Simulation of hot cracking in laser powder bed fusion of metals (PBF-LB/M)

Abstract

Heißrissbildung ist ein häufiger Fehler, der die Verarbeitbarkeit vieler industriell relevanter Legierungen im Bereich der Laser- und lasergestützten Fertigung beeinträchtigt. Bestimmte technische Anwendungen können erheblich von diesen Legierungen profitieren, wenn der oben genannte Mangel wirksam gemindert wird. Das Problem der Erstarrungsrissbildung, eine Form der Heißrissbildung, wurde durch Computersimulationen des Laserstrahlschmelzens (PBF-LB/M) untersucht, bei denen einzelne Nähte der Nickelbasis-Superlegierung CM247LC reproduziert wurden. In dieser Studie wurde die Hypothese aufgestellt, dass es möglich ist, das thermomechanische Verhalten der Mushy Zone mithilfe der Finite-Volumen-Methode (FVM) als Diskretisierungsverfahren zu modellieren, um die Integration in ein multiphysikalisches Simulationsmodell zur Bewertung der Heißrissbildung zu ermöglichen. Ein geeignetes Heißrisskriterium wurde in einem multiphysikalischen Modell für die Lasermaterialbearbeitung implementiert, und die Auswirkung des Vorwärmens auf die Rissminderung wurde mithilfe einer Heißrissanfälligkeitsindex (HCS) bewertet. Das ausgewählte Kriterium basiert auf dem Wettbewerb zwischen zwei physikalischen Parametern: der Rate, mit der flüssiges Metall in ein Kontrollvolumen innerhalb der Mushy Zone eingespeist wird (Rate of Feeding, ROF) und der Rate, mit der sich dieses Kontrollvolumen zusammenzieht (Rate of Shrinkage, ROS). Heißrissbildung ist möglich, wenn der ROF kleiner als der ROS ist. Der erste Parameter wird durch Thermofluidanalyse bestimmt, während der zweite aus der Thermomechanik der Mushy Zone abgeleitet wird, wobei lineare Thermoelastizität als Materialgesetz für Verformungen und Spannungen angenommen wird. Es wurde festgestellt, dass höhere Vorwärmtemperaturen die Flüssigkeitszufuhr in der Mushy Zone nicht verbessern, aber die Schrumpfungsrate erheblich verringern, wodurch die Heißrissneigung reduziert wird. Das verfügbare Simulationstool bietet eine gute Grundlage, um den Einfluss verschiedener physikalischer Variablen und Prozessparameter auf die Erstarrungsrissbildung bei der Laserfertigung vorherzusagen.

Hot cracking is a common defect that affects the processability of many industrially relevant alloys in the field of laser and laser-assisted manufacturing. Specific engineering applications may benefit significantly from these alloys if the aforementioned defect is effectively mitigated. The problem of solidification cracking, a form of hot cracking, was examined through computational simulations of the Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB) process, in which individual beads of CM247LC nickel superalloy were reproduced. This study hypothesized that it is feasible to model the thermomechanical behavior of the mushy zone using the Finite Volume Method (FVM) as discretization technique, allowing its integration into a multiphysical simulation model for the evaluation of hot cracking.A suitable hot cracking criterion was implemented in a multiphysical model for laser material processing, and the effect of preheating on crack mitigation was evaluated using a Hot Cracking Susceptibility (HCS) index. The selected criterion is based on the competition between two physical parameters: the rate at which liquid metal is fed into a control volume within the mushy zone (Rate of Feeding, ROF) and the rate at which this control volume contracts (Rate of Shrinkage, ROS). Hot cracking is possible when the ROF is less than the ROS. The first parameter is determined by thermo-fluid analysis, while the second is derived from the thermomechanics of the mushy zone, assuming linear-thermoelasticity as the constitutive law governing deformations and stresses. It was found that higher preheating temperatures do not improve liquid feeding into the mush, but significantly reduce the rate of shrinkage, favoring the mitigation of hot cracking. The available simulation tool provides a good basis for predicting the impact of different physical variables and process parameters on solidification cracking during laser manufacturing.