[論文レビュー] Scheil-Gulliver simulations for the design of functionally graded alloys by additive manufacturing using pycalphad

Brandon Bocklund, Lourdes D. Bobbio+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、pHcalphadを基盤として、指向性エネルギー堆積による増加造造造りで作製される機能梯度合金（FGMs）における非平衡凝固相を予測するScheil-Gulliverシミュレーションツールを提示する。実験的相形成と照らし合わせた結果、Scheil-Gulliver予測は平衡仮定を上回る精度を示し、AMプロセス中の亀裂数を回避するための有効な組成勾配スクリーニングを可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 溶質セグリゲーションによる機能梯度合金（FGMs）の増加造造造りにおける有害相形成を予測する課題に対処すること。
• 急速冷却条件下における凝固挙動を予測するにあたり、平衡相図の限界を克服すること。
• pHcalphadに基づく非平衡凝固をシミュレートする計算ツールの開発。
• Ti-6Al-4VからInvar-36および純チタンからInvar-36のFGMsにおいて、Scheil-Gulliver予測を実験的相データと照合して検証すること。
• 勾配パスに沿った凝固相分率を分析することで、実験的勾配パスに沿った有効なFGM製造ルートの体系的スクリーニングを可能にすること。

提案手法

• pHcalphadフレームワーク内にScheil-Gulliverモデルを実装し、非平衡状態下での凝固をシミュレートすること。
• 固体相における拡散なし、および液体-固体界面で平衡を仮定することで、凝固中の溶質再分配をモデル化すること。
• 組成空間における線形勾配パスに沿って、各組成における相分率および安定相を計算すること。
• Gibbs自由エネルギーと相平衡を計算するために、pHcalphadと互換性のある熱力学データベースの使用。
• Ti-6Al-4VからInvar-36および純チタンからInvar-36の2つのFGMシステムにおいて、予測されたScheil-Gulliver相と実験的観察相を比較すること。
• 実験的勾配パスに沿った凝固相分率の体系的評価を行い、亀裂数を引き起こす可能性のある相が形成される領域を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Scheil-Gulliverシミュレーションは、機能梯度合金の増加造造造りにおける非平衡相を正確に予測できるか？
• RQ2 実験的相形成との一致度において、Scheil-Gulliver予測は平衡相予測に比べてどの程度優れているか？
• RQ3 FGMsにおけるどの組成パスが、AMプロセス中に亀製数を引き起こす有害相を形成しやすいか？
• RQ4 pHcalphad上でのScheil-Gulliverモデルは、有効なFGM製造ルートのスクリーニングに信頼できるツールとして機能できるか？
• RQ5 溶質セグリゲーションは、顕著な組成から逸脱した有効な凝固パスをどのようにシフトさせるか？

主な発見

• Scheil-Gulliverモデルは、Ti-6Al-4VからInvar-36および純チタンからInvar-36の両方のFGMsにおいて、平衡相予測よりも著しく実験観察と一致する非平衡相を予測した。
• Scheil-Gulliverモデルが予測した相は、溶質トラッピングのため、顕著な溶融組成から大きく離れた組成で形成された。これは、平衡モデルでは捉えきれない亀製数リスクを説明する。
• シミュレーションツールは、高分率の破壊的金属間化合物相が形成される勾配パス上の領域を的確に同定し、潜在的な破壊領域を示した。
• 凝固相分率解析により、特定の中間組成では望ましくない相の体積分率が高くなることが判明し、これらはFGM製造に不適切な候補であった。
• pHcalphadを活用したScheil-Gulliverシミュレーションは、実機試作の前段階で有効なFGM組成パスを事前スクリーニングするための計算的に効率的で高精度な手法を提供した。
• 本研究は、非平衡凝固モデリングが、平衡仮定が重要な相形成メカニズムを捉えきれないため、信頼性の高いFGM設計に不可欠であることを示している。