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A Comparison of the Thermo-Fluid Properties of Ti-6Al-4V Melt Pools Formed by Laser and Electron-Beam Powder-Bed Fusion Processes

材料科学 融合 多物理 合金 激光器 梁(结构) 流体体积法 复合材料 机械 热力学 光学 有限元法 流量(数学) 物理 哲学 语言学
作者
M. Shafiqur Rahman,Paul J. Schilling,Paul D. Herrington,Uttam K. Chakravarty
出处
期刊:Journal of Engineering Materials and Technology-transactions of The Asme [American Society of Mechanical Engineers]
卷期号:143 (2) 被引量:16
标识
DOI:10.1115/1.4048371
摘要

Abstract Powder-bed fusion (PBF) process is a subdivision of additive manufacturing (AM) technology where a heat source at a controlled speed selectively fuses regions of a powder-bed material to form three-dimensional (3D) parts in a layer-by-layer fashion. Two of the most commercialized and powerful PBF methods for fabricating full-density metallic parts are the laser PBF (L-PBF) and electron beam PBF (E-PBF) processes. In this study, a multiphysics-based 3D numerical model is developed to compare the thermo-fluid properties of Ti-6Al-4V melt pools formed by the L-PBF and E-PBF processes. The temperature-dependent properties of Ti-6Al-4V alloy and the parameters for the laser and electron beams are incorporated in the model as the user-defined functions (UDFs). The melt-pool geometry and its thermo-fluid behavior are investigated using the finite volume (FV) method, and results for the variations of temperature, thermo-physical properties, velocity, geometry of the melt pool, and cooling rate in the two processes are compared under similar irradiation conditions. For an irradiance level of 26 J/mm3 and a beam interaction time of 1.212 ms, simulation results show that the L-PBF process gives a faster cooling rate (1. 5 K/μs) than that in the E-PBF process (0.74 K/μs). The magnitude of liquid velocity in the melt pool is also higher in L-PBF than that in E-PBF. The numerical model is validated by comparing the simulation results for the melt-pool geometry with the PBF experimental results and comparing the numerical melt-front position with the analytical solution for the classical Stephan problem of melting of a phase-change material (PCM).
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