[論文レビュー] The surface-tension-driven Benard conventions and unique sub-grain cellular microstructures in 316L steel selective laser melting

Xin Zhou, Yuan Zhong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、316Lスチールの選択的レーザーマーティング（SLM）における固体/液体界面での表面張力駆動Bénard対流が、約1 µmスケールの自己組織的微小結晶細胞組織を生成することを明らかにした。この組織は六角形、五角形、正方形のパターンを示す。そのメカニズムは、ムーシー領域における非線形な熱的およびマランゴニ対流不安定性に起因し、単一およびバルクSML試料における対称的細胞組織と微分離の共存を説明する。

ABSTRACT

The unique sub-grain patterns have been found in some particular alloys (316L, Al-Si, Co-Cr-Mo) selective laser melting (SLM), the submicron-scale cellular, elongated cellular or even band structures are always coexisting inside one single macro-solidified grain. Furthermore, the cellular structures are symmetrical with hexagonal, pentagonal and square cellular patterns where the cellular size is only around 1μm. Single-layer and bulk 316L SLM experiments are presented that reveals the forming mechanism of these sub-grain cellular microstructures. Complex cellular sub-micron patterns were formed by the local convection and Bénard Instabilities in front of the solid/liquid (S/L) interface (so-called mushy zones) affected by intricate temperature and surface tension gradients. In other words, this nonlinear self-organization phenomenon (Bénard Instability) occurring at the S/L interface is superimposed on the macro-grain solidification process to form the sub-grain patterns/structures and elemental microsegregations. This simple and unified explanation can be expanded to other eutectic alloys formed by SLM, like the Al-Si system.

研究の動機と目的

• 選択的レーザーマーティング（SLM）によって作製された316Lスチールに見られる特徴的な微小結晶細胞組織の形成に伴う物理的メカニズムを特定すること。
• 単一マクログレイン内に形成される、サブミクロンスケール（約1 µm）の複雑で対称的な細胞組織（六角形、五角形、正方形）がどのように形成されるかを調査すること。
• 熱および表面張力勾配がムーシー領域における不安定性を引き起こし、微細組織の自己組織化を駆動する役割を明確にすること。
• 他のSLM処理された共晶合金（例：Al-Si）においても同様に観察される微小結晶パターンを統一的に説明する枠組みを確立すること。

提案手法

• 制御されたプロセス条件下で微細組織の進化を観察するため、単層およびバルク316Lスチールの選択的レーザーマーティング実験を実施した。
• サブグレイン細胞組織およびグレイン構造を特徴づけるために、高分解能電子バックストリート回折（EBSD）および光学/電子顕微鏡を用いた。
• 固体/液体（S/L）界面における温度勾配および表面張力勾配を分析し、対流の駆動要因を同定した。
• ムーシー領域におけるBénard不安定性の発生をモデル化し、熱的およびマランゴニ応力が細胞状対流パターンを誘発することを示した。
• 観察された微細組織と、熱的および表面張力勾配下での非線形自己組織化の理論的予測を照合した。
• 類似した物理的メカニズムに基づき、Al-Siなどの他のSLM処理共晶系にその知見を拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 316LスチールのSLMにおいて、対称的でサブミクロンスケールの細胞組織が形成される背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ2 固体/液体界面における熱および表面張力勾配が、ムーシー領域における細胞組織の発展にどのように影響するか？
• RQ3 なぜSLM処理316Lスチールの単一マクログレイン内に六角形、五角形、正方形の細胞組織が共存するのか？
• RQ4 Bénard不安定性モデルは、SLM処理合金における観察された微分離および微細組織の対称性をどの程度説明できるか？
• RQ5 提案されたメカニズムは、Al-Siなどの他の共晶合金をSLMで処理する場合にも一般化可能か？

主な発見

• 316LスチールのSLMにおいて、固体/液体界面での表面張力駆動Bénard対流が、六角形、五角形、正方形の対称性を示すサブミクロン細胞組織を生成する。
• 細胞組織の特徴的なサイズは約1 µmであり、ムーシー領域におけるマランゴニ駆動対流の発生と整合的である。
• これらの組織の形成は、非線形な熱的および表面張力勾配が、凝固前線の前方の液体膜内に不安定性を誘発することによって駆動される。
• 元素の微分離は、対流パターンと本質的に関連しており、溶質が細胞境界で濃縮されていることが観察された。
• 同様のメカニズムは、Al-Siなどの他のSLM処理共晶合金における同様の微小結晶パターンを説明でき、一般化可能な物理的起源であることを示している。
• 単層およびバルクSLM実験により、この現象は再現可能であり、マクロスケールのグレイン構造とは独立であることが確認された。