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Multiscale Modeling of Nanoparticle Precipitation in Oxide Dispersion-Strengthened Steels Produced by Laser Powder Bed Fusion

材料科学 氧化物 降水 纳米颗粒 色散(光学) 融合 激光功率缩放 化学工程 冶金 热力学 纳米技术 功率(物理) 物理 工程类 哲学 气象学 语言学 光学
作者
Zhengming Wang,Seongun Yang,Stephanie Lawson,Cheng-Hsiao Tsai,V. Vinay K. Doddapaneni,Marc Albert,Benjamin Sutton,Chih‐Hung Chang,Somayeh Pasebani,Donghua Xu
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:17 (22): 5661-5661 被引量:5
标识
DOI:10.3390/ma17225661
摘要

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) enables the efficient production of near-net-shape oxide dispersion-strengthened (ODS) alloys, which possess superior mechanical properties due to oxide nanoparticles (e.g., yttrium oxide, Y-O, and yttrium-titanium oxide, Y-Ti-O) embedded in the alloy matrix. To better understand the precipitation mechanisms of the oxide nanoparticles and predict their size distribution under LPBF conditions, we developed an innovative physics-based multiscale modeling strategy that incorporates multiple computational approaches. These include a finite volume method model (Flow3D) to analyze the temperature field and cooling rate of the melt pool during the LPBF process, a density functional theory model to calculate the binding energy of Y-O particles and the temperature-dependent diffusivities of Y and O in molten 316L stainless steel (SS), and a cluster dynamics model to evaluate the kinetic evolution and size distribution of Y-O nanoparticles in as-fabricated 316L SS ODS alloys. The model-predicted particle sizes exhibit good agreement with experimental measurements across various LPBF process parameters, i.e., laser power (110-220 W) and scanning speed (150-900 mm/s), demonstrating the reliability and predictive power of the modeling approach. The multiscale approach can be used to guide the future design of experimental process parameters to control oxide nanoparticle characteristics in LPBF-manufactured ODS alloys. Additionally, our approach introduces a novel strategy for understanding and modeling the thermodynamics and kinetics of precipitation in high-temperature systems, particularly molten alloys.
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