МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРЫ СПЛАВА AlSi10Mg В УСЛОВИЯХ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ

Настоящая работа посвящена разработке и валидации модели формирования зеренной структуры алюминиево-кремниевого сплава AlSi10Mg в процессе селективного лазерного сплавления. Разработанная модель включает расчет пространственно-временной эволюции термических полей, вызванных действием лазера, и установление прямой связи между локальной термической историей (градиентами температуры, скоростями охлаждения) с процессом формирования зеренной структуры. Для решения этой задачи предложен подход, объединяющий расчет температурных полей методом конечных разностей и моделирование кристаллизации методом клеточных автоматов. Важной особенностью модели является учет процессов эпитаксиального и конкурирующего типов роста зерен, а также процесса зародышеобразования во множественных ваннах расплава. В рамках реализации метода клеточных автоматов форма растущего дендрита аппроксимировалась октаэдрической поверхностью в соответствии с кристаллографическими особенностями кристаллизации ПЦК сплавов. Разработанная модель была применена для моделирования формирования зеренной структуры при двунаправленной стратегии сканирования. Было показано, что предложенная модель способна адекватно воспроизводить характерные особенности кристаллизации в процессе селективного лазерного сплавления. Приведены результаты валидации построенной модели зеренной структуры сплава AlSi10Mg на основе сравнения геометрических характеристик и кристаллографических ориентаций зерен с экспериментальными данными. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало качественное и количественное согласие, что свидетельствует о корректном воспроизведении геометрических особенностей зеренной структуры в модели.

Simulation of grain structure evolution in Al-Si alloys during laser powder bed fusion

This study focuses on the development and validation of a model for grain structure formation in the aluminum-silicon alloy AlSi10Mg during selective laser melting (SLM). The developed model incorporates calculations of the spatiotemporal evolution of thermal fields induced by laser action and establishes a direct correlation between local thermal history (temperature gradients, cooling rates) and grain structure formation processes. To address this challenge, we propose an integrated approach combining finite difference method for temperature field calculations and cellular automaton modeling of crystallization. A key feature of the model is its consideration of both epitaxial and competitive grain growth mechanisms, as well as nucleation processes in multiple melt pools. Within the cellular automaton framework, the growing dendrite morphology was approximated by an octahedral surface, consistent with the crystallographic characteristics of FCC alloy solidification. The developed model was applied to simulate grain structure formation under a bidirectional scanning strategy. Results demonstrate that the proposed model effectively reproduces characteristic solidification features observed in selective laser melting processes. We present validation results comparing geometric characteristics and crystallographic orientations of grains with experimental data. The comparison shows both qualitative and quantitative agreement, confirming the model's ability to accurately reproduce key geometric features of the grain structure.