型时（a）激光功率和（b）扫描速度对Ti-25Nb (at.%)合金单道SLM熔池内温度梯度（G）和冷却速度（Rc）最大值和最小值的影响。

图3展示了Ti-25Nb (at.%)合金在给定温度梯度下的（a）二维温度场；（b）四次对称的单个枝晶形貌；（c）枝晶A、B两端溶质分配系数vs.界面移动速度的相场模拟（PFM）结果及与连续生长模型（CGM）、局域非平衡模型（LNM）分析解的比较。

图4展示了Ti-25Nb (at.%)合金单道SLM时相场模拟所得到的（a）胞状组织以及Nb浓度沿（b）线A、（c）线B和（d）线C的分布情况。

图5展示了Ti-25Nb (at.%)合金单道SLM时（a）熔池形貌及其温度分布，（b-d）在熔池不同位置的凝固微观组织，以及（e）与实验观察的比较。