[论文解读] Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction

Hossein Azizi, Alireza Ebrahimi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 34被引用 5

一句话总结

本研究通过耦合热场与相场建模，探究了铝硅10镁（AlSi10Mg）激光粉末床熔融（LPBF）过程中成形方向对显微组织演化的影响。采用有限元分析模拟热场分布，结合具有随机形核的多序参量相场模型，结果表明：水平成形方向导致更高的溶质再分配过冷度，从而显著增加等轴晶形核——该结果与实验EBSD观测结果一致，即水平样品中等轴晶与柱状晶比例更高。

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.

研究动机与目标

• 理解LPBF-AlSi10Mg中成形方向对凝固显微组织的影响，特别是柱状晶到等轴晶转变（CET）行为。
• 分离热条件（特别是热梯度与冷却速率）在形核与晶粒形貌演化中的作用。
• 将相场模型与Hunt（1984）的稳态CET理论进行验证，并将其应用于瞬态、实验相关的LPBF条件下。
• 量化成形方向对溶质再分配过冷度的影响及其对等轴晶形成的作用。
• 为实验中观察到的垂直与水平成形方向之间晶粒结构的差异提供机理解释。

提出的方法

• 采用有限元分析（FEA）模拟LPBF-AlSi10Mg在垂直与水平成形方向下的瞬态热场分布。
• 采用多序参量相场模型模拟显微组织演化，通过引入随机噪声实现异质形核，以模拟添加颗粒的形核效应。
• 将相场模型与Hunt（1984）的稳态CET理论进行对比验证，确保其对形貌转变预测的准确性。
• 将FEA获得的热边界条件作为相场模拟的输入，实现对熔池动力学与凝固前沿的高保真建模。
• 沿熔池边界计算溶质再分配过冷度，以评估形核潜力，其中ΔT_max作为关键指标。
• 将模型应用于单层凝固过程，分析晶粒生长模式，包括由柱状晶前缘合并形成的“拉链状”结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 成形方向如何影响LPBF-AlSi10Mg中的热梯度与冷却速率，其对显微组织演化有何影响？
• RQ2 溶质再分配过冷度在促进等轴晶形核中的作用是什么？其在不同成形方向下如何变化？
• RQ3 具有随机形核的相场模型在多大程度上能再现实验中观察到的垂直与水平成形方向之间晶粒形貌的差异？
• RQ4 最大晶粒生长方向与成形轴之间的夹角如何影响熔池内形核概率？
• RQ5 该相场模型能否准确预测在瞬态、非稳态LPBF条件下的柱状晶到等轴晶转变（CET）？

主要发现

• 相场模型成功再现了柱状晶到等轴晶转变（CET），并经Hunt（1984）的稳态CET理论验证，结果可靠。
• 由于晶粒生长方向与Z轴夹角更大，水平成形样品的溶质再分配过冷度（ΔT_max）显著高于垂直成形样品。
• 水平成形中最大过冷度（ΔT_max）通过数值计算获得，其定性趋势与定量结果均与理论预测相符。
• 水平样品中的等轴晶形核事件数量显著增加，直接解释了实验中观察到的更高等轴晶/柱状晶比例。
• 熔池后缘由柱状晶前缘合并形成的“拉链状”结构，被证实是热边界条件与熔池几何形状的直接结果。
• 本研究证实，成形方向通过显著增强水平成形中溶质再分配过冷度，改变了局部热环境，从而提高了形核潜力。