[논문 리뷰] Scheil-Gulliver simulations for the design of functionally graded alloys by additive manufacturing using pycalphad

Brandon Bocklund, Lourdes D. Bobbio외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 30.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 pycalphad 기반으로 구축된 Scheil-Gulliver 시뮬레이션 도구를 제시하여 적층 제조를 통한 방향성 에너지 증착 공정으로 제조된 기능성 경도 합금(FGMs)에서 비평형 응고 상을 예측한다. 실험적 상 형성과의 일치도를 고려할 때, Scheil-Gulliver 예측이 평형 가정보다 우수함을 입증하며, 이는 첨가 제조 공정 중 균열을 방지하기 위해 타당한 조성 기울기의 선별에 효과적임을 시사한다.

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM), through directed energy deposition, supports planned composition changes between locations within a single component, allowing for functionally graded materials (FGMs) to be developed and fabricated. The formation of deleterious phases along a particular composition path can cause significant cracking during the AM build process that makes the composition path unviable to produce these FGMs, but it is challenging to predict which phases will be present in as-built additively manufactured parts by analyzing only equilibrium phase relations. Solute segregation during solidification can lead to the formation of non-equilibrium phases that are stable at compositions far from the nominal composition of the melt, leading to crack formation. In this work, we developed a Scheil-Gulliver simulation tool based on pycalphad. We used this tool to compare the non-equilibrium phases predicted to form during solidification using the Scheil-Gulliver model with experimentally measured phases at several locations with different composition in a Ti-6Al-4V to Invar-36 FGM and a commercially pure Ti to Invar-36 FGM. We showed that the phases predicted to form by the Scheil-Gulliver model outperform the predictions made by assuming equilibrium solidification. Further, we demonstrated the use of our Scheil-Gulliver simulation tool as a method of screening potential FGM pathways by calculating the solidification phase fractions along the experimental gradient path in composition space.

연구 동기 및 목표

• 용매 분획이 발생하는 상황에서 적층 제조 공정 중 기능성 경도 합금(FGMs)의 유해한 상 형성 예측 문제를 해결하기 위해.
• 급격한 냉각 조건에서의 응고 거동 예측에 있어 평형 상도의 한계를 극복하기 위해.
• Scheil-Gulliver 모델을 사용하여 비평형 응고를 시뮬레이션할 수 있는 pycalphad 기반 계산 도구를 개발하기 위해.
• Ti-6Al-4V에서 Invar-36, 순수 티타늄에서 Invar-36에 이르는 FGM 시스템에서 실험적 상 데이터와 Scheil-Gulliver 예측을 비교 검증하기 위해.
• 응고 상 분율을 기준으로 기울기 경로를 분석함으로써 체계적인 FGM 제조 경로의 타당성 선별을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• pycalphad 프레임워크 내부에 Scheil-Gulliver 모델을 구현하여 비평형 조건에서의 응고를 시뮬레이션하기 위해.
• 고체 상에서의 확산이 없고 액체-고체 인터페이스에서 평형이 유지된다는 가정 하에 용매 재분배를 모델링하기 위해.
• 조성 공간 내 선형 기울기 경로를 따라 각 조성에서의 상 분율과 안정 상을 계산하기 위해.
• Gibbs 자유 에너지 및 상 평형을 계산하기 위해 pycalphad와 호환되는 열역학 데이터베이스를 사용하기 위해.
• 두 가지 FGM 시스템(Ti-6Al-4V에서 Invar-36, 순수 티타늄에서 Invar-36)에서 예측된 Scheil-Gulliver 상과 실험적으로 관측된 상을 비교하기 위해.
• 실험적 기울기 경로를 따라 응고 상 분율을 체계적으로 평가하여 균열을 유발할 수 있는 상 형성 영역을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Scheil-Gulliver 시뮬레이션은 기능성 경도 합금의 적층 제조 공정 중 비평형 상 형성을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 실험적 상 형성과의 일치도를 고려할 때 Scheil-Gulliver 예측은 평형 상 예측보다 얼마나 우수한가?
• RQ3 FGMs의 어떤 조성 경로가 적층 제조 공정 중 균열을 유발할 수 있는 유해한 상 형성에 가장 취약한가?
• RQ4 pycalphad 내의 Scheil-Gulliver 모델은 타당한 FGM 제조 경로를 선별하는 신뢰할 수 있는 도구로 활용될 수 있는가?
• RQ5 용매 분획이 명시된 조성에서 벗어난 효과적인 응고 경로로 이동시키는 데서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Scheil-Gulliver 모델은 Ti-6Al-4V에서 Invar-36, 순수 티타늄에서 Invar-36에 이르는 두 시스템 모두에서 평형 상 예측보다 실험 관측과 유의미하게 더 높은 일치도를 보이며 비평형 상을 예측하였다.
• Scheil-Gulliver 모델이 예측한 상들은 용매가 갇혀서 발생하는 현상으로 인해 명시된 용매 조성에서 멀리 떨어진 조성에서 형성되었으며, 이는 평형 모델이 포착하지 못한 균열 위험을 설명한다.
• 이 시뮬레이션 도구는 고체 상 분율이 높은 비금속 간 화합물 상이 형성되는 조성 기울기 경로 상의 영역을 성공적으로 규명하여 잠재적인 고장 영역을 식별하였다.
• 응고 상 분율 분석 결과, 일부 중간 조성에서는 불리한 상의 체적 분율이 높게 나타나 FGM 제조에 부적합한 후보로 나타났다.
• pycalphad를 활용한 Scheil-Gulliver 시뮬레이션은 빌드 시험 이전에 타당한 FGM 조성 경로를 사전 선별하기 위한 계산적으로 효율적이고 정확한 방법을 제공하였다.
• 본 연구는 비평형 응고 모델링이 신뢰할 수 있는 FGM 설계를 위해 필수적임을 입증하였으며, 평형 가정은 중요한 상 형성 메커니즘을 포착하지 못함을 보여준다.