[논문 리뷰] Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction

Hossein Azizi, Alireza Ebrahimi외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 21.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 알루미늄 실리카 합금 AlSi10Mg의 레이저 페인트 베드 퓨전(LPBF)에서 시편 성장 방향이 미세구조 형성에 미치는 영향을 열장 및 단상장 모델링의 결합을 통해 조사한다. 유한요소 해석을 통해 열 분포를 모의하고, 확률적 핵형성과 함께 다중 순서 매개변수 단상장 모델을 사용하여, 수평 성장 방향에서 더 높은 구성성 과냉각이 발생함을 입증하였으며, 이는 수평 시편에서 더 높은 균일한 등축 결정립 핵형성과 실험적 EBSD 관측 결과인 더 높은 등축/기둥형 비율과 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LPBF-AlSi10Mg에서 성장 방향이 응고 미세구조, 특히 기둥형에서 등축형으로의 전이(CET)에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 특히 열 기울기와 응고 속도와 같은 열 조건이 핵형성과 결정립 형상에 미치는 영향을 분리하여 분석하는 것.
• 정상 상태 CET 이론과의 비교를 통해 단상장 모델의 정확성을 검증하고, 비정상 상태인 실험적 LPBF 조건 하에서 적용하는 것.
• 성장 방향이 구성성 과냉각에 미치는 영향과 등축 결정립 형성에 대한 영향을 정량화하는 것.
• 수직 및 수평 성장 방향 간의 실험적 미세구조 차이를 기계적 메커니즘으로 설명하는 것.

제안 방법

• 유한요소 해석(FEA)을 사용하여 수직 및 수평 성장 방향에서의 LPBF-AlSi10Mg에서의 임시 열장 분포를 모의하였다.
• 비균일 핵형성 효과를 모사하기 위해 확률적 노이즈를 포함한 다중 순서 매개변수 단상장 모델을 사용하여 미세구조 형성 과정을 시뮬레이션하였다.
• 단상장 모델을 Hunt(1984)의 정상 상태 CET 이론과 비교하여 정확도를 검증하였다.
• FEA에서 유도된 열 경계 조건을 단상장 시뮬레이션의 입력 자료로 사용하여, 용융 풀 동역학과 응고 전면를 현실적으로 모의하였다.
• 용융 풀 경계면에서 구성성 과냉각을 계산하여 핵형성 가능성을 평가하였으며, 주요 지표로 ΔT_max를 사용하였다.
• 단층 응고에 대해 모델을 적용하여 결정립 성장 패턴을 분석하였으며, 기둥형 전면이 융합되어 형성되는 '지퍼형' 구조의 발생을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성장 방향이 LPBF-AlSi10Mg에서 열 기울기와 응고 속도에 미치는 영향은 무엇이며, 그로 인해 미세구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 구성성 과냉각이 등축 결정립 핵형성에 기여하는 역할은 무엇이며, 성장 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 확률적 핵형성을 포함한 단상장 모델이 실험적으로 관측된 수직 및 수평 성장 간의 결정립 형상 차이를 어느 정도 정확하게 재현하는가?
• RQ4 최대 결정립 성장 방향과 성장 축 간의 각도가 용융 풀 내 핵형성 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 비정상 상태인 임시적인 LPBF 조건 하에서 단상장 모델이 기둥형에서 등축형으로의 전이(CET)를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 단상장 모델은 성공적으로 기둥형에서 등축형으로의 전이(CET)를 재현하였으며, Hunt(1984)의 정상 상태 CET 이론과의 비교를 통해 정확도가 검증되었다.
• 수평 성장 시편은 Z축과의 각도가 더 크기 때문에 수직 시편에 비해 상당히 높은 구성성 과냉각(ΔT_max)을 보였다.
• 수평 성장에서 최대 과냉각(ΔT_max)은 수치적으로 계산되었으며, 분석적 예측과 양적·정성적으로 잘 일치하는 결과를 보였다.
• 수평 시편에서 등축 핵형성 사건의 수가 뚜렷이 더 많았으며, 이는 실험적으로 관측된 높은 등축/기둥형 결정립 비율을 직접적으로 설명한다.
• 용융 풀 뒷편에서 기둥형 전면이 융합되어 형성되는 '지퍼형' 구조의 발생은 열 경계 조건과 용융 풀 기하학적 특성의 직접적인 결과로 확인되었다.
• 이 연구는 성장 방향이 국소적 열 환경을 변화시켜 핵형성 가능성을 향상시키며, 주로 수평 성장에서 증가한 구성성 과냉각 덕분임을 확인한다.