[논문 리뷰] 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 Meier외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 14.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 80인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 레이저 분말 베드 조합에서 Ti-6Al-4V에 대한 물리 기반, 데이터 지원 현상학적 미세구조 모델을 제시하며, 에너지 및 이동도 기반 전이를 통해 β, αs, αm 상의 상 분율을 예측하고 히우리스틱 기준을 제거한다. 이 모델은 검증된 임계 냉각 속도 및 마르텐사이트 형성 예측을 가능하게 하며, 연속 냉각 및 대규모 냉각 시뮬레이션을 통해 확인된 바 있다. 이는 선택적 레이저 용융의 정확한 부품 스케일 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 모델에서 흔히 사용되는 히우리스틱 전이 기준을 피하는 물리적으로 일관된 Ti-6Al-4V 미세구조 모델을 개발하는 것.
• 열역학적으로 일관된 상 진화와 현실적인 열역학력 역사와 통합하여 선택적 레이저 용융의 정확한 부품 스케일 시뮬레이션을 가능하게 하는 것.
• 포괄적인 실험적 시간-온도 전이(TTT) 및 일시적 가열 데이터를 이용한 역으로 식별된 방법을 통해 모델 매개변수를 결정하는 것.
• 실제 SLM 및 냉각 시나리오에서 임계 냉각 속도와 미세구조 분포에 대한 모델의 예측 능력을 입증하는 것.
• 미래에 비선형 탄성-플라스틱 구성 모델과의 통합을 지원하여 SLM 부품의 전체 열-기계적 시뮬레이션을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 모델은 열역학적 추진력과 온도에 따라 변화하는 이동도에 의해 구동되는 비율 형식의 상미분방정식을 사용하여 상 분율의 진화를 기술한다.
• 상 전이 과정은 에너지 경쟁 기반으로 모델링되며, 마르텐사이트 형성에 대한 히우리스틱 기준이 없이 진행된다.
• 확산 계수와 상 분율은 수치적으로 통합된 비율 방정식을 사용하여 시간에 따라 갱신되며, 이는 임의의 온도 프로파일과 시간에 따라 변화하는 매개변수를 허용한다.
• 모델 매개변수는 광범위한 실험 데이터 기반의 역 최적화를 통해 식별되며, TTT 및 일시적 가열도 포함된다.
• 모델은 SLM의 매크로스케일 열역학 시뮬레이션과 결합되어 실제 기하학적 형상에서의 미세구조 진화를 예측한다.
• 검증은 연속 냉각 전이(CCT) 실험과 10cm 크기의 Ti-6Al-4V 큐브에 대한 대규모 냉각 시뮬레이션을 통해 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히우리스틱 임계값으로 설정하지 않고도 물리 기반 모델이 임계 냉각 속도를 자연스럽게 예측할 수 있는가?
• RQ2 모델은 연속 냉각 및 TTT도에서 관측된 실험적 상 분율을 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 국부적 열원과 층별 증착을 고려한 실제 SLM 공정에서 어떤 미세구조 분포가 나타나는가?
• RQ4 베이스 플레이트의 사전 예열이 SLM 제작 부품에서 마르텐사이트 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대규모 냉각 시나리오에서 모델은 마르텐사이트 표면 코팅과 안정적인 αs상 코어의 형성을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 히우리스틱 기준 없이도 마르텐사이트 형성에 필요한 임계 냉각 속도를 성공적으로 예측하였으며, 실험 관측 결과와 강한 일치를 보였다.
• 1mm 큐브 SLM 시뮬레이션에서 고속 냉각으로 인해 마르텐사이트가 지배적이며, 이는 실험 결과와 일치하였다.
• 베이스 플레이트를 900K로 사전 예열하면 마르텐사이트 분율이 크게 감소하고 안정적인 αs상 형성이 증가하였다.
• 10cm 큐브 냉각 시뮬레이션에서 표면 근처 영역은 고속 냉각으로 인해 수 밀리미터 두께의 마르텐사이트 코팅을 형성하였고, 핵심부는 여전히 αs상이 지배적이었다.
• 모델은 연속 냉각 전이(CCT) 거동을 정확히 재현하였으며, 장기 평형 상태와 특징적인 전이 동역학도 포함하였다.
• 비율 형식의 진화 방정식 사용으로 시간 및 온도에 따라 변화하는 확산 계수와 다중 공존 상의 일관된 시뮬레이션을 가능하게 하였다.