مدل‌سازی رشد دانه تحت گرادیان‌های حرارتی به روش میدان فاز در فرایند ساخت افزودنی ذوب لیزری انتخابی

مطالعه ریزساختار مواد از دهه‌های گذشته همواره از اهمیت بالایی برخوردار بوده است زیرا تغییرات ریزساختار موجب تغییرات خواص ماده می‌شود. رشد دانه نرمال به‌منظور کاهش انرژی مرزدانه‌ها صورت می‌گیرد. رشد دانه می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی از جمله تغییرات دما باشد. هدف از این پژوهش مدل‌سازی رشد دانه تحت گرادیان‌های حرارتی است. به‌منظور دستیابی به این هدف از روش میدان فاز استفاده شده است. ابتدا میدان حرارتی در یک فرایند ساخت افزودنی ذوب لیزری انتخابی به کمک زبان برنامه‌نویسی متلب پیاده‌سازی و توزیع دما در صفحه‌ای دو‌بعدی استخراج شد. منظور از صفحه دو‌بعدی صفحه‌ای است که یک بعد آن در راستای حرکت لیزر و بعد دیگر در راستای ضخامت ماده است. سپس سه نقطه در عمق‌های مختلف هندسه انتخاب شد و تغییرات دمای آن‌ها در طول زمان حل به‌دست آمد. داده‌های دما در هر گام زمانی، به عنوان ورودی مستقل برای شبیه‌سازی میدان فاز استفاده شد. جهت کوپل کردن مکانی شبیه‌سازی میدان حرارتی و میدان فاز از یک رویکرد چندمقیاسی استفاده شد. به‌گونه‌ای که یک حجمک نماینده تصادفی با طول مشخصه معین به نقاط مادی که تغییرات دمای آن‌ها در طول زمان استخراج شده است، اختصاص داده شد. سپس شبیه‌سازی میدان فاز برای سه حجمک نماینده در عمق‌های تعیین شده انجام و رشد دانه و حرکت مرزدانه‌ها در این سه حجمک نماینده با یکدیگر مقایسه شد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد در حجمک نماینده‌ای که دمای بیشتری را تجربه کرده است تحرک مرزدانه‌ها نیز بیشتر است. در نتیجه نرخ رشد دانه یا به‌عبارتی درشت شدن دانه بیشتر است.

phase-field modeling of grain growth under thermal gradients in slm additive manufacturing process

the study of material microstructures is of great importance since changes in microstructure directly influence the material properties. normal grain growth occurs to reduce grain boundary energy, but it can be affected by various factors, including temperature variations. this research aims to model grain growth under thermal gradients using the phase-field method. initially, the thermal field in a selective laser melting (slm) additive manufacturing process was simulated using matlab, and the temperature distribution in a two-dimensional plane was extracted. this two-dimensional plane represents a cross-section where one axis corresponds to the laser movement direction and the other to the material thickness. subsequently, three points at different depths within the geometry were selected, and their temperature variations over time were calculated. the temperature data at each time step were used as independent input for the phase-field simulation. to spatially couple the thermal field simulation with the phase-field simulation, a multiscale approach was employed. in this approach, a randomly generated representative volume element (rve) with a predefined characteristic length was assigned to material points whose temperature variations had been extracted over time. phase-field simulations were then performed for three rves at the specified depths, and grain growth and grain boundary movement within these rves were compared. the simulation results indicate that the rve experiencing higher temperatures exhibits greater grain boundary mobility. consequently, the grain growth rate, or coarsening, is higher in such cases.