شبیه‌سازی عددی ریزساختار انجماد در فرایند ذوب انتخابی بوسیله لیزر و بررسی اثر پارامترهای فرآیند بر مورفولوژی دانه‌ها

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشیار، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف

10.22034/frj.2020.209247.1110

چکیده

در فرآیند ساخت افزایشی فلزات توانایی پیش­بینی و کنترل ریزساختار، می­تواند نیاز به عملیات حرارتی متعاقب را کاهش داده و فرآیند کیفیت­سنجی قطعه ساخته‌شده را سرعت بخشد. توانایی پیش­بینی و کنترل ریزساختار مواد در روش رسوب‌دهی با لیزر نیاز به درک شرایط حرارتی طی فرایند انجماد دارد. به این منظور، در این تحقیق ارتباط میان نرخ سرد شدن و شیب دما حین انجماد موضعی، و پارامترهای کنترلی فرآیند رسوب­دهی لیزر مانند توان، شعاع پرتو و سرعت اسکن لیزر، مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور در قسمت اول پروژه نرخ سرمایش و شیب حرارتی در خلال انجماد به‌صورت عددی با حل معادله انتقال حرارت مربوطه به کمک روش اجزای محدود محاسبه شد و سپس نتایج حاصل شامل پارامترهای انجمادی ذکرشده روی نقشه انجمادی آلیاژ Ti6-Al4-V  جهت پیش­بینی ریزساختار انجمادی تصویر شد. نتایج این تحقیق نشان داد که تغییرات توان، شعاع و سرعت اسکن پرتو لیزر، بسته به شرایط فرایند می­تواند تأثیر قابل‌توجهی بروی نرخ سرد شدن و شیب دمایی حین فرآیند انجماد داشته باشد، بطوریکه با کاهش توان، افزایش سرعت اسکن و افزایش شعاع پرتوی لیزر، مورفولوژی دانه‌ها می‌تواند از حالت ستونی به حالت مخلوط (ترکیب ستونی و هم­محور) و کاملاً هم­محور تغییر یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Gibson I., Rosen D., Stucker B., Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing, second edition, Second. New York: Springer New York Heidelberg Dordrecht London, 2015.
[2]  Rafi H.K., Karthik N.V., Gong H., Starr T. L., Stucker B.E., Antonysamy A. A., Microstructure, texture and mechanical property evolution during additive manufacturing of Ti6Al4V alloy for Aerospace applications, Journal of Materials Engineering and Performance, 2012, 22(12) 3872–3883.
[3]  Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C., Additive manufacturing of metals, Acta Materialia, 2016, 117, 371–392.
[4]  Jyothish Kumar L., Pandey P. M., Wimpenny D. I., 3D printing and additive manufacturing technologies, 2018.
[5]  Rivera O.G., Structure-property relationships of solid state additive manufactured aluminum alloy 2219 and Inconel 625, The University of Alabama, 2017.
[6]  Bansal R., Acharya R., Gambone J.J., Das S., Experimental and theoretical analysis of scanning laser epitaxy applied to nickel-based superalloys, 22nd Annu. Int. Solid Free. Fabr. Symp.: An Addit. Manuf. Conf. SFF 2011, 2011, 496–503.
[7]  Liu J., To A.C., Quantitative texture prediction of epitaxial columnar grains in additive manufacturing using selective laser melting, Additive Manufacturing, 2017, 16, 58–64.
[8]  Lopez-Botello O., Martinez-Hernandez U., Ramírez J., Pinna C., Mumtaz K., Two-dimensional simulation of grain structure growth within selective laser melted AA-2024, Materials and Design, 2017, 113, 369–376.
[9]  Shiomi M., Yoshidome A., Abe F., Osakada K., Finite element analysis of melting and solidifying processes in laser rapid prototyping of metallic powders, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1999, 39(2) 237–252.
[10]   Roberts I., Wang C.J., Esterlein R., Stanford M., Mynors D., A three-dimensional finite element analysis of the temperature field during laser melting of metal powders in additive layer manufacturing, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(12–13) 916–923.
[11]   Bontha S., Klingbeil N.W., Kobryn P.A., Fraser H.L., Thermal process maps for predicting solidification microstructure in laser fabrication of thin-wall structures, Journal of Materials Processing Technology, 2006, 178 (1–3) 135–142.
[12]   Liu S., Zhu H., Peng G., Yin J., Zeng X., Microstructure prediction of selective laser melting AlSi10Mg using finite element analysis, Materials and Design, 2018, 142, 319–328.
[13]   Froes F., Boyer R., Dutta B., Introduction to aerospace materials requirements and the role of additive manufacturing, Additive Manufacturing for the Aerospace Industry2019, 1–6.
[14]   Murr L.E., et al., Microstructures and mechanical properties of electron beam-rapid manufactured Ti -6Al-4V biomedical prototypes compared to wrought Ti–6Al–4V, Materials Characterization, 2008, 60(2) 96–105.
[15]   Buciumeanu M., Bagheri A., Shamsaei N., Thompson S. M., Silva F. S., Henriques B., Tribocorrosion behavior of additive manufactured Ti-6Al-4V biomedical alloy, Tribology International, 2018, 119, 381–388.
[16]   Santecchia E., et al., Powder Bed Fusion of Biomedical Co-Cr-Mo and Ti-6Al-4V Alloys: Microstructure and Mechanical Properties, Advanced Materials Research, 2019, 1151, 3–7.
[17]   Xie W., Zheng M., Wang J., Li X., The effect of build orientation on the microstructure and properties of selective laser melting Ti-6Al-4V for removable partial denture clasps, Journal of Prosthetic Dentistry, 2019, 123(1), 163-172.
[18]   Mills K.C., Recommended Values of Thermophysical Properties for Selected Commercial Alloys. Cambridge: Woodhead Publishing Ltd, 2002.
[19]   Welsch G., Boyer R., Collings E. W., Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, 2nd ed. 1998.
[20]   Kurz W., Bezençon C., Gäumann M., Columnar to equiaxed transition in solidification processing, Science and Technology of Advanced Materials, 2001, 2(1) 185–191.