شماره مدرك
21251
شماره راهنما
2521 دكتري
پديد آورنده
پورمند، سارا
عنوان
شبيهسازي عددي ريزساختار انجمادي در فرايند ذوب بستر پودر با ليزر آلياژ دوتايي Fe-17wt%Cr به روش ميدان فاز
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
متالورژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
ض، 119 ص.: مصور
توصيفگر ها
ذوب بستر پودر با ليزر , ريزساختار انجمادي , مدل حرارتي–سيالي , مدل ميدان فاز , طراحي پنجره فرايندي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/23
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/28
كد ايرانداك
23242252
چكيده فارسي
فرايند ذوب بستر پودر با ليزر به دليل نرخهاي سرمايش بالا، شيبهاي دمايي شديد و برهمكنش پيچيده پديدههاي حرارتي، سيالي و انجمادي، از پيچيدهترين فرايندهاي ساخت افزايشي فلزي براي پيشبيني ريزساختار محسوب ميشود. در اين پژوهش، يك چارچوب عددي چندمقياسي براي پيشبيني ريزساختار انجمادي فولاد زنگنزن 316 L ارائه شده است كه در آن پارامترهاي انجمادي موضعي بهصورت مستقيم از شبيهسازي مقياس ماكرو فرايند استخراج و به شبيهسازي مقياس ميكرو ريزساختار مبتني بر ميدان فاز منتقل ميشوند. اين چارچوب شامل يك مدل چند فيزيكي سهبعدي مبتني بر روش حجم محدود براي شبيهسازي حوضچه مذاب و يك مدل ميدان فاز براي شبيهسازي انجماد سريع آلياژ Fe–17wt.%Cr است. نتايج نشان داد كه با افزايش چگالي انرژي از 104 به 208 ژول بر ميليمتر مكعب، نسبت عمق به عرض حوضچه مذاب از 47/0 به 87/0 افزايش يافت، در حالي كه شيب دمايي از 106×44/6 به 106×40/3 كلوين بر متر و نرخ سرمايش از 106×44/6 به 106×04/2 كلوين بر ثانيه كاهش پيدا كرد. اين تغييرات موجب افزايش فاصله اوليه سلولي از 6/3 به 5/5 ميكرومتر و در نتيجه درشتتر شدن ريزساختار انجمادي شد. همچنين مشخص گرديد كه در اغلب شرايط فرايندي، رشد سلولي بر رشد دندريتي ستوني غالب است. مقايسه نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي نشان داد كه مدل ميدان فاز قادر به پيشبيني فاصله سلولي اوليه با خطاي متوسط كمتر از 10 درصد است. علاوه بر اين، اثر الگوي روبش دوباريكه و رژيمهاي مختلف ذوب شامل رسانشي، گذار و سوراخ كليدي بر رفتار حرارتي و ريزساختار انجمادي بررسي شد. نتايج نشان داد كه تغيير الگوي روبش و رژيم ذوب ميتواند حالت انجماد، ميزان جدايش عناصر آلياژي و پايداري رشد ريزساختار را بهطور قابل توجهي تحت تأثير قرار دهد. چارچوب عددي ارائهشده ميتواند بهعنوان ابزاري مؤثر براي پيشبيني و كنترل ريزساختار در فرايند ذوب بستر پودر با ليزر مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي
Laser powder bed fusion (LPBF) is one of the most complex metal additive manufacturing processes for predicting solidification microstructures, owing to its high cooling rates, steep thermal gradients, and intricate interactions among heat transfer, fluid flow, and solidification phenomena. In this study, a multiscale numerical framework is developed to predict the solidification microstructure of 316L stainless steel by directly transferring local solidification conditions from macroscale process simulations to a phase-field-based microscale model. The framework integrates a three-dimensional multiphysics finite-volume model for melt-pool dynamics with a phase-field model for rapid solidification of a Fe–17 wt.% Cr alloy. The results show that increasing the energy density from 104 to 208 J/mm³ increases the melt-pool depth-to-width ratio from 0.47 to 0.87, while decreasing the thermal gradient from 6.44 × 10⁶ to 3.40 × 10⁶ K/m and the cooling rate from 6.44 × 10⁶ to 2.04 × 10⁶ K/s. As a result, the primary cell spacing increases from 3.6 to 5.5 μm, indicating a coarsening of the solidification microstructure. Under most processing conditions, cellular growth is found to prevail over columnar dendritic growth. Comparison with experimental measurements demonstrates that the phase-field model predicts the primary cell spacing with an average error of less than 10%. Furthermore, the effects of a double-beam scanning strategy and different melting regimes, including conduction, transition, and keyhole modes, on the thermal behavior and solidification microstructure are investigated. The results reveal that both the scanning strategy and melting regime can substantially influence the solidification mode, alloying-element segregation, and stability of microstructural growth. Overall, the proposed multiscale framework provides an effective computational tool for predicting and controlling solidification microstructures in laser powder bed fusion.
استاد راهنما
احمد كرمانپور , احمد رضائيان
استاد مشاور
امين جعفري رامياني
استاد داور
مهدي جوان بخت , بهزاد نيرومند