Integrated Computational and Experimental Study of Additively Manufactured Steels

Abstract

De designmöjligheter som additiv tillverkning (AM) erbjuder bidrar till nya lösningar som kan förbättra funktionaliteten i industriella applikationer. Det ger också unika möjligheter när det kommer till materialdesign.

Powder Bed Fusion – Laser Beam (PBF-LB) är för närvarande en av de mest populära kommersiella AM-teknikerna för metalliska material, delvis på grund av relativt bra ytfinhet och stor designflexibilitet. Antalet material som lämpar sig för PBF-LB-processen är dock fortfarande ganska få och för att påskynda utvecklingen av material skräddarsydda för AM-processen behövs dedikerade beräkningsverktyg för legeringsdesign. Viktigt för materialdesign är beräkningstermodynamik och kinetik i kombination med CALPHAD-beskrivningar eftersom det möjliggör beräkningar för flera olika materialsammansättning vilket i sin tur gör det möjligt att förutsäga effekten av olika legeringselement.

I den här avhandlingen tillämpas termodynamiska och kinetiska beräkningar i kombination med materialkarakterisering för att studera mikrostrukturutvecklingen under PBF-LB. Två materialklasser står i fokus – varmbearbetningsverktygsstål och ferritiska rostfria stål. För det varmbearbetade verktygsstålet är kylningshastigheterna under PBF-LB-processen tillräckligt höga för att inducera martensitomvandling och den resulterande mikrostrukturen består sedan av martensit och en del rest-austenit. En stelningssubstruktur orsakad av mikrosegregering under stelning observeras också. Stelningsberäkningar utförs för att förutsäga mikrosegregeringen och överenstämmelse med experimentella mätningar erhålls. Segregationsresultaten används sedan som indata till en semi-empirisk martensit-start-temperatur-modell som gör det möjligt att förklara mängden och lokaliseringen av rest-austeniten.

Ett beräkningsramverk för materialdesign för AM måste även omfatta möjligheten att skräddarsy efter-värmebehandlingar. Ett alternativ till den konventionella härdningsbehandlingen studeras därför i det här arbetet. En modell för utskiljningskinetik kombineras med experimentell karakterisering för att utforska effekten av anlöpning på AM-mikrostrukturen i jämförelse med effekten av anlöpning på en austenitiserad mikrostruktur. Resultaten visar att utskiljningsskinetiken är starkt beroende av startstrukturen och att direkt anlöpning av AM-mikrostrukturen förändrar utskiljningssekvensen jämfört med den konventionella värmebehandlingen vilket beräkningarna också visar.

Den andra materialklassen, de ferritiska rostfria stålen, studeras i termer av deras respons på efter-värmebehandlingar. Denna AM-mikrostruktur kännetecknas av hög dislokationsdensitet och en finkornig struktur, i vissa fall, samt en stelningssubstruktur. De mekaniska egenskaperna hos AM-materialet är i allmänhet bra för dessa stål, men avspänningsvärmebehandling är oftast en nödvändig efterbehandling-process för komponenterna, vilket kan påverka de mekaniska egenskaperna. För att maximera de erhållna fördelarna med PBF-LB:s unika processvillkor används simuleringarna för att studera möjligheten att optimering efter-värmebehandlingen.

För att konstruera ett beräkningsramverk för AM-materialdesign behövs flerskaliga modelleringsmöjligheter. Detta arbete visar värdet av beräkningstermodynamik och kinetik för att förstå materialens beteende på mikroskalan och bidrar därmed till ett sådant ramverk. Genom att förstå den fysiskaliska metallurgin och möjliggöra modellering av AM-processerna kan industrialiseringen av AM påskyndas.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-325332