清華大学アディティブトップジャーナル：アディティブマニュファクチャリング金属微細構造と溶融流動および凝固プロセスの関係

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: 金属内の新しい粒子の形成を操作することは、部品の粒子構造にとって非常に重要です。温度勾配と凝固速度は新しい粒子の形成を制御する主な要因であると考えられていますが、積層造形流体の流れの影響はこれまで研究されていません。この論文では、数値流体力学モデルとの双方向結合を通じて、流体の流れがデンドライトの成長と、さまざまな方向のデンドライトの前面での新しい粒子の形成に与える影響を研究しています。付加製造におけるデンドライトの成長と新しい粒子の形成は、鋳造プロセスと同様に、流体の流れと凝固によって大きく影響されます。さらに、熱流体流動モデリング結果から抽出された温度場と流れ場データを使用して、溶融プールスケールでのデンドライト成長シミュレーションを実行します。シミュレーション結果は、電子ビームおよびレーザーシングルトラック実験における粒子構造の形成メカニズムをよく説明し、さらに AM におけるデンドライトの成長と新しい粒子の形成に対する流体の流れの重要な影響を実証しています。

金属積層造形 (AM) は、3 次元 (3D) デジタルモデルに基づいて、トラックごと、レイヤーごとに部品を製造します。これにより、従来の製造方法では非常に困難であった、非常に複雑な形状の部品を簡単に、迅速に製造できるようになります。しかし、多くの要因が粒子構造の進化に影響を与える可能性があるため、理想的な機械的特性を持つ部品をうまく製造することは、さまざまな AM 技術にとって課題となっています。一方、これは AM による部品製造時に粒子構造を制御できる大きな可能性も意味します。たとえば、適切な処理戦略を使用した電子ビーム粉末床溶融結合法 (EB-PBF) によって、ニッケル基超合金の単結晶棒がうまく製造されています。処理パラメータを変更することで、部位に応じた木目構造の制御が可能になります。

積層造形の性質上、粒子は構築方向に沿ってエピタキシャル成長し、柱状粒子や単結晶になる傾向があります。これは、航空機エンジンのタービンブレードの製造には適していますが、他の多くの部品の製造には適していません。したがって、 AM 技術を広く応用するには、粒子構造の進化を操作することが重要です。相互依存理論によれば、既存の粒子の前での過冷却は核形成と成長に重要な役割を果たし、等軸粒子構造の形成を引き起こします。この理論を使用して、Liu ら、Prasad ら、および Bermingham らは、AM における柱状から等軸遷移 (CET) に対する温度勾配と凝固速度の影響を研究し、結晶粒構造、温度勾配、凝固速度、および AM 技術を関連付けるマップを提供し、温度勾配が低いほど、および凝固速度が高いほど、等軸結晶粒構造の形成が促進されることを示しました。

AM における粒子構造の進化は、主に溶融プール内での粒子の成長と新しい粒子の形成によって決まります。実験観察と数値シミュレーションによると、温度勾配が比較的低く凝固速度が高いため、溶融池の上部領域では等軸粒構造が形成される可能性が高くなります。ただし、次の層が堆積されると、上部の領域が再溶融されます。この領域の新しい粒子は、等軸粒子構造の出現を促進することはできません。逆に、溶融池境界でも核生成が起こり、堆積部における核が有効粒になりやすくなり、等軸粒組織となる。

反動圧力とマランゴニ効果により溶融池の流れが促進され、溶融池内のデンドライト/結晶粒の成長に影響を及ぼす可能性があります。 Wangらは、異なる外部磁場下でのAlSi10Mgのシングルトラック溶融プロセスをシミュレートし、磁場を強めると溶融池内の流れパターンが変化することを発見しました。一方、Duらは、AlSi10Mgの積層部における等軸粒子の割合が磁場の増強とともに増加することを明らかにした。彼らの研究は、流体の流れが新しい粒子の形成に与える影響を示しています。数値モデル化と実験を通じて、Zhao らは、流体の流れが凝固前面での核形成の確率を高め、柱状粒子のエピタキシャル成長を抑制すると提案しました。樹状突起は粒子の下部構造です。温度勾配と凝固速度が小さい鋳物におけるデンドライト成長に対する流体の流れの影響は、実験と数値モデリングによって調査されてきました。流体の流れによって引き起こされる溶質輸送は、樹状突起の溶融、樹状突起の断片化、および樹状突起の形状の変化につながる可能性があります。デンドライト破壊は鋳造品の核生成を促進します。対流はデンドライトの前の溶質分布を変化させ、過冷却と核形成の可能性に影響を与える可能性があります。

しかし、極めて高速な凝固プロセスを直接観察する実験方法がないため、AM 条件下でのバルクフローがデンドライトの成長と新しい粒子の形成に与える影響についてはほとんど情報がありません。清華大学の研究者らは数値モデリングと実験を用いて、AM における流体の流れが樹枝状結晶の成長と新しい粒子の形成に与える影響を研究しました。まず、マルチグリッドデンドライト成長モデルを数値流体力学 (CFD) モデルと組み合わせて改良し、デンドライト成長と流体の流れの双方向結合を実現しました。その後、インコネル 718 プレート上で電子ビームとレーザーを使用したシングルトラック実験が行われました。これらの実験では、予熱温度とスキャン速度を変化させて、溶融池内のさまざまな凝固条件と流れの強度を実現しました。同時に、高精度の熱流体流動モデルを使用して溶融池の流れをシミュレートし、温度と流れ場を取得します。その後、数値モデリング調査は 2 つのステップで実行されました。最初のステップでは、流体の流れがデンドライトの成長と新しい粒子の形成に与える影響を明らかにするために、双方向結合モデルを使用して、さまざまな凝固条件下で事前に定義された流体の流れの中でさまざまな方向へのデンドライトの成長をシミュレートしました。同時に、流体の流れの影響もさらに実証されました。この記事は、「積層造形における流体の流れが樹枝状結晶の成長と新しい粒子の形成に与える影響」というタイトルで Additive Manufacturing に掲載されました。

リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 4860422002317#fig14

図1. (a) マルチグリッドデンドライト成長モデルの概略図。 (b) 偏心八面体成長アルゴリズムの概略図。 (For interpretation of references to color in this figure legend, please refer to the web version of this article. Figure 2. (a)–(d) XZ cross section of the melt pool simulated by the thermal fluid flow model. (f)–(i) The YZ cross section has a rainbow-like curve in the experiment, which is the melt pool boundary extracted from the simulation results. Figure 3. (a)–(d) Distribution of temperature gradient at the bottom (curved surface) of the melt pool. Figure 4. (a1)–(d1) Distribution of flow velocity at the bottom (curved surface) of the melt pool. (a2)–(d2) Flow field at the melt pool. Figure 5. Simulated dendrite structure. For ease of comparison, all height profiles use the same color bar. Figure 6. (a) Average PDAS of simulated dendrite structure. (b) Height difference-flow velocity relationship under different solidification conditions. The average PDAS and height difference are measured when the dendrite growth reaches a steady state. Figure 7. (a)–(c)シミュレーション領域の中央の XZ 断面における Nb 分布の比較。(d) (e) シミュレーション領域の中央の YZ 断面における Nb 濃度の比較。温度勾配は K/m、凝固速度は 0.02 m/s です。灰色の領域はデンドライトです。
結論: 本論文では、AM 条件付きボディフローがデンドライト成長と新しい粒子形成に与える影響を研究するために、流体の流れと組み合わせたデンドライト成長モデルを確立しました。双方向結合モデルを使用して、AM における温度勾配と凝固速度が異なる液体金属内の異なる配向を持つデンドライトの成長をシミュレートしました。シミュレーション結果によると、AM におけるデンドライトの成長と新しい粒子の形成は、流体の流れと凝固条件に大きく影響され、鋳造における影響と同様です。その後、熱流体流動モデリング結果から抽出された温度場と流れ場データを使用して、溶融プールスケールでのデンドライト成長シミュレーションを実行しました。シミュレーション結果は、単トラック電子ビーム溶融実験における結晶粒構造の形成メカニズムをよく説明し、さらに AM におけるデンドライト成長と新しい結晶粒形成に対する流体の流れの重要な影響を証明しています。

流体の流れがデンドライトの成長と溶融池境界での潜在的な新しい粒子の形成に与える影響を研究することは、温度勾配と凝固速度に依存する一般的な核形成理論を強力に補完し、粒子構造の操作に関する指針を提供します。

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