積層造形法で製造したAl-Fe-Cu-xZr合金の加工特性と結晶構造の改善:実験と高精度シミュレーション

積層造形法で製造したAl-Fe-Cu-xZr合金の加工特性と結晶構造の改善:実験と高精度シミュレーション
出典: マルチスケールメカニクス

積層造形(AM)は、アルミニウム合金の加工において従来の製造技術に比べて大きな利点がありますが、AM で製造された高強度アルミニウム合金は、加工性の悪さや望ましくない微細構造(粗い柱状粒子や微小亀裂など)などの課題に直面することが多く、その結果、最終的なアルミニウム合金の機械的特性が低下します。西北工業大学、華中科技大学などの研究者らは、アルミニウムベースの合金に微量のジルコニウム(x=0.3%、0.6%、0.8%、1.3%)を添加することで、高強度アルミニウム合金の加工性と微細構造を大幅に改善できることを発見した。具体的には、ジルコニウム含有量を増やすことで、アルミニウム合金の加工特性が向上し、欠陥や表面粗さが減少し、溶融池の安定性が向上します。ジルコニウムの添加により、柱状粒子から等軸粒子への変態も促進され、粒径が微細化されるため、合金の機械的特性が向上します。研究では、0.8% および 1.3% のジルコニウムを含むアルミニウム合金が、積層造形において優れた強度と延性を示すことが示されました。これらの発見は、新しいアルミニウム合金の設計に貴重な指針を提供します。

この記事では、LPBF アルミニウム合金の加工性と微細構造に対するジルコニウムの影響を調査します。研究では、異なるジルコニウム含有量のAl-1Fe-0.6Cu-xZr合金を設計・製造し、高精度シミュレーションと実験を組み合わせることで、ジルコニウム含有量の増加によりアルミニウム合金の加工性が大幅に向上し、柱状粒子から等軸粒子への変態と粒子の微細化が促進され、機械的特性が向上することが示されました。この研究では、ジルコニウムのマイクロ合金化がアルミニウム合金の加工性と微細構造の変化に及ぼすメカニズムについても議論しました。次のセクションでは、この記事の高忠実度シミュレーションの内容を紹介します。

研究者らは、高精度の粉末スケール計算モデルを使用して、単一トラックレーザー溶融プロセスをシミュレートしました。このモデルは、離散要素法 (DEM) と数値流体力学 (CFD) を組み合わせたもので、DEM は粉末拡散プロセスに使用され、CFD は金属相とガス相の変化を含む溶融プールの動的変化を処理します。

モデルに含まれる質量、運動量、エネルギー保存方程式は次のとおりです。



運動量方程式は溶融池に作用する表面張力を考慮に入れます。



マランゴニ力:


蒸気反動圧力:



高忠実度シミュレーション中の物理パラメータ設定は次のとおりです。

固相熱伝導率:



で:



液相熱伝導率:



液体の密度:



液体の相対熱容量:



ここで、A と B は定数、Cm はモル比熱容量、M は金属のモル質量です。熱物性パラメータの設定値は実験を通じて較正されます。図1は、異なるZr含有量を持つアルミニウム合金の固体(左)と液体(右)の状態における熱伝導率の温度による変化を示しています。 CFDシミュレーション計算の幾何学モデルはDEMシミュレーションによって得られ、そのモデルを図2に示します。



図 1 異なる Zr 含有量を持つ 4 種類のアルミニウム合金の固体状態 (左) と液体状態 (右) における熱伝導率の温度による変化。


図2 レーザー粉末床溶融プロセスの物理モデル

図 3 は、高忠実度計算プロセス中の溶融プールの概略図を示しています。計算量は溶融池の温度勾配と凝固速度です。直交座標系における温度勾配は次のようになります。

異なる方向(x、y、z)の温度勾配:



最終温度勾配:



溶融池凝固速度:



図3 溶融池の模式図

シミュレーション結果は次のとおりです。図 4、単一の溶融プール内の溶融速度勾配。


図4 シミュレートされた単一の溶融プール内の溶融速度勾配(MVG)分布。 (a) - (b) Zr0.3 合金、(c) - (d) Zr0.6 合金、(e) - (f) Zr0.8 合金、(g) - (h) Zr1.3 合金

図 5、シミュレートされたキーホールの形状と、溶融池表面の対応するマランゴニ強度の変化:



図 5. シミュレートされたキーホールの形状と溶融池表面上の対応するマランゴニ強度の変化。 (a) Zr0.3合金、(b) Zr0.6合金、(c) Zr0.8合金、(d) Zr1.3合金。

図6、温度場情報シミュレーション。


図6 LPBF Al-1Fe-0.6Cu-xZr合金の単一溶融池の熱場分布。単一シミュレーションの温度場の側面図、(a) Zr0.6 および (b) Zr0.8、(c) 温度勾配 (G)、(d) 凝固速度 (R)、(e) G/R、および (f) 単一溶融池の底から上部までシミュレートされた G*R。

関連する研究成果は、「積層造形Al-Fe-Cu-xZr合金の加工性と粒構造の改善:実験と高忠実度シミュレーション」というタイトルでAdditive Manufacturing 84(2024)104074に掲載されました。論文の筆頭著者はJing-Yu XuとWei-Hao Yuan、責任著者はCheng Zhang、Hui Chen、Lin Liuです。

論文リンク:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104074

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