钛合金因其低弹性模量、高比强度、优异的生物相容性和良好的耐腐蚀而被认为是重要的生物医学材料之一。然而，大多数使用的钛合金，如Ti-6Al-4V（TC4），通常含有有毒元素（如Al和V），其弹性模量（退火后的TC4为110~114GPa）仍高于人骨（4 ~ 30 GPa），损害骨功能。因此开发一种低弹性模量且无毒的钛合金变得十分重要，其中钛铌合金是首选的候选材料。此外，通过使植入物形成多孔结构，可以进一步减少弹性模量。然而，传统的方法不适合制造复杂的多孔结构，需要复杂的模具且制造周期长。激光选区熔化是一种流行的金属增材制造技术。由于其制造的植入物的局部微观结构是可控的，可以满足患者对植入骨的需求，它为这一问题提供了一个可行的解决方案。但因为激光选区熔化过程涉及各种复杂的物理和化学现象，如传热、流体流动以及溶质扩散，通过实验确定工艺参数与微观结构和器件性能之间的关系成本高，研究周期长。计算机模拟成为了解决这一问题的可行方法。

近日，华南理工大学磁性材料与功能薄膜学术团队和哈尔滨工业大学（深圳）施荣沛教授以及德国波鸿鲁尔大学Ingo Steinbach教授联合在金属材料顶刊《Acta Materialia》上发表题为“Multi-physics simulation of non-equilibrium solidification in Ti-Nb alloy during selective laser melting”的论文。本工作提出了一种多物理方法，将有限界面耗散相场模型与计算流体力学模型以及粉末床模型耦合，研究了Ti-Nb合金在激光选区熔化过程中的凝固微观组织演化。模拟包括预测不同激光功率和扫描速度下的熔池形态和温度分布，并提取了熔池边界处的温度梯度和冷却速度值。此外，还研究了快速凝固过程中的溶质截留效应，以及过冷度和界面渗透率对Nb溶质扩散的影响。最后，系统地研究了温度梯度和冷却速度对非平衡凝固微观组织和微偏析的影响。这项工作揭示了激光选区熔化Ti-Nb合金在多物理场共同作用下微观组织形成与演变机理，进而预测和指导实验。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119923