title: Modeling and Simulation of Bulk Metallic Glass Crystallization During Laser Powder Bed Fusion
title: Modellierung und Simulation der Kristallisation von massivem metallischem Glas während des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens
Creators: name: Yang, Zerong
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Bulk metallic glass, Crystallization, Laser powder bed fusion (PBF-LB/M), Simulation, Modeling, Additive manufacturing

description: Bulk metallic glasses (BMGs) exhibit many exceptional mechanical properties, making them promising structural materials in diverse industries. These properties derive from their characteristic amorphous structure. However, conventional processing technologies, due to limited cooling rates, face challenges in preventing crystallization to maintain amorphous structures. This limitation restricts the fabrication of complex BMG structures with substantial section thickness. Consequently, it remains challenging to realize the full spectrum of attractive properties offered by BMGs through conventional processing technologies. In contrast, laser powder bed fusion (PBF-LB/M), with its rapid cooling rates at the solidification front, shows great promise for manufacturing BMG parts. Yet, to achieve success, it is crucial to develop optimal process strategies that can effectively minimize both crystallization and process defects. Unfortunately, the current lack of understanding regarding BMG crystallization during PBF-LB/M forces us to heavily depend on trial-and-error experiments for process development. This approach, however, is often not only time-consuming but also costly. This thesis aims to attain a profound and comprehensive understanding of the crystallization behavior of BMGs during PBF-LB/M and develop a numerical tool that can significantly assist in the PBF-LB/M process development. The numerical work builds upon our in-house simulation software, SAMPLE2D, originally developed for simulating the electron beam powder bed fusion process. Consequently, this thesis focuses on two key modeling aspects: laser beam absorption and crystallization. Laser beam absorption was modeled using a ray-tracing approach, considering reflection, refraction, and absorption. The emphasis was on calculating the laser beam absorption coefficient, accounting for its dependence on the angle of incidence and temperature, based on fundamental physical laws. Model validation involved comparing simulation-predicted melt pool geometries with experimentally observed ones, revealing a satisfactory agreement between the two. Modeling of the crystallization behavior serves as the core focus of this thesis. Experimentation provided insights into primary physical effects to consider in the modeling efforts. The modeling approach revolved around the utilization of a phenomenological phase transformation model, specifically the Nakamura model. For numerical implementation, a two-step Euler method was devised. Model parameters were determined through isothermal crystallization experiments, providing essential inputs for the simulation. Experimental validation was achieved by comparing single-track-multi-pass and multi-layer PBF-LB/M results with simulation outcomes. Throughout the study, the glass-forming alloy Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5 (at.%) was used as a representative example. The robust agreement between experimental and simulation results allowed for the extensive application of the extended SAMPLE2D, enabling a comprehensive investigation of PBF-LB/M process conditions, encompassing beam- and powder bed-related parameters, as well as scanning strategies. Numerical insights unveiled that BMG crystallization during PBF-LB/M is a localized phenomenon primarily induced by short-range in-situ heat treatment. Furthermore, a general process development guideline was proposed: First, utilize an appropriate energy input to minimize porosity; Second, within the parameter space capable of fabricating dense parts, minimize the energy input and select parameters that yield a more even energy distribution; Third, optimize the scanning strategy to further reduce crystallization. Notably, the line jumping scanning strategy was highlighted as an effective means of minimizing crystallization while maintaining relative density. Therefore, this thesis not only deepens our comprehension of BMG crystallization during PBF-LB/M but also furnishes the industry with a readily applicable numerical tool to aid in practical PBF-LB/M process development.
description: Massive metallische Gläser (BMGs) weisen viele außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf, was sie zu vielversprechenden Strukturmaterialien in verschiedenen Branchen macht. Diese Eigenschaften ergeben sich aus ihrer charakteristischen amorphen Struktur. Allerdings haben konventionelle Verarbeitungstechnologien aufgrund begrenzter Abkühlraten Schwierigkeiten, die Kristallisation zu verhindern, um die amorphen Strukturen zu bewahren. Folglich bleibt es eine Herausforderung, das gesamte Spektrum attraktiven Eigenschaften von BMGs durch konventionelle Verarbeitungstechnologien zu realisieren. Im Gegensatz dazu zeigt das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M), das an der Solidifikationsfront schnelle Abkühlraten aufweist, großes Potenzial für die Herstellung von Bauteilen aus BMGs. Um dies erfolgreich umsetzten zu könenn, ist es entscheidend, optimale Prozessstrategien zu entwickeln, die sowohl die Kristallisation als auch Prozessfehler effektiv minimieren können. Der Mangel an Erkenntnissen über das Kristallisationsverhalten von BMGs bedingt eine rein experimentelle Prozessentwicklung für den PBF-LB/M Prozess. Dieser Ansatz ist jedoch häufig nicht nur zeitaufwändig, sondern auch kostspielig. Diese Dissertation zielt darauf ab, ein tiefgreifendes und umfassendes Verständnis des Kristallisationsverhaltens von BMGs während des PBF-LB/M Prozesses zu erlangen und ein numerisches Werkzeug zu entwickeln, das maßgeblich bei der Prozessentwicklung unterstützen kann. Die numerische Arbeit wurde auf der Grundlage einer hausinternen Simulationssoftware SAMPLE2D aufgebaut, die ursprünglich für die Simulation des pulverbettbasierten Elektronenstrahlschmelzens entwickelt wurde. Folglich konzentriert sich die Arbeit auf zwei wesentliche Modellierungsaspekte: die Absorption des Laserstrahls und die Kristallisation. Die Absorption des Laserstrahls wurde mit einem Raytracing-Ansatz modelliert, der die Reflexion, Brechung und Absorption des Laserstrahls berücksichtigte. Besonderes Augenmerk lag auf der Ableitung des Absorptionskoeffizienten, unter Berücksichtigung der Abhängigkeit von Einfallswinkel und Temperatur, basierend auf fundamentalen physikalischen Gesetzen. Die Validierung des Modells umfasste den Vergleich von numerisch vorhergesagten Schmelzbadgeometrien mit experimentell beobachteten Geometrien, wobei eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen beiden nachgewiesen wurde. Die Modellierung des Kristallisationsverhaltens stellt den Kernpunkt dieser Arbeit dar. Experimente lieferten Erkenntnisse über die wesentlichen physikalischen Effekte, die in den Modellierungsansätzen berücksichtigt werden müssen. Der Modellierungsansatz verwendet ein phänomenologisches Phasentransformationsmodell, speziell das Nakamura Modell. Für die numerische Umsetzung wurde eine zweistufige Euler-Methode entwickelt. Die Modellparameter wurden durch isotherme Kristallisationsexperimente bestimmt, wodurch wesentliche Eingaben für die Simulation bereitgestellt wurden. Die experimentelle Validierung erfolgte anhand des Vergleichs von experimentellen Einzel-spur-Multipass- und Mehrschichtversuchen mit entsprechenden Simulationsergebnissen. Es wurde die glasbildende Legierung Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5 (at.%) als repräsentatives Beispiel verwendet. Die robuste Übereinstimmung zwischen experimentellen und Simulationsergebnissen ermöglichte die umfangreiche Anwendung des erweiterten SAMPLE2D. Dies ermöglichte eine gründliche Untersuchung der PBF-LB/M Prozessbedingungen, einschließlich strahl- und pulverbettspezifischer Parameter sowie Belichtungsstrategien. Numerische Erkenntnisse zeigten, dass die Kristallisation von BMGs während des PBF-LB/M Prozesses ein lokales Phänomen ist, das hauptsächlich durch kurzreichweitige in-situ Wärmebehandlung induziert wird. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Prozessentwicklungsrichtlinie vorgeschlagen: Erstens, einsatz einer ausreichenden Energie zur Minimierung der Porosität; Zweitens, innerhalb dieses Parameterbereichs, sollte der Energieeintrag minimiert und die Energieverteilung gleichmäßig erfolgen; Drittens, optimierung der Belichtungsstrategie zur Vermeidung von Kristallisation. Bemerkenswert ist die Hervorhebung der Belichtungsstrategie des Line Jumping als effektive Methode zur Minimierung der Kristallisation bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der relativen Dichte. Daher vertieft diese Arbeit nicht nur das Verständnis der BMG-Kristallisation während des PBF-LB/M Prozesses, sondern stellt der Industrie auch ein leicht anwendbares numerisches Werkzeug zur Verfügung, um die praktische Entwicklung des PBF-LB/M Prozesses zu unterstützen.