Дендритный рост на межфазной границе при селективном лазерном плавлении стали 316L
Автор: Груздь С.А., Мосин А.И., Кривилев М.Д.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
Аддитивное производство изделий из металлических порошков является быстро развивающимся направлением машиностроения, связанным, в первую очередь, с активным применением в производстве 3D-принтеров. Одной из важных характеристик изделий, изготовленных по данной технологии, является прочность, которая напрямую зависит от первичной микроструктуры материала. Морфология структуры изделий, созданных селективным лазерным плавлением (СЛП), имеет дендритно-ячеистый тип. В статье рассматривается задача определения характерного размера дендритов, формирующихся при высокоскоростной кристаллизации на границе бассейна расплава при СЛП порошка нержавеющей стали 316L. Входящими макропараметрами исследуемой системы служат такие, как термодинамические свойства расплава нержавеющей стали, скорость движения лазерного луча, а также угол ориентации хвостовой части бассейна расплава, где располагается основной участок фронта кристаллизации. В основе анализа лежит приближение Иванцова, постулирующее рост кристаллитов параболической формы, которое найдено как приближенное решение осесимметричной задачи тепло- и массопереноса. Математическое моделирование проведено с использованием модели Александрова и Галенко роста двумерного дендрита. Модель описывает устойчивый рост дендрита в двухкомпонентной системе при наличии конвекции в кристаллизующемся расплаве. На основе этой модели авторами предложена методика расчета скорости кристаллизации и диаметра вершины дендрита в зависимости от таких макропараметров, с помощью которых можно управлять процессом и получать изделия с заданными свойствами. Рассчитанные значения характерных размеров структуры сопоставлены с результатами экспериментального исследования методом просвечивающей электронной микроскопии образцов стали 316L, сделанных посредством СЛП.
Дендритный рост, межфазная поверхность, селективное лазерное плавление, нержавеющая сталь, математическое моделирование формирования микроструктуры
Короткий адрес: https://sciup.org/143180511
IDR: 143180511 | УДК: 544.015 | DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.15
Dendritic growth at the solidification interface in selective laser melting of 316L steel
Metal powder-based additive manufacturing is a rapidly developing area of mechanical engineering mainly related to the active utilization of 3D printers in the industry. One of the important characteristics of the products obtained using this technology is the strength which depends on the initial microstructure of the material. The morphology of the products manufactured by selective laser melting (SLM) is of dendritic-cellular type. In this paper, the problem of determining the characteristic size of dendrites formed during high-speed solidification at the boundary of the molten pool by selective laser melting of a 316L stainless steel powder layer is considered. Input parameters are defined as the macro parameters of the system under study, such as the thermodynamic properties of a stainless steel melt, the speed of a laser beam, as well as the orientation angle of the tail of the molten pool, where the main section of the crystallization front is located. The mathematical model is based on the Ivantsov approximation of parabolic-shaped crystals, which is found as an approximate solution of the axisymmetric problem of heat and mass transfer. A numerical simulation is performed using a two-dimensional dendritic growth model by Alexandrov and Galenko. The model describes the steady growth of a dendrite in a two-component system in the presence of convection in a solidifying melt. Using this model, the authors propose a method for calculating the solidification velocity and the tip diameter of dendrites, depending on the macroscopic parameters, which in turn can be the control parameters for obtaining the specified properties of the manufactured product. The calculated values are compared to the results of the experimental investigation by transmission electron microscopy of 316L steel samples manufactured by selective laser melting.
Список литературы Дендритный рост на межфазной границе при селективном лазерном плавлении стали 316L
- Новиков С.В., Рамазанов К.Н. Аддитивные технологии: состояние и перспективы. Уфа: УГФТУ, 2022. 75 с.
- Ладьянов В.И., Стяжкина И.В., Камаева Л.В. Влияние температуры расплава на кристаллизацию и свойства сплава Fе – 10 ат.% Si // Перспективные материалы. 2010. № 9. С. 251-254.
- Камаева Л.В., Стерхова И.В., Ладьянов В.И. Вязкость и переохлаждение расплавов системы Fe – Cr в области
- до 40 ат. % Cr // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 3. С. 378-384. (English version https://doi.org/10.1134/S0020168512030089)
- Калиниченко А.С., Кривошеев Ю.К. Определение глубины переохлаждения расплава и характера структурообразования при закалке из жидкого состояния // Литье и металлургия. 2001. № 3. С. 60-65.
- Yap C.Y., Chua C.K., Dong Z.L., Liu Z.H., Zhang D.Q., Loh L.E., Sing S.L. Review of selective laser melting: Materials and Applications // Appl. Phys. Rev. 2015. Vol. 2. 041101. https://doi.org/10.1063/1.4935926
- Ivanov I.A., Dub V.S., Karabutov A.A., Cherepetskaya E.B., Bychkov A.S., Kudinov I.A., Gapeev A.A., Krivilyov M.D., Simakov N.N., Gruzd S.A., Lomaev S.L., Dremov V.V., Chirkov P.V., Kichigin R.M., Karavaev A.V., Anufriev M.Yu., Kuper K.E. Effect of laser induced ultrasound treatment on material structure in laser surface treatment for selective laser melting applications // Sci. Rep. 2021. Vol. 11. 23501. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02895-8
- Иванцов Г.П. Температурное поле вокруг шарообразного, цилиндрического и иглообразного кристалла, растущего в переохлажденном расплаве // ДАН СССР. 1947. Т. 58, № 4. С. 567-569.
- Nestler B., Danilov D., Galenko P. Crystal growth of pure substances: Phase-field simulations in comparison with analytical and experimental results // J. Comput. Phys. 2005. Vol. 207. P. 221-239. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2005.01.018
- Alexandrov D.V., Galenko P.K. Selection criterion of stable dendritic growth at arbitrary Peclet numbers with convection // Phys. Rev. E. 2013. Vol. 87. 062403. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.062403
- Торопова Л.В. Математическое моделирование устойчивой моды дендритного роста при различных условиях кристаллизации // Дисc... канд. физ.-мат. наук: 01.02.14. Екатеринбург, УрФУ. 2020. 124 с.
- Александров Д.В., Галенко П.К. Дендритный рост с вынужденной конвекцией: методы анализа и экспериментальные тесты // УФН. 2014. Т. 184, № 8. С. 833-850. https://doi.org/10.3367/UFNr.0184.201408b.0833
- Porsching T.A. Jacobi and Gauss–Seidel methods for nonlinear network problems // SIAM J. Numer. Anal. 1969. Vol. 6. P. 437-449. https://doi.org/10.1137/0706039
- Khairallah S.A., Anderson A. Mesoscopic simulation model of selective laser melting of stainless steel powder // J. Mater. Process. Tech. 2014. Vol. 214. P. 2627-2636. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.06.001
- Gordeev G.A., Ankudinov V., Kharanzhevskiy E.V., Krivilyov M.D. Numerical simulation of selective laser melting with local powder shrinkage using FEM with the refined mesh // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2020. Vol. 229. P. 205-216. https://doi.org/10.1140/epjst/e2019-900100-6
- Гордеев Г.А., Кривилев М.Д., Анкудинов В.А. Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 3. С. 293-312. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.23
- Pinomaa T., Lindroos M., Walbrühl M., Provatas N., Laukkanen A. The significance of spatial length scales and solute segregation in strengthening rapid solidification microstructures of 316L stainless steel // Acta Mater. 2020. Vol. 184. P. 1 16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.10.044
