[論文レビュー] A Novel Physics-Based and Data-Supported Microstructure Model for Part-Scale Simulation of Laser Powder Bed Fusion of Ti-6Al-4V

Jonas Nitzler, Christoph Meier+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 80被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、レーザー粉末床溶融におけるTi-6Al-4Vの物理的根拠に基づき、データで裏付けられた現象的微細組織モデルを提示する。エネルギーと移動度に駆動される変換により、β、αs、αm相の相分率を予測し、ヒューリスティック基準を排除する。選択的レーザー溶融の部品スケールシミュレーションを可能にし、検証済みの臨界冷却速度とマルテンサイト形成の予測を実現。連続冷却および大規模クエンチングシミュレーションにより裏付けられている。

ABSTRACT

The elasto-plastic material behavior, material strength and failure modes of metals fabricated by additive manufacturing technologies are significantly determined by the underlying process-specific microstructure evolution. In this work a novel physics-based and data-supported phenomenological microstructure model for Ti-6Al-4V is proposed that is suitable for the part-scale simulation of selective laser melting processes. The model predicts spatially homogenized phase fractions of the most relevant microstructural species, namely the stable $\\beta$-phase, the stable $\\alpha_{\ ext{s}}$-phase as well as the metastable Martensite $\\alpha_{\ ext{m}}$-phase, in a physically consistent manner. In particular, the modeled microstructure evolution, in form of diffusion-based and non-diffusional transformations, is a pure consequence of energy and mobility competitions among the different species, without the need for heuristic transformation criteria as often applied in existing models. The mathematically consistent formulation of the evolution equations in rate form renders the model suitable for the practically relevant scenario of temperature- or time-dependent diffusion coefficients, arbitrary temperature profiles, and multiple coexisting phases. Due to its physically motivated foundation, the proposed model requires only a minimal number of free parameters, which are determined in an inverse identification process considering a broad experimental data basis in form of time-temperature transformation diagrams. Subsequently, the predictive ability of the model is demonstrated by means of continuous cooling transformation diagrams, showing that experimentally observed characteristics such as critical cooling rates emerge naturally from the proposed microstructure model, instead of being enforced as heuristic transformation criteria.

研究の動機と目的

• 既存のモデルで一般的なヒューリスティックな変態基準を回避する、Ti-6Al-4Vの物理的に整合性のある微細組織モデルの開発。
• 熱力学的に整合性のある相挙動と現実的な熱履歴を統合することで、選択的レーザー溶融の正確な部品スケールシミュレーションを可能にすること。
• 包括的な実験的時間-温度変態（TTT）および一時的加熱データを用いた逆同定によるモデルパラメータの特定。
• 実際のSLMおよびクエンチングシナリオにおける臨界冷却速度と微細組織分布の予測能力の実証。
• 将来の非線形弾塑性構成モデルとの統合を支援し、SLM部品の完全な熱機械的シミュレーションを可能にすること。

提案手法

• 相分率の時間発展に、レート形式の常微分方程式を用い、熱力学的駆動力と温度依存の移動度に駆動される。
• 相変態はエネルギー競合駆動プロセスとしてモデル化され、マルテンサイト形成にヒューリスティック基準を導入しない。
• 数値積分されたレート方程式を用いて、拡散係数と相分率を時間的に更新し、任意の温度プロファイルと時間依存パラメータを扱える。
• TTTおよび一時的加熱図を含む広範な実験データベースを用いた逆最適化により、モデルパラメータを同定する。
• SLMのマクロスケール熱シミュレーションとモデルを結合し、現実的な幾何形状における微細組織挙動を予測する。
• 連続冷却変態（CCT）実験および10 cmのTi-6Al-4V立方体の大規模クエンチングシミュレーションに対する妥当性評価を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒューリスティックなしきい値として定義しなくても、物理的根拠に基づく微細組織モデルは、自然に臨界冷却速度を予測できるか？
• RQ2 連続冷却およびTTT図における実験的観察された相分率を、モデルはどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 局所的熱源とレイヤーボーリングプロセスを伴う現実的なSLMプロセスで、どのような微細組織分布が出現するか？
• RQ4 ベースプレートの事前加熱は、SLMで製造された部品におけるマルテンサイト形成にどのように影響するか？
• RQ5 大規模クエンチングシナリオにおいて、表面にマルテンサイト被膜が形成され、コア部に安定なαs相が支配的になるか、モデルはその形成を予測できるか？

主な発見

• ヒューリスティック基準を強制せずとも、マルテンサイト形成のための臨界冷却速度を正確に予測でき、実験的観察と強い一致を示した。
• 1 mm立方体のSLMシミュレーションでは、高い冷却速度のためマルテンサイトが支配的となり、実験的結果と整合的であった。
• ベースプレートを900 Kに事前加熱すると、マルテンサイト分率が顕著に低下し、安定なαs相の形成が促進された。
• 10 cm立方体のクエンチングシミュレーションでは、表面近傍部に数ミリの厚さのマルテンサイト被膜が高冷却速度により形成された一方、コア部はαs相が支配的であった。
• モデルは連続冷却変態（CCT）挙動を正確に再現できており、長期的平衡状態および特徴的な変態動力学を含む。
• レート形式の発展方程式の使用により、時間および温度依存の拡散係数と複数の共存相の整合的シミュレーションが可能となった。