[論文レビュー] Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction

Hossein Azizi, Alireza Ebrahimi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、AlSi10Mgのレーザー粉末床溶融（LPBF）における成形方向が、熱的および相場モデルを組み合わせた手法を用いて微細組織の進化に与える影響を調査する。有限要素解析を用いた熱的分布のシミュレーションと、確率的核生成を組み込んだ多秩序パラメータ相場モデルを用い、水平成形方向では、凝固下に高い化学的過冷度が生じ、等方的結晶核生成が顕著に増加することを示した。これは、実験的EBSD観察で得られた水平試料における等方的対柱状比の高さと整合的である。

ABSTRACT

In this work, the effect of building direction on the microstructure evolution of laser-powder bed fusion (LPBF) processed AlSi10Mg alloy was investigated. The building direction, as shown in experimentally fabricated parts, can influence the solidification behavior and promote morphological transitions in cellular dendritic microstructures. We develop a thermal model to systemically address the impact of laser processing conditions, and building direction on the thermal characteristics of the molten pool during laser processing of AlSi10Mg alloy. We then employ a multi-order parameter phase field model to study the microstructure evolution of LPBF-AlSi10Mg in the dilute limit, using the underlying thermal conditions for horizontal and vertical building directions as input. The phase field model employed here is designed to simulate solidification using heterogeneous nucleation from inoculant particles allowing to take into account morphological phenomena including the columnar-to-equiaxed transition (CET). The phase field model is first validated against the predictions of the previously developed steady-state CET theory of Hunt \cite{hunt1984steady}. It is then used under transient conditions to study microstructure evolution, revealing that the nucleation rate is noticeably higher in the horizontally built samples due to larger constitutional undercooling, which is consistent with experimental observations. We further quantify the effect of building direction on the local cooling conditions, and consequently on the grain morphology.

研究の動機と目的

• LPBF-AlSi10Mgにおける成形方向が凝固微細組織、特に柱状対等方的転移（CET）に与える影響を理解すること。
• 熱的条件、特に熱勾配と冷却速度が核生成および結晶形態に与える影響を分離して特定すること。
• ステディステートCET理論と照合して相場モデルの妥当性を検証し、非定常な実験的LPBF条件下に適用すること。
• 成形方向が化学的過冷度に与える影響と、その等方的結晶形成への影響を定量的に評価すること。
• 垂直および水平成形方向における結晶構造の実験的観察結果の差異を、メカニズム的に説明すること。

提案手法

• 垂直および水平成形方向におけるLPBF-AlSi10Mgの非定常熱場を、有限要素解析（FEA）を用いてシミュレーションした。
• 不均一核生成を確率的ノイズを用いて模倣する多秩序パラメータ相場モデルを用いて、微細組織の進化をシミュレーションした。
• 相場モデルは、Hunt（1984）のステディステートCET理論と照合して、形態的転移の予測精度を確認した。
• FEAから得られた熱的境界条件を相場シミュレーションの入力として用い、溶融プールのダイナミクスおよび凝固フロントの現実的なモデリングを可能にした。
• 溶融プール境界に沿って化学的過冷度を計算し、核生成の可能性を評価した。ΔT_maxを主な指標とした。
• 単層凝固にモデルを適用し、柱状フロントが合体することで生じる「ジッパー状」構造の形成を含む結晶成長パターンを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 成形方向がLPBF-AlSi10Mgにおける熱勾配と冷却速度に与える影響は何か。その結果、微細組織の進化にどのような影響を与えるか。
• RQ2 化学的過冷度が等方的結晶核生成を促進する役割を果たすメカニズムは何か。成形方向によってその影響はどのように変化するか。
• RQ3 確率的核生成を組み込んだ相場モデルは、垂直および水平成形における実験的観察結果の結晶形態の差異をどの程度再現できるか。
• RQ4 最大結晶成長方向と成形軸とのなす角度が、溶融プール内での核生成確率に与える影響は何か。
• RQ5 非定常状態のLPBF条件下において、相場モデルは柱状対等方的転移（CET）を正確に予測できるか。

主な発見

• 相場モデルは、柱状対等方的転移（CET）を成功裏に再現し、Hunt（1984）のステディステートCET理論と照合された。
• 水平成形試料では、結晶成長方向とZ軸とのなす角度が大きいことから、垂直成形に比べて顕著に高い化学的過冷度（ΔT_max）を示した。
• 水平成形における最大過冷度（ΔT_max）は数値的に計算され、解析的予測と定性的に良好で、定量的にも妥当な一致を示した。
• 水平試料における等方的核生成イベントの数は著しく多く、実験的観察で得られた高い等方的対柱状比の直接的要因であることが明らかになった。
• 溶融プールの後方エッジで、柱状フロントが合体することで生じる「ジッパー状」構造の形成は、熱的境界条件および溶融プール幾何学的形状の直接的結果であると確認された。
• 本研究は、成形方向が局所的な熱的環境を変化させ、特に水平成形では化学的過冷度の増加により核生成の可能性が高まることを確認した。