В данной работе представлен сравнительный обзор методов моделирования эволюции микроструктуры в процессе плавления и кристаллизации при воздействии лазерного источника излучения. Рассмотрены физические основы процессов плавления и кристаллизации, а также основные подходы к их моделированию. Подробно рассмотрены принципы построения моделей на основе методов фазового поля, клеточных автоматов и Монте-Карло. Наиболее точным с физической точки зрения методом моделирования микроструктурных изменений является метод фазового поля, позволяющий учитывать явления сегрегации, роста дендритов и влияние формы ванны расплава на направление и форму роста зерен. Однако метод фазового поля имеет недостаток в виде сложности его программной реализации и больших вычислительных затрат. Метод клеточных автоматов является более простым и эффективным с точки зрения реализации, но, как и метод Монте-Карло, носит случайный стохастический характер и уступает в точности. Приведены результаты исследований последних лет, связанных с моделированием изменения микроструктуры при процессах прямого лазерного выращивания и селективного лазерного плавления различными методами. Выявлены тенденции к созданию новых алгоритмов оптимизации расчета, используемых для создания моделей кристаллизации, таких как применение адаптивных сеток и модифицированного алгоритма подвижной рамки. Необходимость расчета динамики температурного поля, возникающего вследствие лазерного воздействия на материал, послужила предпосылкой к созданию связанных мультифизичных моделей, сочетающих в себе методы моделирования эволюции микроструктуры и температурного воздействия (метод конечных элементов, метод сглаженных частиц и метод моделирования свободной поверхности).
This paper presents a comparative review of modeling methods for the evolution of microstructure during melting and crystallization under the influence of a laser source. The physical foundations of the melting and crystallization processes, as well as the main approaches to their modeling, are considered. The principles of models development based on phase field, cellular automata and Monte Carlo methods are discussed in detail. From a physical point of view, the most accurate method of modeling microstructural changes is the phase field method, which allows taking into account the phenomena of segregation, dendrite growth, and the influence of the shape of the melt pool on the direction and shape of grain growth. However, the phase field method has a disadvantage in the form of the complexity of its software implementation and high computational costs. The cellular automata method is simpler and more efficient in terms of implementation, but, like the Monte Carlo method, it is random stochastic in nature and inferior in accuracy. The results of recent studies related to the modeling of microstructure changes during direct metal deposition and selective laser melting by various methods are presented. Trends towards the creation of new calculation optimization algorithms used to create crystallization models, such as the use of adaptive mesh and a modified firefly algorithm, have been identified. The need to calculate the dynamics of the temperature field resulting from laser exposure to the material served as a prerequisite for the creation of related multiphysical models combining methods for modeling the evolution of microstructure and dynamics of temperature effects (finite element method, smoothed particle hydrodynamics and volume of fluid method).