پديد آورنده :
اعتضادي پورمقدم، رادمان
عنوان :
شبيهسازي عددي انتقال حرارت و تشكيل ريزساختار انجمادي در فرايند ساخت افزايشي ذوب بستر پودر
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
پانزده، 148ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
شبيهسازي عددي , ريزساختار انجمادي , المان محدود , ميدان فازي , ذوب بستر پودر , حوضچه مذاب
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/04/10
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/04/10
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، مشخصههاي حوضچه مذاب و ريزساختار انجمادي تشكيلشده در حين فرايند ساخت افزايشي ذوب بستر پودر با كمك شبيهسازي عددي و آزمايشات تجربي بررسي شدند. بدين منظور، ابتدا شبيهسازي حرارتي فرايند به روش المان محدود انجام شد. شكل و ابعاد حوضچه مذاب و بيشينه دماي آن، شيب دمايي، سرعت انجماد و تاريخچه حرارتي از جمله خروجيهاي اين شبيهسازي هستند. به منظور اعتبارسنجي نتايج شبيهسازي المان محدود، نمونههاي تجربي تكباريكه با متغيرهاي مختلف ساخته شده و مشخصهيابي شدند. نتايج آزمايشات تجربي نشان داد كه گرچه شبيهسازي عددي مقادير ابعاد و شكل حوضچه مذاب را براي حوضچههاي رسانشي (كه در مقادير دانسيته انرژي كمتر ايجاد ميشوند) به درستي پيشبيني ميكند، اما نتايج آن براي نمونههاي داراي حوضچه مذاب سوراخ كليدي قابل اعتماد نيست. دليل اين موضوع ماهيت ناپايدار حوضچههاي سوراخ كليدي و شرايط متفاوت انتقال حرارت در اين حوضچهها ميباشد. همچنين با محاسبه بيشينه دماي حوضچه مذاب با كمك مدل المان محدود، امكان تشكيل حوضچه مذاب سوراخ كليدي پيشبيني گرديد. لازم به ذكر است كه از مدل المان محدود براي پيشبيني عيب ذوب ناقص نيز استفاده شد. همچنين اثر متغيرهاي فرايند ذوب بستر پودر بر بيشينه دما، شكل و ابعاد حوضچه مذاب و نوع آن با كمك شبيهسازي المان محدود و آزمايشات تجربي بررسي شد. در ادامه و به منظور پيشبيني ريزساختار انجمادي، يك مدل ميدان فازي براي شبيهسازي مشخصههاي ريزساختاري توسعه داده شد. شيب دمايي و سرعت رشد انجمادي با كمك مدل المان محدود محاسبه شده و به عنوان ورودي مدل ميدان فازي استفاده گرديد. نتايج خروجي شبيهسازي ميدان فازي شامل فاصله بازوهاي اوليه و ثانويه دندريتي، اندازه سلولها و ريزجدايشهاي ايجادشده حين فرايند ميباشد. به منظور صحتسنجي نتايج شبيهسازي ميدان فازي، از نمونههاي تكباريكه ساخته شده به روش ذوب بستر پودر استفاده شد. نتايج شبيهسازي ميدان فازي با نتايج تجربي براي نمونههاي داراي حوضچه مذاب رسانشي تطابق خوبي داشتند، اما در نمونههاي داراي حوضچه مذاب سوراخ كليدي تطابق كمتري وجود داشت. مقادير جدايش عنصر آلياژي نايوبيم در ريزساختار انجمادي توسط مدل ميدان فازي پيشبيني شد و نتايج نيز با يافتههاي تجربي مطابقت خوبي داشت. همچنين باتوجه به مقادير شيب دمايي و سرعت انجمادي، امكان ايجاد سه نوع ريزساختار شامل سلولي، سلولي-دندريتي و صفحهاي در حين فرايند وجود دارد، اما ريزساختار انجمادي غالب در حوضچه مذاب، سلولي و در بعضي نواحي سلولي-دندريتي بود. اين موضوع اهميت پيشبيني ريزساختار انجمادي در نواحي مختلف يك حوضچه مذاب و نيز حوضچههاي مذاب ايجادشده توسط متغيرهاي فرايند مختلف را نشان ميدهد. درنهايت، اثر متغيرهاي فرايند ذوب بستر پودر بر مشخصههاي ريزساختاري شامل فاصله سلولي، اندازه سلولها و نيز جدايش عنصر آلياژي نايوبيم با كمك شبيهسازي ميدان فازي و آزمايشات تجربي بررسي شد.
چكيده انگليسي :
The characteristics of the melt pool (MP) and the solidification microstructure formed during the laser powder bed fusion (LPBF) process were investigated with the aid of numerical simulation and experimental analysis. For this purpose, first thermal simulation of the process was carried out using the finite element (FE) method. The shape and dimensions of the MP as well as its maximum temperature, thermal gradient, solidification velocity and thermal history are among the outputs of this simulation. In order to validate the simulation results, single-tracks with various processing parameters were fabricated and characterized. The results of the experiments showed that although the numerical simulation correctly predicts the dimensions and geometry of the MP for conductive MPs (which come with lower energy density values), but its results for the tracks having keyhole melting mode are not reliable. This is mainly due to the unstable nature of keyhole MPs and the different heat transfer conditions in this melting mode. Furthermore, the possibility of formation of a keyhole MPs was presented by using the numerical simulation predictions of maximum MP temperature. Notably, the FE model was also used to predict formation of the inter-track lack of fusion defects. The FE model was utilized to study the effect of process parameters on the MP geometry and size as well as maximum temperature. Afterwards, a phase-field (PF) model was developed to simulate the solidification microstructure. The thermal gradient and solidification velocity were calculated by means of the FE model and were used as the inputs of the PF model. The output results of the PF model include primary and secondary dendrite arm spacing, cellular size and micro-segregations. In order to verify the results of the PF simulation, single-tracks fabricated by LPBF process were used. The PF simulation results were in good agreement with the experimental findings for the samples with a conductive MP, but there was less accuracy in the keyhole samples. The reason for this could be the difference between the predicted thermal gradient by the FE model and the actual value, which appears to be reasonable with respect to the unstable nature of a keyhole. The value of Nb micro-segregation during the process were calculated by using the FE model, and the results were in good agreement with experimental findings. In addition, according to the extent of thermal gradient and solidification velocity, three types of microstructures including cellular, cellular-dendritic and planner could be formed during the process. However, the dominant solidification microstructure in the MP was cellular and, in some zones, cellular-dendritic microstructure. This reveals the importance of predicting the solidification microstructure in various zones of a MP as well as MPs formed in different processing parameters. Finally, the effect of LPBF process parameters on cellular spacing and size, and micro-segregations of Nb was investigated by means of the PF simulation as well as experimental analysis.
استاد راهنما :
احمد كرمانپور , احسان فروزمهر
استاد مشاور :
مهدي جوان بخت
استاد داور :
احمد رضائيان , محمد سيلاني
