Разработка подхода компьютерного моделирования для оценки влияния технологических параметров на структуру и механические свойства аддитивных материалов

Селективная лазерная плавка (SLM – Selective Laser Melting) – инновационная аддитивная технология производства деталей и элементов конструкций заданной формы путем последовательного «наращивания» слоев металла в соответствии с трехмерной компьютерной моделью. Ключевой проблемой, ограничивающей широкое промышленное применение SLM технологий, является сложная зависимость микроструктуры конечных изделий от технологических параметров обработки и физико-механических свойств исходных металлических порошков. Механическое поведение аддитивных материалов, определяющееся сложной внутренней структурой, существенно отличается от деформационного отклика исходных материалов. Оценка эксплуатационной способности SLM изделий в случае каждого конкретного материала и режима обработки требует проведения трудозатратных и дорогостоящих экспериментальных исследований. В этой связи привлекательной является идея частичной замены экспериментальных исследований проведением компьютерного эксперимента.Целью настоящего проекта является разработка подхода компьютерного моделирования для оценки влияния технологических параметров селективной лазерной плавки на эволюцию микроструктуры и механические свойства аддитивных материалов. В соответствии с поставленной целью работа по проекту будет организована по двум направлениям. Первое направление, работы по которому будут проводиться немецкими партнерами из Бременского университета, связано с прямым моделированием процесса кристаллизации в условиях SLM с явным учетом роста зерен из расплава под воздействием температурных градиентов. Моделирование эволюции зеренной структуры в процессе SLM будет основано на комбинации решения задачи теплопроводности методом конечных разностей и имитационного моделирования процесса кристаллизации из расплава методом клеточных автоматов. Методом численного эксперимента будет исследовано влияние режимов SLM на микроструктуру и текстуру аддитивных алюминиевых сплавов (Al-Si-Mg).Второе направление, связанное с численным исследованием деформационного отклика аддитивных алюминиевых сплавов в условиях механического нагружения на микро-, мезо-, и макроуровнях, будет разрабатываться российскими участниками проекта в ИФПМ СО РАН. Модельные структуры, предоставленные немецкими партнерами, будут использованы для построения конечно-элементных моделей с явным учетом зеренной структуры и кристаллографической ориентации кристаллитов. Определяющие соотношения для зерен будут разработаны с учетом упругой и пластической анизотропии на основе теории пластичности кристаллов (crystal plasticity). На микроуровне будут анализироваться деформационные процессы в масштабе нескольких зерен, построенных на сетках высокого разрешения, на мезоуровне - коллективные эффекты в объемах, содержащих нескольких сотен зерен, на макроуровне - макроскопические кривые нагружения, отражающие осредненный отклик по представительному мезообъему.На основе анализа результатов, полученных немецкими и российскими участниками проекта, будут сделаны выводы о влиянии технологических параметров селективной лазерной плавки на микроструктуру и механические свойства аддитивных алюминиевых сплавов.