摘要：在本研究中，基于三维稀释多组分相场方法，建立了一种新型多物理场-多尺度模型，用于研究 Al-Li 合金激光焊接过程中熔池内复杂的显微组织演化。为在二维和三维计算域中高效计算大量数据，采用了三种高效计算方法：中央处理器并行计算、自适应网格加密以及移动坐标系算法。

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导读

在本研究中，基于三维稀释多组分相场方法，建立了一种新型多物理场-多尺度模型，用于研究 Al-Li 合金激光焊接过程中熔池内复杂的显微组织演化。为在二维和三维计算域中高效计算大量数据，采用了三种高效计算方法：中央处理器并行计算、自适应网格加密以及移动坐标系算法。研究重点放在 Al-Li 合金激光焊接凝固过程中独特的等轴—柱状—等轴晶转变现象。模拟结果表明：随着形核率的增加，从母材（BM）外延生长的柱状晶生长距离减小；同时，融合线（FB）附近新生晶粒的形貌由柱状逐渐转变为等轴晶，新生等轴晶的形态也由高阶枝晶逐渐演变为无明显枝晶结构。当形核率足够高时，FB 附近能够直接形成无枝晶的等轴晶，几乎不再出现 BM 的外延生长。此外，模拟还揭示了 FB 附近三维空间内多取向晶粒之间的竞争机制。最后，阐明了等轴晶带的形成过程：等轴晶带不仅阻碍了早期柱状晶的生长，其中部分晶粒还可以外延生长，进而形成新的柱状晶。模拟预测结果与实验测试及显微组织观察高度一致。

主要图表

图1.本研究采用的多尺度模型示意图。(a)热质传递宏观模型。(b)多组分合金三维宏观模型与二维微观相场模型的对应关系。(c)多组分合金三维宏观模型与三维微观相场模型的对应关系。(d)焊缝中的实际微观结构。

图2.高效计算方法示意图(a) CPU并行计算。(b)自适应网格细化。(c)移动框架算法方法。

图3.铝锂合金焊缝激光焊接中的ECET现象。(a)焊缝横截面及水平金相显微照片。(b)焊接接头水平截面的逆极点图。(c)通过拼接多张扫描电子显微镜（SEM）图像，获得焊接接头水平截面的微观结构形态。

图4.焊接过程中的热量与质量传递。(a)实验数据与理论预测的焊缝截面轮廓对比。(b)激光焊接过程中沿Y轴方向从中心线不同位置的温度分布曲线。(c)不同截面熔池流动场示意图。(d)焊接终阶段凝固过程中，颗粒在熔池底部区域的运动轨迹：三维空间（d1）、ZOY平面（d2）、ZOX平面（d3）、YOX平面（d4）四个视角展示。该颗粒模拟了液相线温度略低的糊状区析出晶粒现象。

图5.不同成核速率下FB附近微观结构形态对比。各参数对应的微观结构形态分别为：(a) N0 = 1.13×10¹²m⁻³（96 μm）、(b) 9.04×10¹²m⁻³（48 μm）、(c) 7.23×10¹³m⁻³（24 μm）、(d) 5.79×10¹⁴m⁻³（12 μm）、(e) 4.63×10¹⁵m⁻³（6 μm）、(f)和3.70×10¹⁶m⁻³（3 μm）。

图6.从FB开始的外延生长距离随初始平均晶粒尺寸的变化。

图7.L/W值随距离FB变化的情况。

图8.PF模型模拟的FB附近微观结构形态与溶质分布。(a)微观结构形态。(b)（a1）中A、B点溶质分布随时间演变过程。(c)（a1）中a-a‘线段沿线晶粒取向及溶质分布情况。

图9.实验测得的FB附近Cu元素分布。(a) SEM图像。(b)电子探针X射线微分析仪（EPMA）对Cu元素的元素分布图。

图10.不同初始平均晶粒尺寸的柱状到等轴转变图。

图11.使用PF模型模拟激光束运动条件下FB附近凝固过程中的二维微观结构演变。(a)不同时期晶粒的竞争性生长。(b)存活晶粒数量随柱状晶粒长度的变化。(c)根据(a)测量的晶粒取向变化，柱状晶粒长度的演变。

图12.固化过程中FB附近三维微观结构随温度变化的演变过程。(a)不同时刻的S/L界面状态。(b)固化过程中晶粒消退过程。(c)根据(a)测量的柱状晶粒长度随取向变化规律。（d-f）不同平面(t = 1.40毫秒）的微观结构形貌与溶质分布情况。

图13.粒晶组织从熔合边界向熔合中心的转变。(a)比例分布统计。(b)典型区域α-Al晶粒的立方体取向。(c)典型区域极点图。

图14.三维空间中不同晶粒取向与y轴之间的角度以及从EQZ到熔融中心的角度。

图15.流动流体导致的等轴晶粒分支。(a)靠近FB区域的微观结构形态。(b)(a)的放大视图。（c1）刚脱离区域晶粒形态的SEM结果。（c2）远离FB区域晶粒脱离后新形成晶粒的SEM形态。

图16.流动流体引起的晶粒微观结构随时间演变的示意图。(a)二维。(b)三维。

图17.激光熔池中微观结构随时间演变。(a) t = 2.4 ms；(b) t = 6.0 ms；(c) t = 12.0 ms；(d) t = 24.0 ms；(e) t = 36.0 ms；(f) t = 47.4 ms.

主要结论

本研究建立了宏观–微观耦合模型，基于创新性的多组元定量相场方法，实现了对 Al-Li 合金显微组织演化的预测。同时，结合三维相场模型与三种高效计算方法，对激光焊接过程中熔池的显微组织演化进行了模拟，并成功再现了 Al-Li 合金在焊接凝固过程中的独特 ECET（等轴–柱状–等轴）现象。模拟结果与实验观测高度一致。主要结论如下：

(1) 在 Al-Li 合金激光焊接中发现了不同于传统 CET 的独特 ECET 现象，且焊缝中随机出现等轴晶带，进一步体现了该合金组织演化的独特性。

(2) 焊缝中不同显微组织的形核与生长环境由凝固过程中的热条件所决定。焊接过程中熔池波动导致 FB 附近的凝固前沿出现强烈的回流，使新生小晶粒或未熔解的异质形核相重新进入熔池，从而促成了等轴晶带的形成。

(3) 形核率对柱状晶的生长起关键作用。随着形核率增加，来自母材的柱状晶生长距离缩短，FB 附近的新生晶粒由柱状逐渐转变为等轴，且等轴晶由高阶枝晶逐渐演变为无明显枝晶结构。当形核率达到 3.70 × 10¹⁶ m⁻³ 时，FB 附近几乎不再发生外延生长。

(4) 不符合最大温度梯度方向的晶粒在远离 FB 时逐渐被淘汰，若 FB 附近没有新的形核发生。但晶粒竞争并不限于相邻晶粒，具有大夹角取向的晶粒因三维空间自由度更高而更易存活。

(5) 熔池内流动与温度场的波动可导致焊缝中等轴晶带的形成。这些晶带不仅抑制了早期柱状晶的生长，还可通过外延方式形成新的柱状晶。

(6) 熔池的整个凝固过程被精准模拟，所得显微组织演化结果与实验结果吻合良好。

主要信息

Multi-physics multi-scale simulation of unique equiaxed-to-columnar-to-equiaxed transition during the whole solidification process of Al-Li alloy laser welding

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来源：江苏激光联盟