体育器材钛合金定向能量沉积β晶粒生长跨尺度建模

摘要

钛合金定向能量沉积过程中，复杂热源、高冷却速率及多次热循环显著影响温度场、残余应力场及微观组织演变，导致成形构件微观组织和力学性能的不均匀性。文章聚焦TC4-DT钛合金定向能量沉积过程中热历史驱动的微观组织演变，建立了有限元法与元胞自动机相结合的跨尺度建模与分析框架，系统研究了不同热源模式及工艺参数对初生β晶粒生长的影响。通过将温度场在空间和时间上插值到元胞自动机网格，模拟了凝固过程中β晶粒的外延生长和竞争生长全过程。结果表明，β晶粒主要沿局部热流方向定向生长，最终形成以柱状晶为主的形貌。随热输入增加，晶粒逐渐粗化；随焊接速度提高，晶粒总体呈细化趋势。与纯电弧条件相比，振荡激光+电弧复合热源条件下粗大柱状β晶粒的生长得到一定程度的抑制。本研究为钛合金增材制造组织调控提供了理论依据，尤其对高性能体育器材，如竞赛自行车架、高尔夫球杆头、网球拍及运动康复假肢等的轻量化、高耐久性制造具有重要指导价值。