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原文出自Materials and Solidification(材料与凝固)期刊
Cite this article:
Shi L, Lyu X, Chen J, et al. Multi-scale simulation of thermal processes and microstructure evolution in wire arc additive manufacturing of 921A steel. Materials and Solidification, 2025, https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580003
文章DOI：10.26599/MAS.2025.9580003
1、导读
电弧增材制造（WAAM）具有设备成本低、沉积效率高以及适用于制造大型部件等优势；921A钢是低合金高强钢，广泛应用于海洋工程和船舶制造等领域。因此，应用WAAM技术对921A钢进行结构制造和部件修复具有重要意义。本工作建立了921A钢WAAM过程中的熔池传热流动和微观结构演变的多尺度模型，将计算流体动力学（CFD）与元胞自动机（CA）方法相结合，利用开源的ExaCA代码进行微观结构模拟。模型成功预测了921A钢WAAM温度场、流场以及沉积层内的微观结构演变。
2、研究背景
921A钢，牌号为10CrNi3MoV，是我国自主生产制造的低合金调质高强钢，具有强度高、良好韧性、优良焊接性和不错的耐蚀性等优点，广泛应用于海洋工程、船舶制造、桥梁建筑等领域。应用电弧增材制造（WAAM）技术对921A钢复杂结构制造和关键部件修复具有重要意义。
实际上，WAAM过程是一个多尺度、多物理场耦合的过程，不仅涉及宏观尺度上的传热传质，还有微观尺度上熔池内的晶粒生长动力学。此外，凝固过程温度梯度高，冷却速率大，涉及材料传热、相变等物理现象，形成复杂的材料微观组织，进而影响最终成形零件的内部质量和力学性能。因此，掌握材料微观组织的演化规律是控制增材部件内部冶金组织一致性和力学性能优异性的关键所在。
随着计算机技术的飞速发展，金属凝固过程中的晶粒尺寸、形貌等微观结构信息在计算机上实现了可视化。宏观尺度的热历史的精确建模为后续微观组织模拟模型提供了关键的输入信息。
3、文章亮点
（1）建立了921A钢WAAM过程中的熔池传热流动和微观结构演变的多尺度模型。
（2）采用921A钢和WM960S丝材为原料，以GMAW电弧为热源进行了单层单道沉积。
（3）采用FLOW-3D软件对921A钢WAAM的宏观温度场和流场进行模拟，模拟与试验的成形尺寸结果基本吻合。
（4）ExaCA模型模拟了熔池横截面的柱状晶沿着熔合线法向熔池中心生长，低温度梯度的熔池中心形成阻挡原始柱状晶粒的形核等轴晶粒。
4、研究结果及结论
模拟的焊接瞬态温度场作用下熔池凝固过程如图1所示。形核晶粒为粉紫色图，外延晶粒为红蓝色图。图1 (a)为模型的等轴微观结构。随后，图1 (b-c)从宏观输入的具有熔化凝固的元胞按熔化顺序初始化为液体状态（蓝色）。
熔合线处的晶粒生长如图1 (d)所示，此时处于凝固初期。熔合线附近温度梯度大、成分过冷区域较小时，对柱状晶的形核及生长有利，此时柱状晶沿着熔合线法向进行生长。
晶粒沿着择优生长方向（温度下降最快的方向）不断长大过程中，由于生长空间的不断减小，存在激烈的竞争生长现象，如图1 (e)所示。
随着凝固过程的继续进行，熔覆层的温度梯度进一步减小，成分过冷进一步增大，晶粒生长速度减慢，此时有利于形核过程，成核晶粒开始阻挡原始柱状晶粒，并呈现出更多的细小的等轴晶，如图1 (f-h)所示。
图1. ExaCA模拟熔池横截面微观组织演化
5、作者及研究团队简介
石磊，通讯作者，现任山东大学材料科学与工程学院教授。2016年获山东大学博士学位。主要研究方向为搅拌摩擦焊和增材制造。
《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介
《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。
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