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Microstructural Rapid Solidification Model

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Academic year: 2022

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(1)

Microstructural Rapid Solidification Model

A. R. S. M.

04. 15. 2019

(2)

Introduction – Solidification Microstructures

2

Various Microstructures in Solidification

(3)

Introduction

3

As‐cast(built)

After heat treatment Conventional Casting Additive Manufacturing

(4)

Introduction

4

Unique microstructure due to Rapid Solidification Chemical homogeneity due to  Rapid Solidification

(5)

Macroscopic view for Normal Solidification

5

• Field : Temperature(T), Concentration(C)  

• Thermodynamic non‐equilibrium process (Kinetics: V)

• Microstructure evolution due to gradients of T and C

>> Solving T and C diffusion equations (Fick’s law)

>> Moving boundary(Solid/Liquid Interface) condition must be included 

Nature in Solidification

initial transient field

steady state field

<T distribution profile> <C distribution profile>

𝑇 𝐺 · 𝑉

(6)

Local equilibrium at the Solid/Liquid interface

6

• Equilibrium partition coefficient

At equilibrium,

For small concentration

<relationship bet’n k and m>

• Liquidus slope = m

k = Cs/Cl

slope = m

(7)

Morphological instability of S/L interface

7

• Simple unstable condition

• But it ignores the effect of the  surface tension

• Only solutal gradient in liquid is  considered

• Instability due to temperature  gradient should also be considered unstable

stable

Solute  rejection  in case k < 1

mGc G

(8)

Interface stability analysis

8

Perturbation analysis

where Thus,

λi : critical perturbation which means the minimum wavelength to be unstable 

Gibbs‐Thomson effect considered

(9)

Interface stability analysis

9

Marginal stability

To obtain time dependence ε and λ

where

Some assumptions are applied for simplicity

when

→ The criterions are the same 

Instability due to T distribution considered

(10)

Morphological categories

10

Const. V Const. G

𝑇 𝐺 · 𝑉

Solidification map

(11)

Dendrite Tip Radius (DTR)

11

< LMK model >

• only valid for low growth rate

• The shape of the dendrite tip is not  derived 

2R

Morphology of Dendrite

LMK model

Simple model to estimate radius 

(12)

Dendrite Tip Radius (DTR)

12

• Combining LMK criterion and Ivantsov’s solution 

• Since some coefficient(Ctl, Pc, ξc) contain radius r in the final equation, it is  solved iteratively using Newton‐Raphson method 

• Excellent agreement with the experimental data in various range of velocity

KGT model

To determine radius at not only low velocity but also high velocity

where

(13)

cf) There is very simple model  as       for the industrial use

Primary Dendrite Arm Spacing (PDAS)

13

Kurz and Fisher / Trivedi model

• Most‐accepted models in PDAS calculation

• Assuming the shape of dendrite as an ellipse with a hexagonal arrangement

• Trivedi model predicts a minimum in the solute Peclet number as a function of V

<Kurz and Fisher>

<Trivedi model>

(14)

Morphological Transition

14

Cellular to columnar Dendrite Transition (CDT) 

<Trivedi model>

Columnar dendrite to Equiaxed Transition (CET) 

<Hunt model>

Fully equiaxed condition

• It is obvious in experimental data that there  are maximum PDAS at CDT region (effect of CR)

• Increasing the solute promotes columnar  dendrite over cellular growth (effect of C0)

(15)

Secondary Dendrite Arm Spacing (SDAS)

15

Kattamis and Fleming model

• Growth SDAS is analogous to the  Ostwald ripening of precipitates

• The driving force for the ripening  process is the difference in chemical  potential of crystals with differing  interfacial energies due to differing  curvatures

(16)

Solute redistribution

16

Mass balance in DS Rapid diffusion in liquid

(17)

Microsegregation (MS)

17

Rapid diffusion in liquid

Two extreme cases

Equilibrium cooling  (α’ = 0.5)

Scheil cooling (α’ = 0)

(18)

Secondary Phase Fraction (SPF)

18

Roosz model and Voller’s approach

To calculate the secondary phase fraction and solute profile across the SDAS

1. Total dendrite tip undercooling : 2. Microsegregation calculation 3. eutectic undercooling

4. Total eutectic phase(secondary phase) fraction calculation 

(19)

Secondary Phase Fraction (SPF)

19

SDAS also increases with time  >> Coarsening of SDAS

where

Coarsening of SDAS

Mass balance

Solute back diffusion

Roosz model and Voller’s approach

(20)

Secondary Phase Fraction (SPF)

20

Discretizing by Euler forward treatment

• Finite Difference Control Volume method

• The calculation steps are terminated until eutectic temperature is reached

• Secondary phase(eutectic) fraction can be calculated as 1 – Xs(t)/X0(t) 

Roosz model and Voller’s approach

(21)

Microstructural Solidification Model Summary

21

DTR PDAS

SDAS

CDT/CET

SPF MS

(22)

Departure from Local Equilibrium

22

Local thermodynamic equilibrium at S/L interface

k = Cs/Cl

slope = m

Non‐equilibrium condition at S/L interface

(23)

T0 condition

23

Thermodynamic criterion

(24)

T0 condition

24

At equilibrium

At non‐equilibrium Then,

From the relationship

it follows that,

Approximation gives

Baker and Cahn model

Thermodynamic criterion

(25)

T0 condition

25

Baker and Cahn model

Consider kinetics of  Atom rearrangement Adding equations The relationship bet’n

delta G and V >>

Combining eqs.

for Planar interface for DT

Set R and V=∞, kv=1  < T0‐line > only for dilute solution Thermodynamic criterion

(26)

Non-equilibrium Partition Coefficient

26

Aziz model

• Solute Trapping model

• Relationship between k and V

The flux proportional to chemical potential gradient

where

and then,

The source term of solute rejection at the interface

Therefore

Again for dilute solution, or

(27)

Absolute Stability

27

Absolute stability

Upper limit of stability

(cf) marginal stability = Lower limit of Stability

Diffusion field  near to absolute  stability

laser remelting experiments

(28)

Microstructural Rapid Solidification Model

28

DTR PDAS

SDAS

DCT/CPT

SPF MS

Applying 

non‐equilibrium k and m

or

Build‐up new model To find out 

Dendrite to Cellular transition / Cellular to Planar transition Criterion

Build‐up new model

(29)

Experimental Plan

29

Laser resolidification technique

• Wide range in rapid cooling rate (solidification velocity)

• Easy to control the process 

• Additive manufacturing issue

Modeling laser resolidification of Ag‐5wt%Cu alloy 

(30)

Thank you for listening!

참조

관련 문서