Многомасштабное компьютерное моделирование процессов кристаллизации и эволюции микроструктуры при лазерном сплавлении порошков металлов и сплавов

Эмпирический поиск оптимальных параметров лазерного сплавления (ЛС) порошков в целях достижения заданных значений качества синтезируемых изделий затруднен наличием большого числа управляющих параметров процесса, среди которых большое влияние оказывают энергетические характеристики лазерного излучения (скорость сканирования, мощность, длительность и частота импульса) и параметры порошков (дисперсность, химический и фракционный состав, структурно-фазовое состояние). Вследствие высокой локальности лазерного воздействия многие параметры, важные для достижения высокого качества синтезируемого слоя, крайне затруднительно определять экспериментально. К таким параметрам относятся градиент температуры, скорость движения фазовых границ и т.д. Эти параметры определяют морфологию формируемой структуры, характерный размер её элементов и соответственно свойства синтезируемого материала. ЛС технологии также присущи такие негативные явления как возникновение термических напряжений, микропор, трещин и т.д., приводящие к ухудшению адгезионных свойств, и как следствие к отслаиванию нанесенных слоев. Фактически, только в очень узком диапазоне режимов излучения, формируются качественные слои. В связи с этим актуальными являются задачи адекватного предварительного компьютерного моделирования процессов тепломассопереноса и структурно-фазовых превращений при ЛС порошков. В данном проекте планируется разработка и программная реализация (на суперЭВМ) 3D численной модели и вычислительного алгоритма процессов затвердевания и эволюции микроструктуры при сплавлении ультрадисперсных порошков металлов и сплавов сканирующим лазерным излучением. При моделировании эволюции микроструктуры впервые будут применяться уравнения фазового поля, сопряженные с диффузионными уравнениями для температуры и концентрации растворенного вещества (примеси). Особое внимание будет уделено исследованию влияния транспортных явлений (диффузии тепла, переноса растворенного вещества), а также эффектов анизотропии, теплового шума и переохлаждения расплава на процессы роста и морфологию кристаллических структур. Будет также разработана модель деформационно-напряженного состояний синтезируемых материалов в широком интервале температур, включая диапазон фазовых превращений. Результаты исследования могут быть использованы при конструировании лазерных установок прямого изготовления трехмерных изделий.