Die Auswirkung der treibenden Kraft auf den (a) Wachstumsexponenten und (b) das Korngefüge bei DGG. Der weiße Pfeil zeigt die Richtung des treibenden Kraftfeldes an.
Quelle: BAM
Die Mikrostrukturentwicklung im Ungleichgewicht bei der additiven Fertigung (AM) ist ein wesentliches Hindernis für eine sichere und nachhaltige Anwendung von AM in industriellen Prozessen. Die konstante Wärmequelle in der additiven Fertigung wirkt sich kontinuierlich auf die gerade erstarrten Körner unter dem Schmelzbad aus, was zu einem gerichteten Kornwachstum (DGG) führt. Während Echtzeitmessungen der Nichtgleichgewichts-Mikrostrukturentwicklung eine Herausforderung darstellen, ist die Entwicklung eines rechnerischen Rahmens zur systematischen Erforschung von DGG angesichts der inhärenten Herausforderungen bei experimentellen Messungen unumgänglich.
Wir haben einen umfassenden Ansatz entwickelt, der die Modellierung des mittleren Feldes und Phasenfeldsimulationen integriert, um die Dynamik von DGG unter einer externen Antriebskraft zu erforschen. Unsere Simulationen enthüllen eine stationäre Power-Law-Kornwachstumskinetik während DGG, die durch einen Wachstumsexponenten von typischerweise über 0,5 gekennzeichnet ist. Dieses Verhalten wird auf das Zusammenspiel zwischen krümmungsgetriebener Dynamik an den Korngrenzübergängen und gerichteten Antriebskräften zurückgeführt.
Bemerkenswerterweise zeigt unsere Untersuchung, dass die langsamste Wachstumskinetik bei mittleren Antriebskräften auftritt, während der Wachstumsexponent dazu neigt, sich mit zunehmender Intensität der Antriebskraft auf einem konstanten Wert zu stabilisieren. Die Abbildung veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Wachstumsexponenten und der Antriebskraft sowie die sich entwickelnden Mikrostrukturen bei unterschiedlichen Antriebskräften.
Bei der Analyse unserer Simulationsergebnisse im Rahmen eines neuartigen Mean-Field-Modells führen wir einen zusätzlichen Parameter ein, um den Einfluss der externen Antriebskräfte auf das Kornwachstum zu berücksichtigen. Dieser Parameter ermöglicht die Vorhersage des DGG-Verhaltens während des AM-Prozesses und erleichtert die Vorabbewertung und Optimierungsstrategien.
Mean-Field-Modellierung und Phasenfeldsimulation des Kornwachstums unter gerichteten treibenden Kräften (Mean-field modeling and Phase-field simulation of Grain Growth under Directional driving forces,)
Vitaliy M. Kindrachuk, Reza Darvishi Kamachali,
Materialia, Volume 33, 2024, 101989