Non- and Quasi-Equilibrium Multi-Phase Field Methods Coupled with CALPHAD Database for Rapid-Solidification Microstructural Evolution in Laser Powder Bed Additive Manufacturing Condition

灰烬 等轴晶 材料科学 微观结构 合金 热力学 相(物质) 热力学平衡 融合 相图 冶金 化学 语言学 物理 哲学 有机化学
作者
Sukeharu Nomoto,Masahito Segawa,Makoto Watanabe
出处
期刊:Metals [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:11 (4): 626-626 被引量:17
标识
DOI:10.3390/met11040626
摘要

A solidification microstructure is formed under high cooling rates and temperature gradients in powder-based additive manufacturing. In this study, a non-equilibrium multi-phase field method (MPFM), based on a finite interface dissipation model, coupled with the Calculation of Phase Diagram (CALPHAD) database, was developed for a multicomponent Ni alloy. A quasi-equilibrium MPFM was also developed for comparison. Two-dimensional equiaxed microstructural evolution for the Ni (Bal.)-Al-Co-Cr-Mo-Ta-Ti-W-C alloy was performed at various cooling rates. The temperature-γ fraction profiles obtained under 105 K/s using non- and quasi-equilibrium MPFMs were in good agreement with each other. Over 106 K/s, the differences between the non- and quasi-equilibrium methods grew as the cooling rate increased. The non-equilibrium solidification was strengthened over a cooling rate of 106 K/s. Columnar-solidification microstructural evolution was performed at cooling rates of 5 × 105 K/s to 1 × 107 K/s at various temperature gradient values under a constant interface velocity (0.1 m/s). The results show that, as the cooling rate increased, the cell space decreased in both methods, and the non-equilibrium MPFM was verified by comparing with the quasi-equilibrium MPFM. Our results show that the non-equilibrium MPFM showed the ability to simulate the solidification microstructure in powder bed fusion additive manufacturing.
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