【摘 要】
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镁合金作为最轻的金属结构材料在轻量化领域具有广阔前景,研制新型高强耐热稀土镁合金并开发近终形的成形工艺是近年的研究热点。选区激光熔化（selective laser melting,SLM）是一种直接制造零件的增材制造技术,为实现镁合金在汽车部件等轻量化设计制造创造了重要条件。SLM成形件的致密度和力学性能与熔池的凝固行为及微观组织演变有着密切的联系。然而,SLM工艺是一个多物理场交互作用的复杂过
【基金项目】
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陕西省重点研究发展计划（2020GY-255）； 陕西省教育厅科研计划项目（20JC020）； 西安市科技局科研计划项目（2020KJRC0052）；
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镁合金作为最轻的金属结构材料在轻量化领域具有广阔前景,研制新型高强耐热稀土镁合金并开发近终形的成形工艺是近年的研究热点。选区激光熔化（selective laser melting,SLM）是一种直接制造零件的增材制造技术,为实现镁合金在汽车部件等轻量化设计制造创造了重要条件。SLM成形件的致密度和力学性能与熔池的凝固行为及微观组织演变有着密切的联系。然而,SLM工艺是一个多物理场交互作用的复杂过程,特别是熔池尺寸很小,同时熔池的凝固速率很快,采用实验手段对其进行直接实时观测难度极大。发展基于多尺度物理模型的数值模拟方法已经逐渐成为理清SLM熔池凝固行为的重要手段。本文选择具有自主产权的稀土镁合金,基于有限体积法（finite volume method,FVM）和元胞自动机（cellular automaton,CA）方法建立描述快速移动熔池冶金过程的CA-FVM宏-微观耦合模型,在宏观层面考虑了反冲压力和Marangoni对流,微观层面考虑了晶粒的形核和溶质扩散层的交互作用。利用所建立的模型分别模拟了合金SLM熔池凝固中枝晶生长的全过程及柱状晶-等轴晶转变（columnar-to-equiaxed transition,CET）,分别揭示了相同取向和不同取向枝晶的竞争生长和CET机制。同时,开展实验对模拟结果进行验证。研究表明,随着凝固的推进,温度梯度从熔池底部的1.11×10~7K/m逐渐下降到熔池顶部的1.96×10~6K/m,而凝固速率则从0.06 m/s增大到0.37 m/s;在微观层面,热流方向上枝晶生长速度的快慢决定了枝晶在竞争中是否继续生长或者淘汰,而枝晶两侧浓度场的分布决定了枝晶的竞争生长形式。Zr元素显著影响合金在SLM成形过程中的枝晶生长行为,当Zr仅为异质形核核心时,强制冷却、温度梯度和液相溶质浓度梯度共同作用下的液相过冷层导致了CET。Zr溶于镁基体可以显著抑制柱状晶生长,柱状晶所占比例逐渐从40%处逐渐降低至5.6%,并提供足够高的成分过冷促进形核。提高SLM成形过程的基板预热温度有助于提高等轴晶形核数,但晶粒尺寸有所增加。依据相互依存理论,随着镁合金SLM过程中冷却速度的逐渐增加,无形核区（nucleation-free zone,NFZ）随液相溶质扩散层和温度梯度的减小而减小。此外,高冷却速度下,相对于厚度最大值为11.60μm的液相成分过冷层,厚度最大值仅为0.2μm的较窄溶质扩散层对形核的抑制作用有限。
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