Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

TianLiabJ.M.T.DaviesaXiangzhenZhuc
aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF6/CO2, SF6/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주물을 사용하여 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF6/CO2, SF6/공기)에서 생산되었습니다. AZ91 합금에 포함된 연행 결함의 진화 과정은 미세 조직 검사 및 열역학 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

Keywords

Magnesium alloy, Casting, Oxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

1. Introduction

As the lightest structural metal available on Earth, magnesium became one of the most attractive light metals over the last few decades. The magnesium industry has consequently experienced a rapid development in the last 20 years [1,2], indicating a large growth in demand for Mg alloys all over the world. Nowadays, the use of Mg alloys can be found in the fields of automobiles, aerospace, electronics and etc.[3,4]. It has been predicted that the global consumption of Mg metals will further increase in the future, especially in the automotive industry, as the energy efficiency requirement of both traditional and electric vehicles further push manufactures lightweight their design [3,5,6].

The sustained growth in demand for Mg alloys motivated a wide interest in the improvement of the quality and mechanical properties of Mg-alloy castings. During a Mg-alloy casting process, surface turbulence of the melt can lead to the entrapment of a doubled-over surface film containing a small quantity of the surrounding atmosphere, thus forming an entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) [7][8][9][10]. The random size, quantity, orientation, and placement of entrainment defects are widely accepted to be significant factors linked to the variation of casting properties [7]. In addition, Peng et al. [11] found that entrained oxides films in AZ91 alloy melt acted as filters to Al8Mn5 particles, trapping them as they settle. Mackie et al. [12] further suggested that entrained oxide films can act to trawl the intermetallic particles, causing them to cluster and form extremely large defects. The clustering of intermetallic compounds made the entrainment defects more detrimental for the casting properties.

Most of the previous studies regarding entrainment defects were carried out on Al-alloys [7,[13][14][15][16][17][18], and a few potential methods have been suggested for diminishing their negative effect on the quality of Al-alloy castings. Nyahumwa et al.,[16] shows that the void volume within entrainment defects could be reduced by a hot isostatic pressing (HIP) process. Campbell [7] suggested the entrained gas within the defects could be consumed due to reaction with the surrounding melt, which was further verified by Raiszedeh and Griffiths [19].The effect of the entrained gas consumption on the mechanical properties of Al-alloy castings has been investigated by [8,9], suggesting that the consumption of the entrained gas promoted the improvement of the casting reproducibility.

Compared with the investigation concerning the defects within Al-alloys, research into the entrainment defects within Mg-alloys has been significantly limited. The existence of entrainment defects has been demonstrated in Mg-alloy castings [20,21], but their behaviour, evolution, as well as entrained gas consumption are still not clear.

In a Mg-alloy casting process, the melt is usually protected by a cover gas to avoid magnesium ignition. The cavities of sand or investment moulds are accordingly required to be flushed with the cover gas prior to the melt pouring [22]. Therefore, the entrained gas within Mg-alloy castings should contain the cover gas used in the casting process, rather than air only, which may complicate the structure and evolution of the corresponding entrainment defects.

SF6 is a typical cover gas widely used for Mg-alloy casting processes [23][24][25]. Although this cover gas has been restricted to use in European Mg-alloy foundries, a commercial report has pointed out that this cover is still popular in global Mg-alloy industry, especially in the countries which dominated the global Mg-alloy production, such as China, Brazil, India, etc. [26]. In addition, a survey in academic publications also showed that this cover gas was widely used in recent Mg-alloy studies [27]. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., the reaction between liquid Mg-alloy and SF6 cover gas) has been investigated by several previous researchers, but the formation process of the surface oxide film is still not clearly understood, and even some published results are conflicting with each other. In early 1970s, Fruehling [28] found that the surface film formed under SF6 was MgO mainly with traces of fluorides, and suggested that SF6 was absorbed in the Mg-alloy surface film. Couling [29] further noticed that the absorbed SF6 reacted with the Mg-alloy melt to form MgF2. In last 20 years, different structures of the Mg-alloy surface films have been reported, as detailed below.(1)

Single-layered film. Cashion [30,31] used X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Spectroscopy (AES) to identify the surface film as MgO and MgF2. He also found that composition of the film was constant throughout the thickness and the whole experimental holding time. The film observed by Cashion had a single-layered structure created from a holding time from 10 min to 100 min.(2)

Double-layered film. Aarstad et. al [32] reported a doubled-layered surface oxide film in 2003. They observed several well-distributed MgF2 particles attached to the preliminary MgO film and grew until they covered 25–50% of the total surface area. The inward diffusion of F through the outer MgO film was the driving force for the evolution process. This double-layered structure was also supported by Xiong’s group [25,33] and Shih et al. [34].(3)

Triple-layered film. The triple-layered film and its evolution process were reported in 2002 by Pettersen [35]. Pettersen found that the initial surface film was a MgO phase and then gradually evolved to the stable MgF2 phase by the inward diffusion of F. In the final stage, the film has a triple-layered structure with a thin O-rich interlayer between the thick top and bottom MgF2 layers.(4)

Oxide film consisted of discrete particles. Wang et al [36] stirred the Mg-alloy surface film into the melt under a SF6 cover gas, and then inspect the entrained surface film after the solidification. They found that the entrained surface films were not continues as the protective surface films reported by other researchers but composed of discrete particles. The young oxide film was composed of MgO nano-sized oxide particles, while the old oxide films consist of coarse particles (about 1  µm in average size) on one side that contained fluorides and nitrides.

The oxide films of a Mg-alloy melt surface or an entrained gas are both formed due to the reaction between liquid Mg-alloy and the cover gas, thus the above-mentioned research regarding the Mg-alloy surface film gives valuable insights into the evolution of entrainment defects. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., formation of a Mg-alloy surface film) therefore indicated a potential complicated evolution process of the corresponding entrainment defects.

However, it should be noted that the formation of a surface film on a Mg-alloy melt is in a different situation to the consumption of an entrained gas that is submerged into the melt. For example, a sufficient amount of cover gas was supported during the surface film formation in the studies previously mentioned, which suppressed the depletion of the cover gas. In contrast, the amount of entrained gas within a Mg-alloy melt is finite, and the entrained gas may become fully depleted. Mirak [37] introduced 3.5%SF6/air bubbles into a pure Mg-alloy melt solidifying in a specially designed permanent mould. It was found that the gas bubbles were entirely consumed, and the corresponding oxide film was a mixture of MgO and MgF2. However, the nucleation sites (such as the MgF2 spots observed by Aarstad [32] and Xiong [25,33]) were not observed. Mirak also speculated that the MgF2 formed prior to MgO in the oxide film based on the composition analysis, which was opposite to the surface film formation process reported in previous literatures (i.e., MgO formed prior to MgF2). Mirak’s work indicated that the oxide-film formation of an entrained gas may be quite different from that of surface films, but he did not reveal the structure and evolution of the oxide films.

In addition, the use of carrier gas in the cover gases also influenced the reaction between the cover gas and the liquid Mg-alloy. SF6/air required a higher content of SF6 than did a SF6/CO2 carrier gas [38], to avoid the ignition of molten magnesium, revealing different gas-consumption rates. Liang et.al [39] suggested that carbon was formed in the surface film when CO2 was used as a carrier gas, which was different from the films formed in SF6/air. An investigation into Mg combustion [40] reported a detection of Mg2C3 in the Mg-alloy sample after burning in CO2, which not only supported Liang’s results, but also indicated a potential formation of Mg carbides in double oxide film defects.

The work reported here is an investigation into the behaviour and evolution of entrainment defects formed in AZ91 Mg-alloy castings, protected by different cover gases (i.e., SF6/air and SF6/CO2). These carrier gases have different protectability for liquid Mg alloy, which may be therefore associated with different consumption rates and evolution processes of the corresponding entrained gases. The effect of the entrained-gas consumption on the reproducibility of AZ91 castings was also studied.

2. Experiment

2.1. Melting and casting

Three kilograms AZ91 alloy was melted in a mild steel crucible at 700 ± 5 °C. The composition of the AZ91 alloy has been shown in Table 1. Prior to heating, all oxide scale on the ingot surface was removed by machining. The cover gases used were 0.5%SF6/air or 0.5%SF6/CO2 (vol.%) at a flow rate of 6 L/min for different castings. The melt was degassed by argon with a flow rate of 0.3 L/min for 15 min [41,42], and then poured into sand moulds. Prior to pouring, the sand mould cavity was flushed with the cover gas for 20 min [22]. The residual melt (around 1 kg) was solidified in the crucible.

Table 1. Composition (wt.%) of the AZ91 alloy used in this study.

AlZnMnSiFeNiMg
9.40.610.150.020.0050.0017Residual

Fig. 1(a) shows the dimensions of the casting with runners. A top-filling system was deliberately used to generate entrainment defects in the final castings. Green and Campbell [7,43] suggested that a top-filling system caused more entrainment events (i.e., bifilms) during a casting process, compared with a bottom-filling system. A melt flow simulation (Flow-3D software) of this mould, using Reilly’s model [44] regarding the entrainment events, also predicted that a large amount of bifilms would be contained in the final casting (denoted by the black particles in Fig. 1b).

Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

Shrinkage defects also affect the mechanical properties and reproducibility of castings. Since this study focused on the effect of bifilms on the casting quality, the mould has been deliberately designed to avoid generating shrinkage defects. A solidification simulation using ProCAST software showed that no shrinkage defect would be contained in the final casting, as shown in Fig. 1c. The casting soundness has also been confirmed using a real time X-ray prior to the test bar machining.

The sand moulds were made from resin-bonded silica sand, containing 1wt. % PEPSET 5230 resin and 1wt. % PEPSET 5112 catalyst. The sand also contained 2 wt.% Na2SiF6 to act as an inhibitor [45]. The pouring temperature was 700 ± 5 °C. After the solidification, a section of the runner bars was sent to the Sci-Lab Analytical Ltd for a H-content analysis (LECO analysis), and all the H-content measurements were carried out on the 5th day after the casting process. Each of the castings was machined into 40 test bars for a tensile strength test, using a Zwick 1484 tensile test machine with a clip extensometer. The fracture surfaces of the broken test bars were examined using Scanning Electron Microscope (SEM, Philips JEOL7000) with an accelerating voltage of 5–15 kV. The fractured test bars, residual Mg-alloy solidified in the crucible, and the casting runners were then sectioned, polished and also inspected using the same SEM. The cross-section of the oxide film found on the test-bar fracture surface was exposed by the Focused Ion Beam milling technique (FIB), using a CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM. The oxide film required to be analysed was coated with a platinum layer. Then, a gallium ion beam, accelerated to 30 kV, milled the material substrate surrounding the platinum coated area to expose the cross section of the oxide film. EDS analysis of the oxide film’s cross section was carried out using the FIB equipment at accelerating voltage of 30 kV.

2.2. Oxidation cell

As previously mentioned, several past researchers investigated the protective film formed on a Mg-alloy melt surface [38,39,[46][47][48][49][50][51][52]. During these experiments, the amount of cover gas used was sufficient, thus suppressing the depletion of fluorides in the cover gas. The experiment described in this section used a sealed oxidation cell, which limited the supply of cover gas, to study the evolution of the oxide films of entrainment defects. The cover gas contained in the oxidation cell was regarded as large-size “entrained bubble”.

As shown in Fig. 2, the main body of the oxidation cell was a closed-end mild steel tube which had an inner length of 400 mm, and an inner diameter of 32 mm. A water-cooled copper tube was wrapped around the upper section of the cell. When the tube was heated, the cooling system created a temperature difference between the upper and lower sections, causing the interior gas to convect within the tube. The temperature was monitored by a type-K thermocouple located at the top of the crucible. Nie et al. [53] suggested that the SF6 cover gas would react with the steel wall of the holding furnace when they investigated the surface film of a Mg-alloy melt. To avoid this reaction, the interior surface of the steel oxidation cell (shown in Fig. 2) and the upper half section of the thermocouple were coated with boron nitride (the Mg-alloy was not in contact with boron nitride).

Fig. 2. Schematic of the oxidation cell used to study the evolution of the oxide films of the entrainment defects (unit mm).

During the experiment, a block of solid AZ91 alloy was placed in a magnesia crucible located at the bottom of the oxidation cell. The cell was heated to 100 °C in an electric resistance furnace under a gas flow rate of 1 L/min. The cell was held at this temperature for 20 min, to replace the original trapped atmosphere (i.e. air). Then, the oxidation cell was further heated to 700 °C, melting the AZ91 sample. The gas inlet and exit valves were then closed, creating a sealed environment for oxidation under a limited supply of cover gas. The oxidation cell was then held at 700 ± 10 °C for periods of time from 5 min to 30 min in 5-min intervals. At the end of each holding time, the cell was quenched in water. After cooling to room temperature, the oxidised sample was sectioned, polished, and subsequently examined by SEM.

3. Results

3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/air

The structure and composition of the entrainment defect formed in the AZ91 castings under a cover gas of 0.5%SF6/air was observed by SEM and EDS. The results indicate that there exist two types of entrainment defects which are sketched in Fig. 3: (1) Type A defect whose oxide film has a traditional single-layered structure and (2) Type B defect, whose oxide film has two layers. The details of these defects were introduced in the following. Here it should be noticed that, as the entrainment defects are also known as biofilms or double oxide film, the oxide films of Type B defect were referred to as “multi-layered oxide film” or “multi-layered structure” in the present work to avoid a confusing description such as “the double-layered oxide film of a double oxide film defect”.

Fig. 3. Schematic of the different types of entrainment defects found in AZ91 castings. (a) Type A defect with a single-layered oxide film and (b) Type B defect with two-layered oxide film.

Fig. 4(a-b) shows a Type A defect having a compact single-layered oxide film with about 0.4 µm thickness. Oxygen, fluorine, magnesium and aluminium were detected in this film (Fig. 4c). It is speculated that oxide film is the mixture of fluoride and oxide of magnesium and aluminium. The detection of fluorine revealed that an entrained cover gas was contained in the formation of this defect. That is to say that the pores shown in Fig. 4(a) were not shrinkage defects or hydrogen porosity, but entrainment defects. The detection of aluminium was different with Xiong and Wang’s previous study [47,48], which showed that no aluminium was contained in their surface film of an AZ91 melt protected by a SF6 cover gas. Sulphur could not be clearly recognized in the element map, but there was a S-peak in the corresponding ESD spectrum.

Fig. 4. (a) A Type A entrainment defect formed in SF6/air and having a single-layered oxide film, (b) the oxide film of this defect, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area highlighted in (b).

Fig. 5(a-b) shows a Type B entrainment defect having a multi-layered oxide film. The compact outer layers of the oxide films were enriched with fluorine and oxygen (Fig. 5c), while their relatively porous inner layers were only enriched with oxygen (i.e., poor in fluorine) and partly grew together, thus forming a sandwich-like structure. Therefore, it is speculated that the outer layer is the mixture of fluoride and oxide, while the inner layer is mainly oxide. Sulphur could only be recognized in the EDX spectrum and could not be clearly identified in the element map, which might be due to the small S-content in the cover gas (i.e., 0.5% volume content of SF6 in the cover gas). In this oxide film, aluminium was contained in the outer layer of this oxide film but could not be clearly detected in the inner layer. Moreover, the distribution of Al seems to be uneven. It can be found that, in the right side of the defect, aluminium exists in the film but its concentration can not be identified to be higher than the matrix. However, there is a small area with much higher aluminium concentration in the left side of the defect. Such an uneven distribution of aluminium was also observed in other defects (shown in the following), and it is the result of the formation of some oxide particles in or under the film.

Fig. 5. (a) A Type B entrainment defect formed in SF6/air and having a multi-layered oxide film, (b) the oxide films of this defect have grown together, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (b).

Figs. 4 and 5 show cross sectional observations of the entrainment defects formed in the AZ91 alloy sample cast under a cover gas of SF6/air. It is not sufficient to characterize the entrainment defects only by the figures observed from the two-dimensional section. To have a further understanding, the surface of the entrainment defects (i.e. the oxide film) was further studied by observing the fracture surface of the test bars.

Fig. 6(a) shows fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar produced in SF6/air. Symmetrical dark regions can be seen on both sides of the fracture surfaces. Fig. 6(b) shows boundaries between the dark and bright regions. The bright region consisted of jagged and broken features, while the surface of the dark region was relatively smooth and flat. In addition, the EDS results (Fig. 6c-d and Table 2) show that fluorine, oxygen, sulphur, and nitrogen were only detected in the dark regions, indicating that the dark regions were surface protective films entrained into the melt. Therefore, it could be suggested that the dark regions were an entrainment defect with consideration of their symmetrical nature. Similar defects on fracture surfaces of Al-alloy castings have been previously reported [7]Nitrides were only found in the oxide films on the test-bar fracture surfaces but never detected in the cross-sectional samples shown in Figs. 4 and 5. An underlying reason is that the nitrides contained in these samples may have hydrolysed during the sample polishing process [54].

Fig. 6. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar produced under a cover gas of SF6/air. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) a section of the boundary between the dark and bright regions shown in (a), (c-d) EDS spectrum of the (c) bright regions and (d) dark regions, (e) schematic of an entrainment defect contained in a test bar.

Table 2. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 6 (cover gas: SF6/air).

Empty CellCOMgFAlZnSN
Dark region in Fig. 6(b)3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
Bright region in Fig. 6(b)3.5884.4811.250.68

In conjunction with the cross-sectional observation of the defects shown in Figs. 4 and 5, the structure of an entrainment defect contained in a tensile test bar was sketched as shown in Fig. 6(e). The defect contained an entrained gas enclosed by its oxide film, creating a void section inside the test bar. When the tensile force applied on the defect during the fracture process, the crack was initiated at the void section and propagated along the entrainment defect, since cracks would be propagated along the weakest path [55]. Therefore, when the test bar was finally fractured, the oxide films of entrainment defect appeared on both fracture surfaces of the test bar, as shown in Fig. 6(a).

3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/CO2

Similar to the entrainment defect formed in SF6/air, the defects formed under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 also had two types of oxide films (i.e., single-layered and multi-layered types). Fig. 7(a) shows an example of the entrainment defects containing a multi-layered oxide film. A magnified observation to the defect (Fig. 7b) shows that the inner layers of the oxide films had grown together, presenting a sandwich-like structure, which was similar to the defects formed in an atmosphere of SF6/air (Fig. 5b). An EDS spectrum (Fig. 7c) revealed that the joint area (inner layer) of this sandwich-like structure mainly contained magnesium oxides. Peaks of fluorine, sulphur, and aluminium were recognized in this EDS spectrum, but their amount was relatively small. In contrast, the outer layers of the oxide films were compact and composed of a mixture of fluorides and oxides (Fig. 7d-e).

Fig. 7. (a) An example of entrainment defects formed in SF6/CO2 and having a multi-layered oxide film, (b) magnified observation of the defect, showing the inner layer of the oxide films has grown together, (c) EDS spectrum of the point denoted in (b), (d) outer layer of the oxide film, (e) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (d).

Fig. 8(a) shows an entrainment defect on the fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar, which was produced in an atmosphere of 0.5%SF6/CO2. The corresponding EDS results (Table 3) showed that oxide film contained fluorides and oxides. Sulphur and nitrogen were not detected. Besides, a magnified observation (Fig. 8b) indicated spots on the oxide film surface. The diameter of the spots ranged from hundreds of nanometres to a few micron meters.

Fig. 8. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar, produced in an atmosphere of SF6/CO2. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) surface appearance of the oxide films on the fracture surfaces, showing spots on the film surface.

To further reveal the structure and composition of the oxide film clearly, the cross-section of the oxide film on a test-bar fracture surface was onsite exposed using the FIB technique (Fig. 9). As shown in Fig. 9a, a continuous oxide film was found between the platinum coating layer and the Mg-Al alloy substrate. Fig. 9 (b-c) shows a magnified observation to oxide films, indicating a multi-layered structure (denoted by the red box in Fig. 9c). The bottom layer was enriched with fluorine and oxygen and should be the mixture of fluoride and oxide, which was similar to the “outer layer” shown in Figs. 5 and 7, while the only-oxygen-enriched top layer was similar to the “inner layer” shown in Figs. 5 and 7.

Fig. 9. (a) A cross-sectional observation of the oxide film on the fracture surface of the AZ91 casting produced in SF6/CO2, exposed by FIB, (b) a magnified observation of area highlighted in (a), and (c) SEM-EDS elements map of the area shown in (b), obtained by CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM.

Except the continuous film, some individual particles were also observed in or below the continuous film, as shown in Fig. 9. An Al-enriched particle was detected in the left side of the oxide film shown in Fig. 9b and might be speculated to be spinel Mg2AlO4 because it also contains abundant magnesium and oxygen elements. The existing of such Mg2AlO4 particles is responsible for the high concentration of aluminium in small areas of the observed film and the uneven distribution of aluminium, as shown in Fig. 5(c). Here it should be emphasized that, although the other part of the bottom layer of the continuous oxide film contains less aluminium than this Al-enriched particle, the Fig. 9c indicated that the amount of aluminium in this bottom layer was still non-negligible, especially when comparing with the outer layer of the film. Below the right side of the oxide film shown in Fig. 9b, a particle was detected and speculated to be MgO because it is rich in Mg and O. According to Wang’s result [56], lots of discrete MgO particles can be formed on the surface of the Mg melt by the oxidation of Mg melt and Mg vapor. The MgO particles observed in our present work may be formed due to the same reasons. While, due to the differences in experimental conditions, less Mg melt can be vapored or react with O2, thus only a few of MgO particles formed in our work. An enrichment of carbon was also found in the film, revealing that CO2 was able to react with the melt, thus forming carbon or carbides. This carbon concentration was consistent with the relatively high carbon content of the oxide film shown in Table 3 (i.e., the dark region). In the area next to the oxide film.

Table 3. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 8 (cover gas: SF6/ CO2).

Empty CellCOMgFAlZnSN
Dark region in Fig. 8(a)7.253.6469.823.827.030.86
Bright region in Fig. 8(a)2.100.4482.8313.261.36

This cross-sectional observation of the oxide film on a test bar fracture surface (Fig. 9) further verified the schematic of the entrainment defect shown in Fig. 6(e). The entrainment defects formed in different atmospheres of SF6/CO2 and SF6/air had similar structures, but their compositions were different.

3.3. Evolution of the oxide films in the oxidation cell

The results in Section 3.1 and 3.2 have shown the structures and compositions of entrainment defects formed in AZ91 castings under cover gases of SF6/air and SF6/CO2. Different stages of the oxidation reaction may lead to the different structures and compositions of entrainment defects. Although Campbell has conjectured that an entrained gas may react with the surrounding melt, it is rarely reported that the reaction occurring between the Mg-alloy melt and entrapped cover gas. Previous researchers normally focus on the reaction between a Mg-alloy melt and the cover gas in an open environment [38,39,[46][47][48][49][50][51][52], which was different from the situation of a cover gas trapped into the melt. To further understand the formation of the entrainment defect in an AZ91 alloy, the evolution process of oxide films of the entrainment defect was further studied using an oxidation cell.

Fig. 10 (a and d) shows a surface film held for 5 min in the oxidation cell, protected by 0.5%SF6/air. There was only one single layer consisting of fluoride and oxide (MgF2 and MgO). In this surface film. Sulphur was detected in the EDS spectrum, but its amount was too small to be recognized in the element map. The structure and composition of this oxide film was similar to the single-layered films of entrainment defects shown in Fig. 4.

Fig. 10. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/air and held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 10 min; (c) 30 min, and (d-f) the SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the oxide film shown in (a-c) respectively, (d) 5 min; (e) 10 min; (f) 30 min. The red points in (c and f) are the location references, denoting the boundary of the F-enriched layer in different element maps.

After a holding time of 10 min, a thin (O, S)-enriched top layer (around 700 nm) appeared upon the preliminary F-enriched film, forming a multi-layered structure, as shown in Fig. 10(b and e). The thickness of the (O, S)-enriched top layer increased with increased holding time. As shown in Fig. 10(c and f), the oxide film held for 30 min also had a multi-layered structure, but the thickness of its (O, S)-enriched top layer (around 2.5 µm) was higher than the that of the 10-min oxide film. The multi-layered oxide films shown in Fig. 10(b-c) presented a similar appearance to the films of the sandwich-like defect shown in Fig. 5.

The different structures of the oxide films shown in Fig. 10 indicated that fluorides in the cover gas would be preferentially consumed due to the reaction with the AZ91 alloy melt. After the depletion of fluorides, the residual cover gas reacted further with the liquid AZ91 alloy, forming the top (O, S)-enriched layer in the oxide film. Therefore, the different structures and compositions of entrainment defects shown in Figs. 4 and 5 may be due to an ongoing oxidation reaction between melt and entrapped cover gas.

This multi-layered structure has not been reported in previous publications concerning the protective surface film formed on a Mg-alloy melt [38,[46][47][48][49][50][51]. This may be due to the fact that previous researchers carried out their experiments with an un-limited amount of cover gas, creating a situation where the fluorides in the cover gas were not able to become depleted. Therefore, the oxide film of an entrainment defect had behaviour traits similar to the oxide films shown in Fig. 10, but different from the oxide films formed on the Mg-alloy melt surface reported in [38,[46][47][48][49][50][51].

Similar with the oxide films held in SF6/air, the oxide films formed in SF6/CO2 also had different structures with different holding times in the oxidation cell. Fig. 11(a) shows an oxide film, held on an AZ91 melt surface under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 for 5 min. This film had a single-layered structure consisting of MgF2. The existence of MgO could not be confirmed in this film. After the holding time of 30 min, the film had a multi-layered structure; the inner layer was of a compact and uniform appearance and composed of MgF2, while the outer layer is the mixture of MgF2 and MgO. Sulphur was not detected in this film, which was different from the surface film formed in 0.5%SF6/air. Therefore, fluorides in the cover gas of 0.5%SF6/CO2 were also preferentially consumed at an early stage of the film growth process. Compared with the film formed in SF6/air, the MgO in film formed in SF6/CO2 appeared later and sulphide did not appear within 30 min. It may mean that the formation and evolution of film in SF6/air is faster than SF6/CO2. CO2 may have subsequently reacted with the melt to form MgO, while sulphur-containing compounds accumulated in the cover gas and reacted to form sulphide in very late stage (may after 30 min in oxidation cell).

Fig. 11. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/CO2, and their SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000). They were held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 30 min. The red points in (b) are the location references, denoting the boundary between the top and bottom layers in the oxide film.

4. Discussion

4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF6/air

HSC software from Outokumpu HSC Chemistry for Windows (http://www.hsc-chemistry.net/) was used to carry out thermodynamic calculations needed to explore the reactions which might occur between the trapped gases and liquid AZ91 alloy. The solutions to the calculations suggest which products are most likely to form in the reaction process between a small amount of cover gas (i.e., the amount within a trapped bubble) and the AZ91-alloy melt.

In the trials, the pressure was set to 1 atm, and the temperature set to 700 °C. The amount of the cover gas was assumed to be 7 × 10−7 kg, with a volume of approximately 0.57 cm3 (3.14 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/air, and 0.35 cm3 (3.12 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/CO2. The amount of the AZ91 alloy melt in contact with the trapped gas was assumed to be sufficient to complete all reactions. The decomposition products of SF6 were SF5, SF4, SF3, SF2, F2, S(g), S2(g) and F(g) [57][58][59][60].

Fig. 12 shows the equilibrium diagram of the thermodynamic calculation of the reaction between the AZ91 alloy and 0.5%SF6/air. In the diagram, the reactants and products with less than 10−15 kmol have not been shown, as this was 5 orders of magnitude less than the amount of SF6 present (≈ 1.57 × 10−10 kmol) and therefore would not affect the observed process in a practical way.

Fig. 12. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/air and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis is the amount of AZ91 alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis is the amount of the reactants and products.

This reaction process could be divided into 3 stages.

Stage 1: The formation of fluorides. the AZ91 melt preferentially reacted with SF6 and its decomposition products, producing MgF2, AlF3, and ZnF2. However, the amount of ZnF2 may have been too small to be detected practically (1.25 × 10−12 kmol of ZnF2 compared with 3 × 10−10 kmol of MgF2), which may be the reason why Zn was not detected in any the oxide films shown in Sections 3.13.3. Meanwhile, sulphur accumulated in the residual gas as SO2.

Stage 2: The formation of oxides. After the liquid AZ91 alloy had depleted all the available fluorides in the entrapped gas, the amount of AlF3 and ZnF2 quickly reduced due to a reaction with Mg. O2(g) and SO2 reacted with the AZ91 melt, forming MgO, Al2O3, MgAl2O4, ZnO, ZnSO4 and MgSO4. However, the amount of ZnO and ZnSO4 would have been too small to be found practically by EDS (e.g. 9.5 × 10−12 kmol of ZnO,1.38 × 10−14 kmol of ZnSO4, in contrast to 4.68 × 10−10 kmol of MgF2, when the amount of AZ91 on the X-axis is 2.5 × 10−9 kmol). In the experimental cases, the concentration of F in the cover gas is very low, whole the concentration f O is much higher. Therefore, the stage 1 and 2, i.e, the formation of fluoride and oxide may happen simultaneously at the beginning of the reaction, resulting in the formation of a singer-layered mixture of fluoride and oxide, as shown in Figs. 4 and 10(a). While an inner layer consisted of oxides but fluorides could form after the complete depletion of F element in the cover gas.

Stages 1- 2 theoretically verified the formation process of the multi-layered structure shown in Fig. 10.

The amount of MgAl2O4 and Al2O3 in the oxide film was of a sufficient amount to be detected, which was consistent with the oxide films shown in Fig. 4. However, the existence of aluminium could not be recognized in the oxide films grown in the oxidation cell, as shown in Fig. 10. This absence of Al may be due to the following reactions between the surface film and AZ91 alloy melt:(1)

Al2O3 + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700 °C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl2O4 = MgO + Al, △G(700 °C) =-106.34 kJ/molwhich could not be simulated by the HSC software since the thermodynamic calculation was carried out under an assumption that the reactants were in full contact with each other. However, in a practical process, the AZ91 melt and the cover gas would not be able to be in contact with each other completely, due to the existence of the protective surface film.

Stage 3: The formation of Sulphide and nitride. After a holding time of 30 min, the gas-phase fluorides and oxides in the oxidation cell had become depleted, allowing the melt reaction with the residual gas, forming an additional sulphur-enriched layer upon the initial F-enriched or (F, O)-enriched surface film, thus resulting in the observed multi-layered structure shown in Fig. 10 (b and c). Besides, nitrogen reacted with the AZ91 melt until all reactions were completed. The oxide film shown in Fig. 6 may correspond to this reaction stage due to its nitride content. However, the results shows that the nitrides were not detected in the polished samples shown in Figs. 4 and 5, but only found on the test bar fracture surfaces. The nitrides may have hydrolysed during the sample preparation process, as follows [54]:(3)

Mg3N2 + 6H2O =3Mg(OH)2 + 2NH3↑(4)

AlN+ 3H2O =Al(OH)3 + NH3

In addition, Schmidt et al. [61] found that Mg3N2 and AlN could react to form ternary nitrides (Mg3AlnNn+2, n= 1, 2, 3…). HSC software did not contain the database of ternary nitrides, and it could not be added into the calculation. The oxide films in this stage may also contain ternary nitrides.

4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF6/CO2

Fig. 13 shows the results of the thermodynamic calculation between AZ91 alloy and 0.5%SF6/CO2. This reaction processes can also be divided into three stages.

Fig. 13. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/CO2 and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis denotes the amount of Mg alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis denotes the amounts of the reactants and products.

Stage 1: The formation of fluorides. SF6 and its decomposition products were consumed by the AZ91 melt, forming MgF2, AlF3, and ZnF2. As in the reaction of AZ91 in 0.5%SF6/air, the amount of ZnF2 was too small to be detected practically (1.51 × 10−13 kmol of ZnF2 compared with 2.67 × 10−10 kmol of MgF2). Sulphur accumulated in the residual trapped gas as S2(g) and a portion of the S2(g) reacted with CO2, to form SO2 and CO. The products in this reaction stage were consistent with the film shown in Fig. 11(a), which had a single layer structure that contained fluorides only.

Stage 2: The formation of oxides. AlF3 and ZnF2 reacted with the Mg in the AZ91 melt, forming MgF2, Al and Zn. The SO2 began to be consumed, producing oxides in the surface film and S2(g) in the cover gas. Meanwhile, the CO2 directly reacted with the AZ91 melt, forming CO, MgO, ZnO, and Al2O3. The oxide films shown in Figs. 9 and 11(b) may correspond to this reaction stage due to their oxygen-enriched layer and multi-layered structure.

The CO in the cover gas could further react with the AZ91 melt, producing C. This carbon may further react with Mg to form Mg carbides, when the temperature reduced (during solidification period) [62]. This may be the reason for the high carbon content in the oxide film shown in Figs. 89. Liang et al. [39] also reported carbon-detection in an AZ91 alloy surface film protected by SO2/CO2. The produced Al2O3 may be further combined with MgO, forming MgAl2O4 [63]. As discussed in Section 4.1, the alumina and spinel can react with Mg, causing an absence of aluminium in the surface films, as shown in Fig. 11.

Stage 3: The formation of Sulphide. the AZ91 melt began to consume S2(g) in the residual entrapped gas, forming ZnS and MgS. These reactions did not occur until the last stage of the reaction process, which could be the reason why the S-content in the defect shown Fig. 7(c) was small.

In summary, thermodynamic calculations indicate that the AZ91 melt will react with the cover gas to form fluorides firstly, then oxides and sulphides in the last. The oxide film in the different reaction stages would have different structures and compositions.

4.3. Effect of the carrier gases on consumption of the entrained gas and the reproducibility of AZ91 castings

The evolution processes of entrainment defects, formed in SF6/air and SF6/CO2, have been suggested in Sections 4.1 and 4.2. The theoretical calculations were verified with respect to the corresponding oxide films found in practical samples. The atmosphere within an entrainment defect could be efficiently consumed due to the reaction with liquid Mg-alloy, in a scenario dissimilar to the Al-alloy system (i.e., nitrogen in an entrained air bubble would not efficiently react with Al-alloy melt [64,65], however, nitrogen would be more readily consumed in liquid Mg alloys, commonly referred to as “nitrogen burning” [66]).

The reaction between the entrained gas and the surrounding liquid Mg-alloy converted the entrained gas into solid compounds (e.g. MgO) within the oxide film, thus reducing the void volume of the entrainment defect and hence probably causing a collapse of the defect (e.g., if an entrained gas of air was depleted by the surrounding liquid Mg-alloy, under an assumption that the melt temperature is 700 °C and the depth of liquid Mg-alloy is 10 cm, the total volume of the final solid products would be 0.044% of the initial volume taken by the entrapped air).

The relationship between the void volume reduction of entrainment defects and the corresponding casting properties has been widely studied in Al-alloy castings. Nyahumwa and Campbell [16] reported that the Hot Isostatic Pressing (HIP) process caused the entrainment defects in Al-alloy castings to collapse and their oxide surfaces forced into contact. The fatigue lives of their castings were improved after HIP. Nyahumwa and Campbell [16] also suggested a potential bonding of the double oxide films that were in contact with each other, but there was no direct evidence to support this. This binding phenomenon was further investigated by Aryafar et.al.[8], who re-melted two Al-alloy bars with oxide skins in a steel tube and then carried out a tensile strength test on the solidified sample. They found that the oxide skins of the Al-alloy bars strongly bonded with each other and became even stronger with an extension of the melt holding time, indicating a potential “healing” phenomenon due to the consumption of the entrained gas within the double oxide film structure. In addition, Raidszadeh and Griffiths [9,19] successfully reduced the negative effect of entrainment defects on the reproducibility of Al-alloy castings, by extending the melt holding time before solidification, which allowed the entrained gas to have a longer time to react with the surrounding melt.

With consideration of the previous work mentioned, the consumption of the entrained gas in Mg-alloy castings may diminish the negative effect of entrainment defects in the following two ways.

(1) Bonding phenomenon of the double oxide films. The sandwich-like structure shown in Fig. 5 and 7 indicated a potential bonding of the double oxide film structure. However, more evidence is required to quantify the increase in strength due to the bonding of the oxide films.

(2) Void volume reduction of entrainment defects. The positive effect of void-volume reduction on the quality of castings has been widely demonstrated by the HIP process [67]. As the evolution processes discussed in Section 4.14.2, the oxide films of entrainment defects can grow together due to an ongoing reaction between the entrained gas and surrounding AZ91 alloy melt. The volume of the final solid products was significant small compared with the entrained gas (i.e., 0.044% as previously mentioned).

Therefore, the consumption rate of the entrained gas (i.e., the growth rate of oxide films) may be a critical parameter for improving the quality of AZ91 alloy castings. The oxide film growth rate in the oxidization cell was accordingly further investigated.

Fig. 14 shows a comparison of the surface film growth rates in different cover gases (i.e., 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2). 15 random points on each sample were selected for film thickness measurements. The 95% confidence interval (95%CI) was computed under an assumption that the variation of the film thickness followed a Gaussian distribution. It can be seen that all the surface films formed in 0.5%SF6/air grew faster than those formed in 0.5%SF6/CO2. The different growth rates suggested that the entrained-gas consumption rate of 0.5%SF6/air was higher than that of 0.5%SF6/CO2, which was more beneficial for the consumption of the entrained gas.

Fig. 14. A comparison of the AZ91 alloy oxide film growth rates in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2

It should be noted that, in the oxidation cell, the contact area of liquid AZ91 alloy and cover gas (i.e. the size of the crucible) was relatively small with consideration of the large volume of melt and gas. Consequently, the holding time for the oxide film growth within the oxidation cell was comparatively long (i.e., 5–30 min). However, the entrainment defects contained in a real casting are comparatively very small (i.e., a few microns size as shown in Figs. 36, and [7]), and the entrained gas is fully enclosed by the surrounding melt, creating a relatively large contact area. Hence the reaction time for cover gas and the AZ91 alloy melt may be comparatively short. In addition, the solidification time of real Mg-alloy sand castings can be a few minutes (e.g. Guo [68] reported that a Mg-alloy sand casting with 60 mm diameter required 4 min to be solidified). Therefore, it can be expected that an entrained gas trapped during an Mg-alloy melt pouring process will be readily consumed by the surrounding melt, especially for sand castings and large-size castings, where solidification times are long.

Therefore, the different cover gases (0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2) associated with different consumption rates of the entrained gases may affect the reproducibility of the final castings. To verify this assumption, the AZ91 castings produced in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2 were machined into test bars for mechanical evaluation. A Weibull analysis was carried out using both linear least square (LLS) method and non-linear least square (non-LLS) method [69].

Fig. 15(a-b) shows a traditional 2-p linearized Weibull plot of the UTS and elongation of the AZ91 alloy castings, obtained by the LLS method. The estimator used is P= (i-0.5)/N, which was suggested to cause the lowest bias among all the popular estimators [69,70]. The casting produced in SF6/air has an UTS Weibull moduli of 16.9, and an elongation Weibull moduli of 5.0. In contrast, the UTS and elongation Weibull modulus of the casting produced in SF6/CO2 are 7.7 and 2.7 respectively, suggesting that the reproducibility of the casting protected by SF6/CO2 were much lower than that produced in SF6/air.

Fig. 15. The Weibull modulus of AZ91 castings produced in different atmospheres, estimated by (a-b) the linear least square method, (c-d) the non-linear least square method, where SSR is the sum of residual squares.

In addition, the author’s previous publication [69] demonstrated a shortcoming of the linearized Weibull plots, which may cause a higher bias and incorrect R2 interruption of the Weibull estimation. A Non-LLS Weibull estimation was therefore carried out, as shown in Fig. 15 (c-d). The UTS Weibull modulus of the SF6/air casting was 20.8, while the casting produced under SF6/CO2 had a lower UTS Weibull modulus of 11.4, showing a clear difference in their reproducibility. In addition, the SF6/air elongation (El%) dataset also had a Weibull modulus (shape = 5.8) higher than the elongation dataset of SF6/CO2 (shape = 3.1). Therefore, both the LLS and Non-LLS estimations suggested that the SF6/air casting has a higher reproducibility than the SF6/CO2 casting. It supports the method that the use of air instead of CO2 contributes to a quicker consumption of the entrained gas, which may reduce the void volume within the defects. Therefore, the use of 0.5%SF6/air instead of 0.5%SF6/CO2 (which increased the consumption rate of the entrained gas) improved the reproducibility of the AZ91 castings.

However, it should be noted that not all the Mg-alloy foundries followed the casting process used in present work. The Mg-alloy melt in present work was degassed, thus reducing the effect of hydrogen on the consumption of the entrained gas (i.e., hydrogen could diffuse into the entrained gas, potentially suppressing the depletion of the entrained gas [7,71,72]). In contrast, in Mg-alloy foundries, the Mg-alloy melt is not normally degassed, since it was widely believed that there is not a ‘gas problem’ when casting magnesium and hence no significant change in tensile properties [73]. Although studies have shown the negative effect of hydrogen on the mechanical properties of Mg-alloy castings [41,42,73], a degassing process is still not very popular in Mg-alloy foundries.

Moreover, in present work, the sand mould cavity was flushed with the SF6 cover gas prior to pouring [22]. However, not all the Mg-alloy foundries flushed the mould cavity in this way. For example, the Stone Foundry Ltd (UK) used sulphur powder instead of the cover-gas flushing. The entrained gas within their castings may be SO2/air, rather than the protective gas.

Therefore, although the results in present work have shown that using air instead of CO2 improved the reproducibility of the final casting, it still requires further investigations to confirm the effect of carrier gases with respect to different industrial Mg-alloy casting processes.

7. Conclusion

Entrainment defects formed in an AZ91 alloy were observed. Their oxide films had two types of structure: single-layered and multi-layered. The multi-layered oxide film can grow together forming a sandwich-like structure in the final casting.2.

Both the experimental results and the theoretical thermodynamic calculations demonstrated that fluorides in the trapped gas were depleted prior to the consumption of sulphur. A three-stage evolution process of the double oxide film defects has been suggested. The oxide films contained different combinations of compounds, depending on the evolution stage. The defects formed in SF6/air had a similar structure to those formed in SF6/CO2, but the compositions of their oxide films were different. The oxide-film formation and evolution process of the entrainment defects were different from that of the Mg-alloy surface films previous reported (i.e., MgO formed prior to MgF2).3.

The growth rate of the oxide film was demonstrated to be greater under SF6/air than SF6/CO2, contributing to a quicker consumption of the damaging entrapped gas. The reproducibility of an AZ91 alloy casting improved when using SF6/air instead of SF6/CO2.

Acknowledgements

The authors acknowledge funding from the EPSRC LiME grant EP/H026177/1, and the help from Dr W.D. Griffiths and Mr. Adrian Carden (University of Birmingham). The casting work was carried out in University of Birmingham.

Reference

[1]

M.K. McNutt, SALAZAR K.

Magnesium, Compounds & Metal, U.S. Geological Survey and U.S. Department of the Interior

Reston, Virginia (2013)

Google Scholar[2]

Magnesium

Compounds & Metal, U.S. Geological Survey and U.S. Department of the Interior

(1996)

Google Scholar[3]

I. Ostrovsky, Y. Henn

ASTEC’07 International Conference-New Challenges in Aeronautics, Moscow (2007), pp. 1-5

Aug 19-22

View Record in ScopusGoogle Scholar[4]

Y. Wan, B. Tang, Y. Gao, L. Tang, G. Sha, B. Zhang, N. Liang, C. Liu, S. Jiang, Z. Chen, X. Guo, Y. Zhao

Acta Mater., 200 (2020), pp. 274-286

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[5]

J.T.J. Burd, E.A. Moore, H. Ezzat, R. Kirchain, R. Roth

Appl. Energy, 283 (2021), Article 116269

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[6]

A.M. Lewis, J.C. Kelly, G.A. Keoleian

Appl. Energy, 126 (2014), pp. 13-20

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[7]

J. Campbell

Castings

Butterworth-Heinemann, Oxford (2004)

Google Scholar[8]

M. Aryafar, R. Raiszadeh, A. Shalbafzadeh

J. Mater. Sci., 45 (2010), pp. 3041-3051 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[9]

R. Raiszadeh, W.D. Griffiths

Metall. Mater. Trans. B-Process Metall. Mater. Process. Sci., 42 (2011), pp. 133-143 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[10]

R. Raiszadeh, W.D. Griffiths

J. Alloy. Compd., 491 (2010), pp. 575-580

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[11]

L. Peng, G. Zeng, T.C. Su, H. Yasuda, K. Nogita, C.M. Gourlay

JOM, 71 (2019), pp. 2235-2244 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[12]

S. Ganguly, A.K. Mondal, S. Sarkar, A. Basu, S. Kumar, C. Blawert

Corros. Sci., 166 (2020)[13]

G.E. Bozchaloei, N. Varahram, P. Davami, S.K. Kim

Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process., 548 (2012), pp. 99-105

View Record in Scopus[14]

S. Fox, J. Campbell

Scr. Mater., 43 (2000), pp. 881-886

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[15]

M. Cox, R.A. Harding, J. Campbell

Mater. Sci. Technol., 19 (2003), pp. 613-625

View Record in Scopus[16]

C. Nyahumwa, N.R. Green, J. Campbell

Metall. Mater. Trans. A-Phys. Metall. Mater. Sci., 32 (2001), pp. 349-358

View Record in Scopus[17]

A. Ardekhani, R. Raiszadeh

J. Mater. Eng. Perform., 21 (2012), pp. 1352-1362 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[18]

X. Dai, X. Yang, J. Campbell, J. Wood

Mater. Sci. Technol., 20 (2004), pp. 505-513

View Record in Scopus[19]

E.M. Elgallad, M.F. Ibrahim, H.W. Doty, F.H. Samuel

Philos. Mag., 98 (2018), pp. 1337-1359 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[20]

W.D. Griffiths, N.W. Lai

Metall. Mater. Trans. A-Phys. Metall. Mater. Sci., 38A (2007), pp. 190-196 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[21]

A.R. Mirak, M. Divandari, S.M.A. Boutorabi, J. Campbell

Int. J. Cast Met. Res., 20 (2007), pp. 215-220 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[22]

C. Cingi

Laboratory of Foundry Engineering

Helsinki University of Technology, Espoo, Finland (2006)

Google Scholar[23]

Y. Jia, J. Hou, H. Wang, Q. Le, Q. Lan, X. Chen, L. Bao

J. Mater. Process. Technol., 278 (2020), Article 116542

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[24]

S. Ouyang, G. Yang, H. Qin, S. Luo, L. Xiao, W. Jie

Mater. Sci. Eng. A, 780 (2020), Article 139138

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[25]

S.-m. Xiong, X.-F. Wang

Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 20 (2010), pp. 1228-1234

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[26]

G.V. Research

Grand View Research

(2018)

USA

Google Scholar[27]

T. Li, J. Davies

Metall. Mater. Trans. A, 51 (2020), pp. 5389-5400 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[28]J.F. Fruehling, The University of Michigan, 1970.

Google Scholar[29]

S. Couling

36th Annual World Conference on Magnesium, Norway (1979), pp. 54-57

View Record in ScopusGoogle Scholar[30]

S. Cashion, N. Ricketts, P. Hayes

J. Light Met., 2 (2002), pp. 43-47

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[31]

S. Cashion, N. Ricketts, P. Hayes

J. Light Met., 2 (2002), pp. 37-42

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[32]

K. Aarstad, G. Tranell, G. Pettersen, T.A. Engh

Various Techniques to Study the Surface of Magnesium Protected by SF6

TMS (2003)

Google Scholar[33]

S.-M. Xiong, X.-L. Liu

Metall. Mater. Trans. A, 38 (2007), pp. 428-434 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[34]

T.-S. Shih, J.-B. Liu, P.-S. Wei

Mater. Chem. Phys., 104 (2007), pp. 497-504

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[35]

G. Pettersen, E. Øvrelid, G. Tranell, J. Fenstad, H. Gjestland

Mater. Sci. Eng. A, 332 (2002), pp. 285-294

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[36]

H. Bo, L.B. Liu, Z.P. Jin

J. Alloy. Compd., 490 (2010), pp. 318-325

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[37]

A. Mirak, C. Davidson, J. Taylor

Corros. Sci., 52 (2010), pp. 1992-2000

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[38]

B.D. Lee, U.H. Beak, K.W. Lee, G.S. Han, J.W. Han

Mater. Trans., 54 (2013), pp. 66-73 View PDF

View Record in Scopus[39]

W.Z. Liang, Q. Gao, F. Chen, H.H. Liu, Z.H. Zhao

China Foundry, 9 (2012), pp. 226-230 View PDF

CrossRef[40]

U.I. Gol’dshleger, E.Y. Shafirovich

Combust. Explos. Shock Waves, 35 (1999), pp. 637-644[41]

A. Elsayed, S.L. Sin, E. Vandersluis, J. Hill, S. Ahmad, C. Ravindran, S. Amer Foundry

Trans. Am. Foundry Soc., 120 (2012), pp. 423-429[42]

E. Zhang, G.J. Wang, Z.C. Hu

Mater. Sci. Technol., 26 (2010), pp. 1253-1258

View Record in Scopus[43]

N.R. Green, J. Campbell

Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process., 173 (1993), pp. 261-266

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[44]

C Reilly, MR Jolly, NR Green

Proceedings of MCWASP XII – 12th Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidifcation Processes, Vancouver, Canada (2009)

Google Scholar[45]H.E. Friedrich, B.L. Mordike, Springer, Germany, 2006.

Google Scholar[46]

C. Zheng, B.R. Qin, X.B. Lou

Proceedings of the 2010 International Conference on Mechanical, Industrial, and Manufacturing Technologies, ASME (2010), pp. 383-388

Mimt 2010 View PDF

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[47]

S.M. Xiong, X.F. Wang

Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 20 (2010), pp. 1228-1234

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[48]

S.M. Xiong, X.L. Liu

Metall. Mater. Trans. A-Phys. Metall. Mater. Sci., 38A (2007), pp. 428-434 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[49]

T.S. Shih, J.B. Liu, P.S. Wei

Mater. Chem. Phys., 104 (2007), pp. 497-504

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[50]

K. Aarstad, G. Tranell, G. Pettersen, T.A. Engh

Magn. Technol. (2003), pp. 5-10[51]

G. Pettersen, E. Ovrelid, G. Tranell, J. Fenstad, H. Gjestland

Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process., 332 (2002), pp. 285-294

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[52]

X.F. Wang, S.M. Xiong

Corros. Sci., 66 (2013), pp. 300-307

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[53]

S.H. Nie, S.M. Xiong, B.C. Liu

Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process., 422 (2006), pp. 346-351

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[54]

C. Bauer, A. Mogessie, U. Galovsky

Zeitschrift Fur Metallkunde, 97 (2006), pp. 164-168 View PDF

CrossRef[55]

Q.G. Wang, D. Apelian, D.A. Lados

J. Light Met., 1 (2001), pp. 73-84

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[56]

S. Wang, Y. Wang, Q. Ramasse, Z. Fan

Metall. Mater. Trans. A, 51 (2020), pp. 2957-2974[57]

S. Hayashi, W. Minami, T. Oguchi, H.J. Kim

Kag. Kog. Ronbunshu, 35 (2009), pp. 411-415 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[58]

K. Aarstad

Norwegian University of Science and Technology

(2004)

Google Scholar[59]

R.L. Wilkins

J. Chem. Phys., 51 (1969), p. 853

-&

View Record in Scopus[60]

O. Kubaschewski, K. Hesselemam

Thermo-Chemical Properties of Inorganic Substances

Springer-Verlag, Belin (1991)

Google Scholar[61]

R. Schmidt, M. Strobele, K. Eichele, H.J. Meyer

Eur. J. Inorg. Chem. (2017), pp. 2727-2735 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[62]

B. Hu, Y. Du, H. Xu, W. Sun, W.W. Zhang, D. Zhao

J. Min. Metall. Sect. B-Metall., 46 (2010), pp. 97-103

View Record in Scopus[63]

O. Salas, H. Ni, V. Jayaram, K.C. Vlach, C.G. Levi, R. Mehrabian

J. Mater. Res., 6 (1991), pp. 1964-1981

View Record in Scopus[64]

S.S.S. Kumari, U.T.S. Pillai, B.C. Pai

J. Alloy. Compd., 509 (2011), pp. 2503-2509

ArticleDownload PDFView Record in Scopus[65]

H. Scholz, P. Greil

J. Mater. Sci., 26 (1991), pp. 669-677

View Record in Scopus[66]

P. Biedenkopf, A. Karger, M. Laukotter, W. Schneider

Magn. Technol., 2005 (2005), pp. 39-42

View Record in Scopus[67]

H.V. Atkinson, S. Davies

Metall. Mater. Trans. A, 31 (2000), pp. 2981-3000 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[68]

E.J. Guo, L. Wang, Y.C. Feng, L.P. Wang, Y.H. Chen

J. Therm. Anal. Calorim., 135 (2019), pp. 2001-2008 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[69]

T. Li, W.D. Griffiths, J. Chen

Metall. Mater. Trans. A-Phys. Metall. Mater. Sci., 48A (2017), pp. 5516-5528 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[70]

M. Tiryakioglu, D. Hudak

J. Mater. Sci., 42 (2007), pp. 10173-10179 View PDF

CrossRefView Record in Scopus[71]

Y. Yue, W.D. Griffiths, J.L. Fife, N.R. Green

Proceedings of the 1st International Conference on 3d Materials Science (2012), pp. 131-136 View PDF

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[72]

R. Raiszadeh, W.D. Griffiths

Metall. Mater. Trans. B-Process Metall. Mater. Process. Sci., 37 (2006), pp. 865-871

View Record in Scopus[73]

Z.C. Hu, E.L. Zhang, S.Y. Zeng

Mater. Sci. Technol., 24 (2008), pp. 1304-1308 View PDF

CrossRefView Record in Scopus

Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.

알루미늄 합금 겹침 용접 중 용접 형성, 용융 흐름 및 입자 구조에 대한 사인파 발진 레이저 빔의 영향

린 첸 가오 양 미시 옹 장 춘밍 왕
Lin Chen , Gaoyang Mi , Xiong Zhang , Chunming Wang *
중국 우한시 화중과학기술대학 재료공학부, 430074

Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding

Abstract

A numerical model of 1.5 mm 6061/5182 aluminum alloys thin sheets lap joints under laser sinusoidal oscillation (sine) welding and laser welding (SLW) weld was developed to simulate temperature distribution and melt flow. Unlike the common energy distribution of SLW, the sinusoidal oscillation of laser beam greatly homogenized the energy distribution and reduced the energy peak. The energy peaks were located at both sides of the sine weld, resulting in the tooth-shaped sectional formation. This paper illustrated the effect of the temperature gradient (G) and solidification rate (R) on the solidification microstructure by simulation. Results indicated that the center of the sine weld had a wider area with low G/R, promoting the formation of a wider equiaxed grain zone, and the columnar grains were slenderer because of greater GR. The porosity-free and non-penetration welds were obtained by the laser sinusoidal oscillation. The reasons were that the molten pool volume was enlarged, the volume proportion of keyhole was reduced and the turbulence in the molten pool was gentled, which was observed by the high-speed imaging and simulation results of melt flow. The tensile test of both welds showed a tensile fracture form along the fusion line, and the tensile strength of sine weld was significantly better than that of the SLW weld. This was because that the wider equiaxed grain area reduced the tendency of cracks and the finer grain size close to the fracture location. Defect-free and excellent welds are of great significance to the new energy vehicles industry.

온도 분포 및 용융 흐름을 시뮬레이션하기 위해 레이저 사인파 진동 (사인) 용접 및 레이저 용접 (SLW) 용접에서 1.5mm 6061/5182 알루미늄 합금 박판 랩 조인트 의 수치 모델이 개발되었습니다. SLW의 일반적인 에너지 분포와 달리 레이저 빔의 사인파 진동은 에너지 분포를 크게 균질화하고 에너지 피크를 줄였습니다. 에너지 피크는 사인 용접의 양쪽에 위치하여 톱니 모양의 단면이 형성되었습니다. 이 논문은 온도 구배(G)와 응고 속도 의 영향을 설명했습니다.(R) 시뮬레이션에 의한 응고 미세 구조. 결과는 사인 용접의 중심이 낮은 G/R로 더 넓은 영역을 가짐으로써 더 넓은 등축 결정립 영역의 형성을 촉진하고 더 큰 GR로 인해 주상 결정립 이 더 가늘다는 것을 나타냅니다. 다공성 및 비관통 용접은 레이저 사인파 진동에 의해 얻어졌습니다. 그 이유는 용융 풀의 부피가 확대되고 열쇠 구멍의 부피 비율이 감소하며 용융 풀의 난류가 완만해졌기 때문이며, 이는 용융 흐름의 고속 이미징 및 시뮬레이션 결과에서 관찰되었습니다. 두 용접부 의 인장시험 은 융착선을 따라 인장파괴형태를인장강도사인 용접의 경우 SLW 용접보다 훨씬 우수했습니다. 이는 등축 결정립 영역이 넓을수록 균열 경향이 감소하고 파단 위치에 근접한 입자 크기가 미세 하기 때문입니다. 결함이 없고 우수한 용접은 신에너지 자동차 산업에 매우 중요합니다.

Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.
Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.
Fig. 2. Finite element mesh.
Fig. 2. Finite element mesh.
Fig. 3. Weld morphologies of cross-section and upper surface for the two welds: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld.
Fig. 3. Weld morphologies of cross-section and upper surface for the two welds: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld.
Fig. 4. Calculation of laser energy distribution: (a)-(c) sine pattern weld; (d)-(f) SLW weld.
Fig. 4. Calculation of laser energy distribution: (a)-(c) sine pattern weld; (d)-(f) SLW weld.
Fig. 5. The partially melted region of zone A.
Fig. 5. The partially melted region of zone A.
Fig. 6. The simulated profiles of melted region for the two welds: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
Fig. 6. The simulated profiles of melted region for the two welds: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
Fig. 7. The temperature field simulation results of cross section for sine pattern weld.
Fig. 7. The temperature field simulation results of cross section for sine pattern weld.
Fig. 8. Dynamic behavior of the molten pool at the same time interval of 0.004 s within one oscillating period: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
Fig. 8. Dynamic behavior of the molten pool at the same time interval of 0.004 s within one oscillating period: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
Fig. 9. The temperature field and flow field of the molten pool for the SLW weld: (a)~(f) t = 80 ms~100 ms.
Fig. 9. The temperature field and flow field of the molten pool for the SLW weld: (a)~(f) t = 80 ms~100 ms.
Fig. 10. The temperature field and flow field of the molten pool for the sine pattern weld: (a)~(f) t = 151 ms~171 ms.
Fig. 10. The temperature field and flow field of the molten pool for the sine pattern weld: (a)~(f) t = 151 ms~171 ms.
Fig. 11. The evolution of the molten pool volume and keyhole depth within one period.
Fig. 11. The evolution of the molten pool volume and keyhole depth within one period.
Fig. 12. The X-ray inspection results for the two welds: (a) SLW weld, (b) sine pattern weld.
Fig. 12. The X-ray inspection results for the two welds: (a) SLW weld, (b) sine pattern weld.
Fig. 13. Comparison of the solidification parameters for sine and SLW patterns: (a) the temperature field simulated results of the molten pool upper surfaces; (b) temperature gradient G and solidification rate R along the molten pool boundary isotherm from weld centerline to the fusion boundary; (c) G/R; (d) GR.
Fig. 13. Comparison of the solidification parameters for sine and SLW patterns: (a) the temperature field simulated results of the molten pool upper surfaces; (b) temperature gradient G and solidification rate R along the molten pool boundary isotherm from weld centerline to the fusion boundary; (c) G/R; (d) GR.
Fig. 14. The EBSD results of equiaxed grain zone in the weld center of: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld; (c) grain size.
Fig. 14. The EBSD results of equiaxed grain zone in the weld center of: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld; (c) grain size.
Fig. 15. (a) EBSD results of horizontal sections of SLW weld and sine pattern weld; (b) The columnar crystal widths of SLW weld and sine pattern weld.
Fig. 15. (a) EBSD results of horizontal sections of SLW weld and sine pattern weld; (b) The columnar crystal widths of SLW weld and sine pattern weld.
Fig. 16. (a) The tensile test results of the two welds; (b) Fracture location of SLW weld; (b) Fracture location of sine pattern weld.
Fig. 16. (a) The tensile test results of the two welds; (b) Fracture location of SLW weld; (b) Fracture location of sine pattern weld.

Keywords

Laser welding, Sinusoidal oscillating, Energy distribution, Numerical simulation, Molten pool flow, Grain structure

References

Chen, X., 2014. Study on laser-MAG Hybrid Weaving Welding Charateristics. Master
thesis. Harbin Institute of Technology, China.
Chen, G., Wang, B., Mao, S., Zhong, P., He, J., 2019. Research on the “∞”-shaped laser
scanning welding process for aluminum alloy. Opt. Laser Technol. 115, 32–41.
Cho, W.-I., Na, S.-J., Cho, M.-H., Lee, J.-S., 2010. Numerical study of alloying element
distribution in CO2 laser–GMA hybrid welding. Comput. Mater. Sci. 49, 792–800.
Cho, W.-I., Na, S.-J., Thomy, C., Vollertsen, F., 2012. Numerical simulation of molten
pool dynamics in high power disk laser welding. J. Mater. Process. Technol. 212,
262–275.
Das, A., Butterworth, I., Masters, I., Williams, D., 2018. Microstructure and mechanical
properties of gap-bridged remote laser welded (RLW) automotive grade AA 5182
joints. Mater. Charact. 145, 697–712.
Fetzer, F., Sommer, M., Weber, R., Weberpals, J.-P., Graf, T., 2018. Reduction of pores by
means of laser beam oscillation during remote welding of AlMgSi. Opt. Lasers Eng.
108, 68–77.
Geng, S., Jiang, P., Shao, X., Guo, L., Gao, X., 2020. Heat transfer and fluid flow and their
effects on the solidification microstructure in full-penetration laser welding of
aluminum sheet. J. Mater. Sci. Technol. 46, 50–63.
Hagenlocher, C., Sommer, M., Fetzer, F., Weber, R., Graf, T., 2018a. Optimization of the
solidification conditions by means of beam oscillation during laser beam welding of
aluminum. Mater. Des. 160, 1178–1185.
Hagenlocher, C., Weller, D., Weber, R., Graf, T., 2018b. Reduction of the hot cracking
susceptibility of laser beam welds in AlMgSi alloys by increasing the number of grain
boundaries. Sci. Technol. Weld. Join. 24, 313–319.
Hagenlocher, C., Fetzer, F., Weller, D., Weber, R., Graf, T., 2019. Explicit analytical
expressions for the influence of welding parameters on the grain structure of laser
beam welds in aluminium alloys. Mater. Des. 174, 107791.
Han, X., Tang, X., Wang, T., Shao, C., Lu, F., Cui, H., 2018. Role of ambient pressure in
keyhole dynamics based on beam transmission path method for laser welding on Al
alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 99, 1639–1651.
Hao, K., Li, G., Gao, M., Zeng, X., 2015. Weld formation mechanism of fiber laser
oscillating welding of austenitic stainless steel. J. Mater. Process. Technol. 225,
77–83.
Hirt, C.W., Nichols, B.D., 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free
boundaries. J. Comput. Phys. 39, 201–225.
Jiang, Z., Chen, X., Li, H., Lei, Z., Chen, Y., Wu, S., Wang, Y., 2020. Grain refinement and
laser energy distribution during laser oscillating welding of Invar alloy. Mater. Des.
186, 108195.
Kaplan, A., 1994. A model of deep penetration laser welding based on calculation of the
keyhole profile. J. Phys. D Appl. Phys. 27, 1805–1814.
Kou, S., 2002. Welding Metallurgy, 2nd ed. Wiley-Interscience, New Jersey, USA.
Kuryntsev, S.V., Gilmutdinov, A.K., 2015. The effect of laser beam wobbling mode in
welding process for structural steels. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 81, 1683–1691.
Li, P., Nie, F., Dong, H., Li, S., Yang, G., Zhang, H., 2018. Pulse MIG welding of 6061-T6/
A356-T6 aluminum alloy dissimilar T-joint. J. Mater. Eng. Perform. 27, 4760–4769.
Liu, T., Mu, Z., Hu, R., Pang, S., 2019. Sinusoidal oscillating laser welding of 7075
aluminum alloy: hydrodynamics, porosity formation and optimization. Int. J. Heat
Mass Transf. 140, 346–358.
Seto, N., Katayama, S., Matsunawa, A., 2000. High-speed simultaneous observation of
plasma and keyhole behavior during high power CO2 laser welding: effect of
shielding gas on porosity formation. J. Laser Appl. 12, 245–250.
Tang, Z., Vollertsen, F., 2014. Influence of grain refinement on hot cracking in laser
welding of aluminum. Weld. World 58, 355–366.
Wang, L., Gao, M., Zhang, C., Zeng, X., 2016. Effect of beam oscillating pattern on weld
characterization of laser welding of AA6061-T6 aluminum alloy. Mater. Des. 108,
707–717.
Wang, L., Gao, M., Zeng, X., 2018. Experiment and prediction of weld morphology for
laser oscillating welding of AA6061 aluminium alloy. Sci. Technol. Weld. Join. 24,
334–341.
Yamazaki, Y., Abe, Y., Hioki, Y., Nakatani, M., Kitagawa, A., Nakata, K., 2016.
Fundamental study of narrow-gap welding with oscillation laser beam. Weld. Int. 30,
699–707.
Yuan, Z., Tu, Y., Yuan, T., Zhang, Y., Huang, Y., 2021. Size effects on mechanical
properties of pure industrial aluminum sheet for micro/meso scale plastic
deformation: experiment and modeling. J. Alloys. Compd. 859, 157752.
Zou, J., 2016. Characteristics of laser scanning welding process for 5A06 aluminum alloy
thick plate with narrow gap. Materials Processing Engineering. Harbin Welding
Institute, China. Master thesis.

Fig. 1. Schematic figure showing the PREP with additional gas flowing on the end face of electrode.

플라즈마 회전 전극 공정 중 분말 형성에 대한 공정 매개변수 및 냉각 가스의 영향

Effects of process parameters and cooling gas on powder formation during the plasma rotating electrode process

Yujie Cuia Yufan Zhaoa1 Haruko Numatab Kenta Yamanakaa Huakang Biana Kenta Aoyagia AkihikoChibaa
aInstitute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, JapanbDepartment of Materials Processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan

Highlights

•The limitation of increasing the rotational speed in decreasing powder size was clarified.

•Cooling and disturbance effects varied with the gas flowing rate.

•Inclined angle of the residual electrode end face affected powder formation.

•Additional cooling gas flowing could be applied to control powder size.

Abstract

The plasma rotating electrode process (PREP) is rapidly becoming an important powder fabrication method in additive manufacturing. However, the low production rate of fine PREP powder limits the development of PREP. Herein, we investigated different factors affecting powder formation during PREP by combining experimental methods and numerical simulations. The limitation of increasing the rotation electrode speed in decreasing powder size is attributed to the increased probability of adjacent droplets recombining and the decreased tendency of granulation. The effects of additional Ar/He gas flowing on the rotational electrode on powder formation is determined through the cooling effect, the disturbance effect, and the inclined effect of the residual electrode end face simultaneously. A smaller-sized powder was obtained in the He atmosphere owing to the larger inclined angle of the residual electrode end face compared to the Ar atmosphere. Our research highlights the route for the fabrication of smaller-sized powders using PREP.

플라즈마 회전 전극 공정(PREP)은 적층 제조 에서 중요한 분말 제조 방법으로 빠르게 자리잡고 있습니다. 그러나 미세한 PREP 분말의 낮은 생산율은 PREP의 개발을 제한합니다. 여기에서 우리는 실험 방법과 수치 시뮬레이션을 결합하여 PREP 동안 분말 형성에 영향을 미치는 다양한 요인을 조사했습니다. 분말 크기 감소에서 회전 전극 속도 증가의 한계는 인접한 액적 재결합 확률 증가 및 과립화 경향 감소에 기인합니다.. 회전 전극에 흐르는 추가 Ar/He 가스가 분말 형성에 미치는 영향은 냉각 효과, 외란 효과 및 잔류 전극 단면의 경사 효과를 통해 동시에 결정됩니다. He 분위기에서는 Ar 분위기에 비해 잔류 전극 단면의 경사각이 크기 때문에 더 작은 크기의 분말이 얻어졌다. 우리의 연구는 PREP를 사용하여 더 작은 크기의 분말을 제조하는 경로를 강조합니다.

Keywords

Plasma rotating electrode process

Ti-6Al-4 V alloy, Rotating speed, Numerical simulation, Gas flowing, Powder size

Introduction

With the development of additive manufacturing, there has been a significant increase in high-quality powder production demand [1,2]. The initial powder characteristics are closely related to the uniform powder spreading [3,4], packing density [5], and layer thickness observed during additive manufacturing [6], thus determining the mechanical properties of the additive manufactured parts [7,8]. Gas atomization (GA) [9–11], centrifugal atomization (CA) [12–15], and the plasma rotating electrode process (PREP) are three important powder fabrication methods.

Currently, GA is the dominant powder fabrication method used in additive manufacturing [16] for the fabrication of a wide range of alloys [11]. GA produces powders by impinging a liquid metal stream to droplets through a high-speed gas flow of nitrogen, argon, or helium. With relatively low energy consumption and a high fraction of fine powders, GA has become the most popular powder manufacturing technology for AM.

The entrapped gas pores are generally formed in the powder after solidification during GA, in which the molten metal is impacted by a high-speed atomization gas jet. In addition, satellites are formed in GA powder when fine particles adhere to partially molten particles.

The gas pores of GA powder result in porosity generation in the additive manufactured parts, which in turn deteriorates its mechanical properties because pores can become crack initiation sites [17]. In CA, a molten metal stream is poured directly onto an atomizer disc spinning at a high rotational speed. A thin film is formed on the surface of the disc, which breaks into small droplets due to the centrifugal force. Metal powder is obtained when these droplets solidify.

Compared with GA powder, CA powder exhibits higher sphericity, lower impurity content, fewer satellites, and narrower particle size distribution [12]. However, very high speed is required to obtain fine powder by CA. In PREP, the molten metal, melted using the plasma arc, is ejected from the rotating rod through centrifugal force. Compared with GA powder, PREP-produced powders also have higher sphericity and fewer pores and satellites [18].

For instance, PREP-fabricated Ti6Al-4 V alloy powder with a powder size below 150 μm exhibits lower porosity than gas-atomized powder [19], which decreases the porosity of additive manufactured parts. Furthermore, the process window during electron beam melting was broadened using PREP powder compared to GA powder in Inconel 718 alloy [20] owing to the higher sphericity of the PREP powder.

In summary, PREP powder exhibits many advantages and is highly recommended for powder-based additive manufacturing and direct energy deposition-type additive manufacturing. However, the low production rate of fine PREP powder limits the widespread application of PREP powder in additive manufacturing.

Although increasing the rotating speed is an effective method to decrease the powder size [21,22], the reduction in powder size becomes smaller with the increased rotating speed [23]. The occurrence of limiting effects has not been fully clarified yet.

Moreover, the powder size can be decreased by increasing the rotating electrode diameter [24]. However, these methods are quite demanding for the PREP equipment. For instance, it is costly to revise the PREP equipment to meet the demand of further increasing the rotating speed or electrode diameter.

Accordingly, more feasible methods should be developed to further decrease the PREP powder size. Another factor that influences powder formation is the melting rate [25]. It has been reported that increasing the melting rate decreases the powder size of Inconel 718 alloy [26].

In contrast, the powder size of SUS316 alloy was decreased by decreasing the plasma current within certain ranges. This was ascribed to the formation of larger-sized droplets from fluid strips with increased thickness and spatial density at higher plasma currents [27]. The powder size of NiTi alloy also decreases at lower melting rates [28]. Consequently, altering the melting rate, varied with the plasma current, is expected to regulate the PREP powder size.

Furthermore, gas flowing has a significant influence on powder formation [27,29–31]. On one hand, the disturbance effect of gas flowing promotes fluid granulation, which in turn contributes to the formation of smaller-sized powder [27]. On the other hand, the cooling effect of gas flowing facilitates the formation of large-sized powder due to increased viscosity and surface tension. However, there is a lack of systematic research on the effect of different gas flowing on powder formation during PREP.

Herein, the authors systematically studied the effects of rotating speed, electrode diameter, plasma current, and gas flowing on the formation of Ti-6Al-4 V alloy powder during PREP as additive manufactured Ti-6Al-4 V alloy exhibits great application potential [32]. Numerical simulations were conducted to explain why increasing the rotating speed is not effective in decreasing powder size when the rotation speed reaches a certain level. In addition, the different factors incited by the Ar/He gas flowing on powder formation were clarified.

Fig. 1. Schematic figure showing the PREP with additional gas flowing on the end face of electrode.
Fig. 1. Schematic figure showing the PREP with additional gas flowing on the end face of electrode.

References

[1] W. Ding, G. Chen, M. Qin, Y. He, X. Qu, Low-cost Ti powders for additive manufacturing treated by fluidized bed, Powder Technol. 350 (2019) 117–122, https://doi.org/
10.1016/j.powtec.2019.03.042.
[2] W.S.W. Harun, M.S.I.N. Kamariah, N. Muhamad, S.A.C. Ghani, F. Ahmad, Z. Mohamed,
A review of powder additive manufacturing processes for metallic biomaterials,
Powder Technol. 327 (2018) 128–151, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.12.
058.
[3] M. Ahmed, M. Pasha, W. Nan, M. Ghadiri, A simple method for assessing powder
spreadability for additive manufacturing, Powder Technol. 367 (2020) 671–679,
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.033.
[4] W. Nan, M. Pasha, M. Ghadiri, Numerical simulation of particle flow and segregation
during roller spreading process in additive manufacturing, Powder Technol. 364
(2020) 811–821, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.12.023.
[5] A. Averardi, C. Cola, S.E. Zeltmann, N. Gupta, Effect of particle size distribution on the
packing of powder beds : a critical discussion relevant to additive manufacturing,
Mater. Today Commun. 24 (2020) 100964, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.
2020.100964.
[6] K. Riener, N. Albrecht, S. Ziegelmeier, R. Ramakrishnan, L. Haferkamp, A.B. Spierings,
G.J. Leichtfried, Influence of particle size distribution and morphology on the properties of the powder feedstock as well as of AlSi10Mg parts produced by laser powder bed fusion (LPBF), Addit. Manuf. 34 (2020) 101286, https://doi.org/10.1016/j.
addma.2020.101286.
[7] W.S.W. Harun, N.S. Manam, M.S.I.N. Kamariah, S. Sharif, A.H. Zulkifly, I. Ahmad, H.
Miura, A review of powdered additive manufacturing techniques for Ti-6Al-4V biomedical applications, Powder Technol. 331 (2018) 74–97, https://doi.org/10.1016/j.
powtec.2018.03.010.
[8] A.T. Sutton, C.S. Kriewall, M.C. Leu, J.W. Newkirk, Powder characterisation techniques and effects of powder characteristics on part properties in powder-bed fusion processes, Virtual Phys. Prototyp. 12 (2017) (2017) 3–29, https://doi.org/10.
1080/17452759.2016.1250605.
[9] G. Chen, Q. Zhou, S.Y. Zhao, J.O. Yin, P. Tan, Z.F. Li, Y. Ge, J. Wang, H.P. Tang, A pore
morphological study of gas-atomized Ti-6Al-4V powders by scanning electron microscopy and synchrotron X-ray computed tomography, Powder Technol. 330
(2018) 425–430, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.02.053.
[10] Y. Feng, T. Qiu, Preparation, characterization and microwave absorbing properties of
FeNi alloy prepared by gas atomization method, J. Alloys Compd. 513 (2012)
455–459, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.10.079.

[11] I.E. Anderson, R.L. Terpstra, Progress toward gas atomization processing with increased uniformity and control, Mater. Sci. Eng. A 326 (2002) 101–109, https://
doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01427-7.
[12] P. Phairote, T. Plookphol, S. Wisutmethangoon, Design and development of a centrifugal atomizer for producing zinc metal powder, Int. J. Appl. Phys. Math. 2 (2012)
77–82, https://doi.org/10.7763/IJAPM.2012.V2.58.
[13] L. Tian, I. Anderson, T. Riedemann, A. Russell, Production of fine calcium powders by
centrifugal atomization with rotating quench bath, Powder Technol. 308 (2017)
84–93, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.12.011.
[14] M. Eslamian, J. Rak, N. Ashgriz, Preparation of aluminum/silicon carbide metal matrix composites using centrifugal atomization, Powder Technol. 184 (2008) 11–20,
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.07.045.
[15] T. Plookphol, S. Wisutmethangoon, S. Gonsrang, Influence of process parameters on
SAC305 lead-free solder powder produced by centrifugal atomization, Powder
Technol. 214 (2011) 506–512, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.09.015.
[16] M.Z. Gao, B. Ludwig, T.A. Palmer, Impact of atomization gas on characteristics of austenitic stainless steel powder feedstocks for additive manufacturing, Powder
Technol. 383 (2021) 30–42, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.12.005.
[17] X. Shui, K. Yamanaka, M. Mori, Y. Nagata, A. Chiba, Effects of post-processing on cyclic fatigue response of a titanium alloy additively manufactured by electron beam
melting, Mater. Sci. Eng. A 680 (2017) 239–248, https://doi.org/10.1016/j.msea.
2016.10.059.
[18] C. Wang, X.H. Zhao, Y.C. Ma, Q.X. Wang, Y.J. Lai, S.J. Liang, Study of the spherical
HoCu powders prepared by supreme-speed plasma rotating electrode process,
Powder Metallurgy Technology 38 (3) (2020) 227–233, https://doi.org/10.19591/
j.cnki.cn11-1974/tf.2020.03.011 (in Chinese).
[19] G. Chen, S.Y. Zhao, P. Tan, J. Wang, C.S. Xiang, H.P. Tang, A comparative study of Ti6Al-4V powders for additive manufacturing by gas atomization, plasma rotating
electrode process and plasma atomization, Powder Technol. 333 (2018) 38–46,
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.04.013.
[20] Y. Zhao, K. Aoyagi, Y. Daino, K. Yamanaka, A. Chiba, Significance of powder feedstock
characteristics in defect suppression of additively manufactured Inconel 718, Addit.
Manuf. 34 (2020) 101277, https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101277.
[21] Y. Nie, J. Tang, B. Yang, Q. Lei, S. Yu, Y. Li, Comparison in characteristic and atomization behavior of metallic powders produced by plasma rotating electrode process,
Adv. Powder Technol. 31 (2020) 2152–2160, https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.03.
006.
[22] Y. Cui, Y. Zhao, H. Numata, H. Bian, K. Wako, K. Yamanaka, K. Aoyagi, C. Zhang, A.
Chiba, Effects of plasma rotating electrode process parameters on the particle size
distribution and microstructure of Ti-6Al-4 V alloy powder, Powder Technol 376
(2020) 363–372, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.08.027.
[23] J. Tang, Y. Nie, Q. Lei, Y. Li, Characteristics and atomization behavior of Ti-6Al-4V
powder produced by plasma rotating electrode process Adv, Powder Technol. 10
(2019) 2330–2337, https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.07.015.
[24] M. Zdujić, D. Uskoković, Production of atomized metal and alloy powders by the rotating electrode process, Sov. Powder Metall. Met. Ceram. 29 (1990) 673–683,
https://doi.org/10.1007/BF00795571.
[25] L. Zhang, Y. Zhao, Particle size distribution of tin powder produced by centrifugal
atomisation using rotating cups, Powder Technol. 318 (2017) 62–67, https://doi.
org/10.1016/j.powtec.2017.05.038.
[26] Y. Liu, S. Liang, Z. Han, J. Song, Q. Wang, A novel model of calculating particle sizes in
plasma rotating electrode process for superalloys, Powder Technol. 336 (2018)
406–414, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.06.002.
[27] Y. Zhao, Y. Cui, H. Numata, H. Bian, K. Wako, K. Yamanaka, Centrifugal granulation
behavior in metallic powder fabrication by plasma rotating electrode process, Sci.
Rep. (2020) 1–15, https://doi.org/10.1038/s41598-020-75503-w.
[28] T. Hsu, C. Wei, L. Wu, Y. Li, A. Chiba, M. Tsai, Nitinol powders generate from plasma
rotation electrode process provide clean powder for biomedical devices used with
suitable size, spheroid surface and pure composition, Sci. Rep. 8 (2018) 1–8,
https://doi.org/10.1038/s41598-018-32101-1.
[29] M. Wei, S. Chen, M. Sun, J. Liang, C. Liu, M. Wang, Atomization simulation and preparation of 24CrNiMoY alloy steel powder using VIGA technology at high gas pressure, Powder Technol. 367 (2020) 724–739, https://doi.org/10.1016/j.powtec.
2020.04.030.
[30] Y. Tan, X. Zhu, X.Y. He, B. Ding, H. Wang, Q. Liao, H. Li, Granulation characteristics of
molten blast furnace slag by hybrid centrifugal-air blast technique, Powder Technol.
323 (2018) 176–185, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.09.040.
[31] P. Xu, D.H. Liu, J. Hu, G.Y. Lin, Synthesis of Ni-Ti composite powder by radio frequency plasma spheroidization process, Nonferrous Metals Science and Engineering
39 (1) (2020) 67–71 , (in Chinese) 10.13264/j.cnki.ysjskx.2020.01.011.
[32] H. Mehboob, F. Tarlochan, A. Mehboob, S.H. Chang, S. Ramesh, W.S.W. Harun, K.
Kadirgama, A novel design, analysis and 3D printing of Ti-6Al-4V alloy bioinspired porous femoral stem, J. Mater. Sci. Mater. Med. 31 (2020) 78, https://doi.
org/10.1007/s10856-020-06420-7.
[33] FLOW-3D® Version 11.2 [Computer software]. , Flow Science, Inc., Santa Fe, NM,
2017https://www.flow3d.com.
[34] M. Boivineau, C. Cagran, D. Doytier, V. Eyraud, M.H. Nadal, B. Wilthan, G. Pottlacher,
Thermophysical properties of solid and liquid Ti-6Al-4V (TA6V) alloy, Int. J.
Thermophys. 27 (2006) 507–529, https://doi.org/10.1007/PL00021868.
[35] J. Liu, Q. Qin, Q. Yu, The effect of size distribution of slag particles obtained in dry
granulation on blast furnace slag cement strength, Powder Technol. 362 (2020)
32–36, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.11.115.
[36] M. Tanaka, S. Tashiro, A study of thermal pinch effect of welding arcs, J. Japan Weld.
Soc. 25 (2007) 336–342, https://doi.org/10.2207/qjjws.25.336 (in Japanese).
[37] T. Kamiya, A. Kayano, Disintegration of viscous fluid in the ligament state purged
from a rotating disk, J. Chem. Eng. JAPAN. 4 (1971) 364–369, https://doi.org/10.
1252/jcej.4.364.
[38] T. Kamiya, An analysis of the ligament-type disintegration of thin liquid film at the
edge of a rotating disk, J. Chem. Eng. Japan. 5 (1972) 391–396, https://doi.org/10.
1252/jcej.5.391.
[39] J. Burns, C. Ramshaw, R. Jachuck, Measurement of liquid film thickness and the determination of spin-up radius on a rotating disc using an electrical resistance technique, Chem. Eng. Sci. 58 (2003) 2245–2253, https://doi.org/10.1016/S0009-2509
(03)00091-5.
[40] J. Rauscher, R. Kelly, J. Cole, An asymptotic solution for the laminar flow of a thin film
on a rotating disk, J. Appl. Mech. Trans. ASME 40 (1973) 43–47, https://doi.org/10.
1115/1.3422970

Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

반고체 레오 다이 캐스팅 공정으로 제작된 알루미늄 합금 브래킷의 수치 시뮬레이션 및 생산 실험 검증을 기반으로 한 게이팅 시스템 설계

International Journal of Metalcasting volume 16, pages878–893 (2022)Cite this article

Abstract

In this study a gating system including sprue, runner and overflows for semi-solid rheocasting of aluminum alloy was designed by means of numerical simulations with a commercial software. The effects of pouring temperature, mold temperature and injection speed on the filling process performance of semi-solid die casting were studied. Based on orthogonal test analysis, the optimal die casting process parameters were selected, which were metal pouring temperature 590 °C, mold temperature 260 °C and injection velocity 0.5 m/s. Semi-solid slurry preparation process of Swirled Enthalpy Equilibration Device (SEED) was used for die casting production experiment. Aluminum alloy semi-solid bracket components were successfully produced with the key die casting process parameters selected, which was consistent with the simulation result. The design of semi-solid gating system was further verified by observing and analyzing the microstructure of different zones of the casting. The characteristic parameters, particle size and shape factor of microstructure of the produced semi-solid casting showed that the semi-solid aluminum alloy components are of good quality.

이 연구에서 알루미늄 합금의 반고체 레오캐스팅을 위한 스프루, 러너 및 오버플로를 포함하는 게이팅 시스템은 상용 소프트웨어를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 설계되었습니다. 주입 온도, 금형 온도 및 사출 속도가 반고체 다이캐스팅의 충전 공정 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 직교 테스트 분석을 기반으로 금속 주입 온도 590°C, 금형 온도 260°C 및 사출 속도 0.5m/s인 최적의 다이 캐스팅 공정 매개변수가 선택되었습니다. Swirled Enthalpy Equilibration Device(SEED)의 반고체 슬러리 제조 공정을 다이캐스팅 생산 실험에 사용하였다. 알루미늄 합금 반고체 브래킷 구성 요소는 시뮬레이션 결과와 일치하는 주요 다이 캐스팅 공정 매개변수를 선택하여 성공적으로 생산되었습니다. 반고체 게이팅 시스템의 설계는 주조의 다른 영역의 미세 구조를 관찰하고 분석하여 추가로 검증되었습니다. 생산된 반고체 주조물의 특성 매개변수, 입자 크기 및 미세 구조의 형상 계수는 반고체 알루미늄 합금 부품의 품질이 양호함을 보여주었습니다.

Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process
Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

References

  1. G. Li, H. Lu, X. Hu et al., Current progress in rheoforming of wrought aluminum alloys: a review. Met. Open Access Metall. J. 10(2), 238 (2020)CAS Google Scholar 
  2. G. Eisaabadi, A. Nouri, Effect of Sr on the microstructure of electromagnetically stirred semi-solid hypoeutectic Al–Si alloys. Int. J. Metalcast. 12, 292–297 (2018). https://doi.org/10.1007/s40962-017-0161-8CAS Article Google Scholar 
  3. C. Xghab, D. Qza, E. Spma et al., Blistering in semi-solid die casting of aluminium alloys and its avoidance. Acta Mater. 124, 446–455 (2017)Article Google Scholar 
  4. M. Modigell, J. Koke, Rheological modelling on semi-solid metal alloys and simulation of thixocasting processes. J. Mater. Process. Technol. 111(1–3), 53–58 (2001)CAS Article Google Scholar 
  5. A. Pola, M. Tocci, P. Kapranos, Microstructure and properties of semi-solid aluminum alloys: a literature review. Met. Open Access Metall. J. 8(3), 181 (2018)Google Scholar 
  6. M.C. Flemings, Behavior of metal alloys in the semisolid state. Metall. Trans. B 22, 269–293 (1991). https://doi.org/10.1007/BF02651227Article Google Scholar 
  7. Q. Zhu, Semi-solid moulding: competition to cast and machine from forging in making automotive complex components. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20, 1042–1047 (2010)Article Google Scholar 
  8. K. Prapasajchavet, Y. Harada, S. Kumai, Microstructure analysis of Al–5.5 at.%Mg alloy semi-solid slurry by Weck’s reagent. Int. J. Metalcast. 11(1), 123 (2017). https://doi.org/10.1007/s40962-016-0084-9Article Google Scholar 
  9. P. Das, S.K. Samanta, S. Tiwari, P. Dutta, Die filling behaviour of semi solid A356 Al alloy slurry during rheo pressure die casting. Trans. Indian Inst. Met. 68(6), 1215–1220 (2015). https://doi.org/10.1007/s12666-015-0706-6CAS Article Google Scholar 
  10. B. Zhou, S. Lu, K. Xu et al., Microstructure and simulation of semisolid aluminum alloy castings in the process of stirring integrated transfer-heat (SIT) with water cooling. Int. J. Metalcast. 14(2), 396–408 (2019). https://doi.org/10.1007/s40962-019-00357-6CAS Article Google Scholar 
  11. S. Ji, Z. Fan, Solidification behavior of Sn–15 wt Pct Pb alloy under a high shear rate and high intensity of turbulence during semisolid processing. Metall. Mater. Trans. A. 33(11), 3511–3520 (2002). https://doi.org/10.1007/s11661-002-0338-4Article Google Scholar 
  12. P. Kapranos, P.J. Ward, H.V. Atkinson, D.H. Kirkwood, Near net shaping by semi-solid metal processing. Mater. Des. 21, 387–394 (2000). https://doi.org/10.1016/S0261-3069(99)00077-1Article Google Scholar 
  13. H.V. Atkinson, Alloys for semi-solid processing. Solid State Phenom. 192–193, 16–27 (2013)Google Scholar 
  14. L. Rogal, Critical assessment: opportunities in developing semi-solid processing: aluminium, magnesium, and high-temperature alloys. Mater. Sci. Technol. Mst A Publ. Inst. Met. 33, 759–764 (2017)CAS Article Google Scholar 
  15. H. Guo, Rheo-diecasting process for semi-solid aluminum alloys. J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 22(004), 590–595 (2007)CAS Article Google Scholar 
  16. T. Chucheep, J. Wannasin, R. Canyook, T. Rattanochaikul, S. Janudom, S. Wisutmethangoon, M.C. Flemings, Characterization of flow behavior of semi-solid slurries with low solid fractions. Metall. Mater. Trans. A 44(10), 4754–4763 (2013)CAS Article Google Scholar 
  17. M. Li, Y.D. Li, W.L. Yang et al., Effects of forming processes on microstructures and mechanical properties of A356 aluminum alloy prepared by self-inoculation method. Mater. Res. 22(3) (2019)
  18. P. Côté, M.E. Larouche, X.G. Chen et al., New developments with the SEED technology. Solid State Phenom. 192(3), 373–378 (2012)Article Google Scholar 
  19. I. Dumanić, S. Jozić, D. Bajić et al., Optimization of semi-solid high-pressure die casting process by computer simulation, Taguchi method and grey relational analysis. Inter Metalcast. 15, 108–118 (2021). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00422-5Article Google Scholar 
  20. Y. Bai et al., Numerical simulation on the rheo-diecasting of the semi-solid A356 aluminum alloy. Int. J. Miner. Metall. Mater. 16, 422 (2009). https://doi.org/10.1016/S1674-4799(09)60074-1CAS Article Google Scholar 
  21. B.C. Bhunia, Studies on die filling of A356 Al alloy and development of a steering knuckle component using rheo pressure die casting system. J. Mater. Process. Technol. 271, 293–311 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.04.014CAS Article Google Scholar 
  22. A. Guo, J. Zhao, C. Xu et al., Effects of pouring temperature and electromagnetic stirring on porosity and mechanical properties of A357 aluminum alloy rheo-diecasting. J. Mater. Eng. Perform. (2018). https://doi.org/10.1007/s11665-018-3310-1Article Google Scholar 
  23. C.G. Kang, S.M. Lee, B.M. Kim, A study of die design of semi-solid die casting according to gate shape and solid fraction. J. Mater. Process. Technol. 204(1–3), 8–21 (2008)CAS Article Google Scholar 
  24. Z. Liu, W. Mao, T. Wan et al., Study on semi-solid A380 aluminum alloy slurry prepared by water-cooling serpentine channel and its rheo-diecasting. Met. Mater. Int. (2020). https://doi.org/10.1007/s12540-020-00672-2Article Google Scholar 
  25. Z.Y. Liu, W.M. Mao, W.P. Wang et al., Investigation of rheo-diecasting mold filling of semi-solid A380 aluminum alloy slurry. Int. J. Miner. Metall. Mater. 24(006), 691–700 (2017)CAS Article Google Scholar 
  26. M. Arif, M.Z. Omar, N. Muhamad et al., Microstructural evolution of solid-solution-treated Zn–22Al in the semisolid state. J. Mater. Sci. Technol. 29(008), 765–774 (2013)CAS Article Google Scholar 

Keywords

  • semi-solid rheo-die casting
  • gating system
  • process parameters
  • numerical simulation
  • microstructure
Figura 4.5 – Superfície de contorno de velocidades a 3,9 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.

전기톱 절단 시험실에서 배기 시스템의 CFD 시뮬레이션

CFD Simulation of an exhaust system in chainsaw cutting test room

Área de Concentração: Energia e Fenômenos de Transporte
Orientador: Prof. Diogo Elias da Vinha Andrade
Comissão de Avaliação:
Profa
. Letícia Jenisch Rodrigues
Prof. Francis Henrique Ramos França
Prof. Paulo Smith Schneider

Abstract

The objective of the present work is to improve an exhaust system for a chain saw
cutting test room through a fluid dynamic computational simulation (CFD). The purpose of the
designed system is to remove combustion gases, such as carbon monoxide (CO), which is
extremely toxic, colourless and inodorous. The current system consists of a set of exhaust fans,
a hood and an insufflation set. From experimental tests, the input data of the simulation were
collected to define the variables and boundary conditions such as volumetric flow of CO, its
temperature and density and the supply of fresh air in the room. The necessary means of
instrumentation are presented so that it is possible to obtain the correlation with the results of
the simulation and, once validated, a study of mesh refinement was carried out. With this, the
possible solutions to the problem are evaluated through a case study involving the geometry of
the hood and the exhaust and insufflation systems. By changing the hood geometry, the most
satisfactory result was obtained for the problem, as it was shown to be able to remove all CO
from the room, respecting the proposed operational limits.

현재 연구의 목적은 유체 역학 계산 시뮬레이션(CFD)을 통해 체인 톱 절단 시험실의 배기 시스템을 개선하는 것입니다. 설계된 시스템의 목적은 매우 유독하고 무색이며 냄새가 나는 일산화탄소(CO)와 같은 연소 가스를 제거하는 것입니다. 현재 시스템은 배기 팬 세트, 후드 및 흡입 세트로 구성됩니다. 실험 테스트에서 시뮬레이션의 입력 데이터는 CO의 체적 유량, 온도 및 밀도, 실내의 신선한 공기 공급과 같은 변수 및 경계 조건을 정의하기 위해 수집되었습니다. 시뮬레이션 결과와의 상관관계를 얻을 수 있도록 필요한 계측 수단을 제시하고 검증 후 메쉬 미세화 연구를 수행했습니다. 이를 통해 후드의 기하학적 구조와 배기 및 흡입 시스템과 관련된 사례 연구를 통해 문제에 대한 가능한 솔루션을 평가합니다. 후드 형상을 변경함으로써 제안된 작동 한계를 준수하면서 실내에서 모든 CO를 제거할 수 있는 것으로 나타났기 때문에 문제에 대해 가장 만족스러운 결과를 얻었습니다.

Keywords

carbon monoxide, exhaust system, CFD simulation.

Figura 3.2 – Geometria simplificada da sala de testes da primeira versão.
Figura 3.2 – Geometria simplificada da sala de testes da primeira versão.
Figura 3.4 – Velocidade nos sensores de velocidade para verificar independência de malha para cada refino após 20 s do acionamento da motosserra.
Figura 3.4 – Velocidade nos sensores de velocidade para verificar independência de malha para cada refino após 20 s do acionamento da motosserra.
Figura 3.4 – Velocidade nos sensores de velocidade para verificar independência de malha para cada refino após 20 s do acionamento da motosserra.
Figura 3.4 – Velocidade nos sensores de velocidade para verificar independência de malha para cada refino após 20 s do acionamento da motosserra.
Figura 3.5 – Vista em detalhe da coifa e os elementos que a compõe.
Figura 3.5 – Vista em detalhe da coifa e os elementos que a compõe.
Figura 3.6 – Geometrias das versões simuladas do Teste de Casos.
Figura 3.6 – Geometrias das versões simuladas do Teste de Casos.
Figura 4.1 – Concentração de CO medida pelos sensores da simulação.
Figura 4.1 – Concentração de CO medida pelos sensores da simulação.
Figura 4.2 – Plano indicando os três cortes realizados na simulação para as superfícies de contorno sendo (1) a altura do escape da máquina, (2) a altura dos detectores de CO e (3) a altura dos exaustores
Figura 4.2 – Plano indicando os três cortes realizados na simulação para as superfícies de contorno sendo (1) a altura do escape da máquina, (2) a altura dos detectores de CO e (3) a altura dos exaustores
Figura 4.3 – Superfície de contorno de velocidades a 1,3 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.3 – Superfície de contorno de velocidades a 1,3 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.4 – Superfície de contorno de velocidades a 1,5 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.4 – Superfície de contorno de velocidades a 1,5 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.5 – Superfície de contorno de velocidades a 3,9 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.5 – Superfície de contorno de velocidades a 3,9 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.6 – Superfície de contorno de massas específicas a 1,3 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.6 – Superfície de contorno de massas específicas a 1,3 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.7 – Superfície de contorno de massas específicas a 1,5 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.7 – Superfície de contorno de massas específicas a 1,5 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.8 – Superfície de contorno de massas específicas a 3,9 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.8 – Superfície de contorno de massas específicas a 3,9 m do piso após 20 s de acionamento da motosserra.
Figura 4.9 – Volume total de monóxido ao longo do tempo na sala.
Figura 4.9 – Volume total de monóxido ao longo do tempo na sala.
Figura 4.9 – Vazão volumétrica de CO ao longo do tempo através da superfície de controle. As linhas contínuas representam curvas de ajuste aos dados simulados.
Figura 4.9 – Vazão volumétrica de CO ao longo do tempo através da superfície de controle. As linhas contínuas representam curvas de ajuste aos dados simulados.

REFERENCIAS

CROWL, Daniel A.; LOUVAR, Joseph F. Chemical process safety: fundamentals with applications. Second Edition, Pearson Education, 2001. BURNETT, J.; CHAN, M. Y. Criteria for air quality in enclosed car parks. Em: Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Transport. Thomas Telford-ICE Virtual Library, 1997. Disponível em: < http://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/itran.1997.29379> SITTISAK, P.; CHARINPANITKUL T.; CHALERMSINSUWAN, B. Enhancement of carbon monoxide removal in an underground car park using ventilation system with single and twin jet fans. Em: Tunnelling and Underground Space Technology. Volume 97, 2020. VERSTEEG, H.K.; MALALASEKERA, W. Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Second Edition, Pearson Education, 2007. BULIŃSKA, A.; POPIOŁEK, Z.; BULIŃSKI, Z.; Experimentally validated CFD analysis on sampling region determination of average indoor carbon dioxide concentration in occupied space. Em: Building and Environment. Volume 72, 2014. KARIMI, H.; RIAZI, B.; MOHHAMMADI, M. Application of Computational Fluid Dynamics in the Simulation of Carbon Monoxide Distribution, a Case Study: Sayad Underground Tunnel in Tehran. Disponível em: YAKHOT, V.; ORSZAG, S. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of scientific computing, v. 1, n. 1, p. 3-51, 1986. VAN HOOFF, T.; BLOCKEN, B. CFD evaluation of natural ventilation of indoor environments by the concentration decay method: CO2 gas dispersion from a semi-enclosed stadium. Building and Environment, v. 61, p. 1-17, 2013. Disponível em: < https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360132312003216> YANG, L., YE, M., HE, B. CFD simulation research on residential indoor air quality. Em Science of The Total Environment. Volume 472, 2014. Disponível em: < https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969713014228> Flow-3D. Flow-3D User’s Guide. Versão 12, 2020. LAUNDER, B. E. e SPALDING, D. B. The numerical computation of turbulent flows. Em Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 3, 1974. pp. 269-289 MALISKA, Clovis R. Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos Computacional: fundamentos e coordenadas generalizadas. Segunda Edição. Rio de Janeiro, LTC, 2004. ROACHE, P. J. Perspective: A Method for Uniform Reporting of Grid Refinement Studies, Journal of Fluids Engineering, Vol. 116, 1994; 405-413.

Fig. 2 Model Test System

경로점을 가지는 해상풍력 석션버켓 기초의 기울기 제어 모형실험

Model tests for tilting control of suction bucket foundation for offshore wind turbine with path points

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2021;21(3):125-132

Publication date (electronic) : 2021 June 30

doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2021.21.3.125

You-Seok Kim*Jong-Pil Lee**

김유석*, 이종필**

* 정회원, ㈜대우건설 기술연구원 수석연구원(E-mail: youseok.kim@daewooenc.com)

* Member, Chief Research Engineer, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C

** ㈜대우건설 기술연구원 과장

** Manager, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C

* 교신저자, 정회원, ㈜대우건설 기술연구원 수석연구원(Tel: +82-2-2288-1050, Fax: +82-2-2288-4094, E-mail: youseok.kim@daewooenc.com)

Abstract

해상풍력단지개발에서 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어는 중요한 문제이다. 단일형 석션버켓 기초의 경우에는 내부에 격실을 마련하고 각 격실의 압력을 제어하는 것으로부터 기초의 기울기 제어가 가능하다. 단 각 격실의 압력은 미세하게 제어가 가능하여야 한다. 이에 대한 연구들이 수행되었으나 기울기 제어에 대한 방법론에 대해서는 구체적으로 언급이 되지 않고 있다. 본 연구에서는 3개의 내부격실을 둔 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어에 대한 모형실험을 실시하였다. 모형석션 기초의 기울기 제어를 위해서 격실내부압력을 각기 제어하여 실험을 수행하였다. 모형은 실제크기의 1:100으로 제작하였고 모래지반으로 수행하였다. 각 격실별로 부압 및 정압을 4가지로 조합하여 모형기초의 기울기 제어 실험을 수행하였다. 실험결과 시공 중 및 운용 중에 대해서 5°의 기울기 제어가 가능하였다. 운용중의 경우에는 부압만으로는 모형기초의 기울기 제어가 한계가 있어 정압을 조합하여 5°의 기울기 제어를 실현하였다.

In offshore wind farms, tilting control based on a single-basket suction bucket foundation is a significant problem. In a single-basket suction bucket foundation, the tilting control of the foundation is possible by arranging the cells inside and controlling the pressure of each cell. However, the pressure of each cell must be finely controlled. Studies on this topic have been conducted, but no specific tilting control method has been developed. This paper presents experimental model results for tilting control obtained during the installation of a suction bucket foundation consisting of three internal cells. Tilting control was performed by independently controlling the internal pressure of each cell. A 1:100 scale model was used, and the ground condition was sandy. Four cases of tilting control tests for the model foundation were used with multiple combinations of internal positive, negative, or both pressures of each cell. It was found that the tilting control was within 5° during the installation and operation stages. There was a tilting control limit for operation based on the model with only negative pressure; therefore, 5° tilting control was achieved by combining the positive pressure.

Keywords

1. 서 론

해상풍력발전기가 원활한 발전을 하기 위해서는 일정각도 이내의 기울기가 확보되어야 한다. 석션버켓 기초 형식은 기초하부가 단단한 암반층에 놓이지 않는다. 따라서 석션버켓 기초를 가지는 해상풍력 발전기는 조류력, 풍력, 파력 그리고 세굴 등에 의해 기울어질 수 있다. 우리나라의 경우 유럽과 달리 태풍과 같은 변수도 작용한다. 이를 극복하기 위해서는 설치단계나 운용단계에서 기울기를 보정하는 것이 중요하다. 특히 단일형 석션버켓 기초의 경우 내부에 격실을 두고 격실 내 압력을 제어하여 기울기를 보정하게 된다. 이 경우 각 격실에 부여하는 압력에 따라 기울기 보정이 이루어 질것이나 구체적으로 기울기보정을 위한 압력제어방법에 대해서는 구체적인 언급이 없는 형편이다.

Universal Foundation은 북해 Round 3에 대하여 단일형 석션버켓 기초에 대한 시험시공을 실시하였으며 수직도를 0.1° 미만으로 달성한 바 있다(Universal-foundation, 2014).

중국에서는 해상풍력 발전기용 단일형 석션버켓 기초에 내부격실을 적용하였으며 기초를 prestressed 콘크리트로 만든바 있다(Lian et al., 2011Lian et al., 2012Zhang et al., 2015). Zhang et al. (2016)에 따르면, 내부격실은 6각형이 모여있는 벌집형태를 가지며 실험은 Jiangsu성 풍력단지 예정지에서 가져온 실트질 모래로 지반을 조성하였다. 총 7개의 내부격실을 개별적으로 제어하였으나 최종 수직도는 명확하게 기술하지 않았다. 작은 기울기에 대해서는 부압을 통하여 조정하고, 큰 기울기에 대해서는 정압과 부압을 조합하여 제어를 완료하였다. 단일형 석션버켓 기초의 수직도에 대한 연구이나 구체적 절차가 언급되어 있지 않고, 격실별 정압⋅부압의 조합으로 인한 효과 등에 대해서도 자세하게 언급하지 않았다.

국내에서는 Kwag et al. (2012)은 군산항 앞바다에 단일형 석션버켓 기초를 시험 시공하였다. 단일형 석션버켓 기초를 최대 0.5° 이내의 오차로 설치가 완료하였다. 또한, Kim and Bae (2016)는 내부격실을 가지는 단일형 석션버켓 기초에 대한 기울기 보정방법을 제안하였다. 석션버켓 기초의 내부를 동일한 크기로 한가운데를 기준으로 방사형으로 3개 또는 4개의 격실로 나누고, 격실별 석션압을 제어하여 기울기를 제어하는 기술을 제안하였다. Kim et al. (2017)은 3개의 내부격실을 갖는 실내모형실험에서 시공중 1° 이상의 기울기 제어가 가능하였으며, 운용 중에는 0.25°의 기울기 제어가 가능한 것을 확인하였다. 운용단계에서는 정압을 부여하여야 큰 기울기 보정이 가능함을 밝혔다.

Kim et al. (2017)의 연구에서는 펌프구동압 제어문제로 임의 방위각을 가지는 단일형 석션버켓 기초의 실험을 수행하지 못하였고, 일방향 제어에 의한 기울기 제어의 실험이 수행되었다. 실험은 펌프구동압이 제어되지 못하여 보일링이 발생하는 문제가 있었다.

본 연구에서는 Kim et al. (2017)의 기존 연구를 보완하여 3개의 격실을 가지는 단일형 석션버켓 기초모형을 가지고 격실내부 압력을 각기 제어하여 기울기를 보정하는 실험연구를 수행하였다. 4개의 실험들은 초기에 동일한 경사각을 가지도록 하였고 이를 펌프구동에 의해 0.25° 이하가 되도록 하였으며, 기울어진 점이 내부격실위치에 상관없이 임의 방위각을 가지도록 배치하여 개별 격실내부에 부압과 정압을 조합하는 조건에서 해상풍력 발전기 시공단계 중 2가지와 운용 중 2가지에 대해서 기울기 보정실험을 수행하였다. 1개의 해상풍력기초의 경우는 수동에 의한 기울기 보정이 가능하다고 보여 지나, 해상풍력단지는 다수의 기초로 구성되며, 자동화를 위한 알고리즘 개발은 중요한 문제이다. 일련의 실험들은 동일한 방식에 의해 모형기초의 기울기 제어가 되도록 하였다. 동일한 알고리즘이 적용되는 경우에 단일형 석션버켓 기초로 이루어진 해상풍력단지 개발에 적용이 가능할 것으로 사료된다.

2. 실험방법 및 장비

본 연구에서는 Kim and Bae (2016)가 제안한 방법을 실험적으로 구현하였다. 이를 위해 Kim et al. (2017)의 시스템에서 문제가 되었던 펌프의 압력을 제어하기 위해 비례제어밸브를 추가 하였고, 임의 방위각으로 기울어진 모형석션버켓 기초를 기울기 보정하기 위해 총 6개의 펌프를 설치하였다. 펌프에 의한 격실 내 압력제어는 모형기초의 기울기를 미세하게 자세제어하기 위해서 필요하다. Kim et al. (2017)에서 사용한 펌프는 작은 용량이었으나 보일링이 일어나는 문제가 있었다. 따라서 압력을 제어하기 위해서 펌프자체의 속도를 저감하는 방법이 필요하였다. 채택된 펌프용량이 작아서 인버터와 같은 펌프속도에 맞는 속도제어기를 구하지 못하였다. 이에 따라 압력제어를 위하여 격실에 연결되는 호스 중간에 비례제어밸브를 채택하게 되었다. 비례제어밸브는 수백단계의 각도를 미세하게 제어가 가능하며 전압이나 전류 값을 입력하여 밸브의 여닫힘 제어가 가능하다. 본 실험에서 사용된 비례제어밸브는 전압제어 방식으로 0에서 5 V DC전압으로 밸브 폐쇄부터 완전개방까지를 제어할 수 있다. 본 실험에서는 제어기와 비례제어밸브간 거리가 상대적으로 멀지 않았기 때문에 제어가 쉬운 DC전압제어를 사용하였으나, 5 m 이상 거리가 먼 경우에는 전압강하 등에 의한 문제가 없는 전류 값으로도 제어가 가능한 제품을 사용하였다. Kim and Bae (2016)가 제안한 방법의 기본개념은 Fig. 1(a)와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 각 격실의 압력을 제어하여 초기위치 pt4를 기울기원점(기울기 0°) pt0로 보내는 것으로 2번의 경로를 통하여 원점으로 보내게 된다. 여기에는 각 격실의 압력부여에 따라 3가지 방법이 있다. 우선 격실2번에 부압을 주면 pt1으로 보내고 다음 단계로 격실 2번 및 3번에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법1, 격실3에 부압을 주어 pt2로 보낸 다음 격실 2에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법2, 마지막으로 격실 2 및 3에 부압을 주어 pt3으로 보낸 다음 격실2에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법3다. 이 3가지 방법 중에서 중간의 경로점 pt1, pt2, pt3와 최종위치 pt0와의 거리가 가장 짧은 쪽을 선택하는 것이 가장 효율적인 방법이다. 본 연구에서는 pt4(방위각 55°)에서 pt3를 거쳐 pt0로 보내는 방법(case 1)과 pt4의 대각선에 위치한다고 가정한(방위각 235°) pt5에서 pt0로 이동시키는 방법(case 2)에 대해 모형실험을 실시하였다(Fig. 1(b) 참조). 또한 해상풍력발전기가 운영중인 것으로 모사하기 위해 내부격실이 모래지반으로 채워져서 부압만으로는 기울기보정이 안 되는 것으로 가정하여 case 1과 case 2와 동일한 방위각 및 기울기에서 정압도 부여하는 방법(case 3, 4)에 대하여 실험을 실시하였다. Kim et al. (2017)에 의하면 3개의 격실 중 1개의 격실 만에도 내부에 모래지반으로 채워져 물로만 되어 있는 공간이 없는 경우는 더 이상 기울기 제어가 거의 되지 않았음을 확인한 바 있다. 초기 기울기각은 5°로 하였으며 방위각은 Fig. 1(b)에서와 같이 55° 및 235°에 대하여 실시하였다. 방위각 55°의 경우 위에서 언급한 격실 2와 3에 부압을 주는 경우(Fig. 1(c) 참조)가 가장 효율적이며 방위각 235°의 경우는 격실 1에 부압을 주는 방법(Fig. 1(d) 참조)이 가장 효율적이다.

Fig. 1 Basic Concept of Tilting Control Method
Fig. 1 Basic Concept of Tilting Control Method

이와 같이 동일한 방식으로 자동화를 이루면 단일형 석션버켓 기초로 이루어진 해상풍력단지에서 일정각도 이상 기울어진 경우에 자동적으로 기울기가 보정 가능할 것으로 사료된다.

실험장비는 Fig. 2와 같이 모형토조, 모형기초 내부의 부압 및 정압을 부여하는 펌프, 모형석션버켓 기초, 펌프압을 제어하는 비례제어밸브, 레이저변위용 센서거치대, 데이터 수집장비 및 실시간데이터를 볼 수 있는 PC로 구성된다. 모형토조 제원은 내경 580 mm, 내측 높이 454 mm이며 두께 10 mm의 원형아크릴로 제작되었다. 데이터 수집장비는 레이저변위계 및 압력계를 계측할 수 있는 측정장비를 사용하였고 계측간격은 초당 2회로 하였다.

Fig. 2 Model Test System
Fig. 2 Model Test System

Model Test System

모형석션버켓 기초는 두께 3 mm의 아크릴로 제작되었으며, 이의 제원은 Fig. 3(a)와 같이 지름 170 mm, 높이 130 mm이다. 내부격실은 두께 3 mm, 격실높이 78 mm로 모형석션버켓 벽체높이의 60%로 설치하였다. 모형석션버켓 기초는 원형(prototype) 구조물의 1:100의 크기로 제작되었다. 모형석션버켓 기초 내부에 격실 내부의 압력을 측정하는 압력계를 부착하였다(Figs. 3(b) and 3(e) 참조). 격실내부의 압력계는 간극수압의 측정을 위하여 격실내부에 있는 모래지반이 부압에 의하여 융기하여 격실내부천장에 있는 압력센서에 닿지 않도록 빈 공간을 두었으며 물만 유입이 되도록 가는 철망을 씌웠다. 사용된 압력계는 50 kPa의 압력까지를 측정할 수 있는 것으로 2 m 깊이의 수조에 물을 넣고 수위를 조절하여 실험에 사용된 모든 센서를 검정하여 사용하였다. 실험 중 변위는 연직변위 측정을 위하여 레이저변위계로 측정되었으며, 총 1개가 사용되었다. 모형기초의 중앙상부에 반사판을 설치하였고, 센서거치대에는 막대를 설치하고 막대 끝에 레이저변위계를 수직 Z축 방향으로 부착하였다(Figs. 3(a) and 3(c) 참조). 레이저변위계에는 변위값이 표시되며 운용중 단계인 실험 Case 3 및 Case 4에서 부압에 의해 연직변위가 더 이상 발생하지 않는 것을 확인하는 용도로 설치하였다(Fig. 3(d) 참조). 모형석션버켓 기초의 기울기 측정을 위해 경사계를 모형상부에 설치하였다. 경사계는 X, Y 2개축의 기울기를 각각 -40°~40°까지 측정가능하며, DC 전압으로 출력된다. 이를 Data logger에서 계측하고 다시 방위각 및 경사각을 계산하여 PC상에서 실시간으로 보여줄 수 있도록 하였다.

Fig. 3

Instrumented Model Suction Bucket

펌프는 일 방향으로만 구동되는 로터리식 펌프로 물이 한 방향으로만 들어가고 반대방향으로 물이 나오는 구조의 펌프이다. 펌프는 220 V AC로 구동되며 용량은 80 W이다. 사용된 펌프는 총 6개로 모든 격실에 각각 2개씩 연결되어, 격실별 제어를 하였다. 실험 case별로 각 격실별 압력이 부압인지 정압인지에 따라서, 사용되는 펌프가 다르게 하여 실험을 수행하였다.

모형석션버켓 기초는 30 mm까지는 수동으로 관입시켰으며, 이후 모형석션버켓의 매입깊이가 20 mm가 남겨질 때까지 각 격실에 부압을 작용시키면서 관입시켰다. 35 mm가 남겨진 이후에는 초기기울기를 부여하기 위해 각 격실별로 부압을 달리하였다. 마지막단계에서는 초기기울기를 모든 실험에서 동일하게 설정하기 위해 3개의 격실에 각기 다른 부압을 작동시키면서 X축으로부터 방위각 55°(또는 235°) 및 기울기가 5°가 되도록 기초상부를 강제변위를 부여하여 위치시켰다. 방위각 및 기울기는 컴퓨터화면에서 실시간으로 볼 수 있도록 하였다. Kim et al. (2017)에서는 펌프압의 크기를 제어하지 못하여 실재적인 기울기 모사가 어려워서 한쪽방향으로만 움직이게 하는 기울기 제어 실험을 실시한바 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하고자 펌프를 3개 추가하여 총 6개를 설치하였으며, 모든 펌프에는 비례제어밸브를 설치하여 컴퓨터프로그램으로 비례제어밸브의 여닫는 각도를 제어할 수 있도록 하여 임의 방위각을 가진 기울어진 모형석션버켓 기초의 수직도제어가 가능하도록 시스템을 개선하였다. 사용된 비례제어밸브는 600단계의 여닫힘 각도제어가 가능하다. 각 격실별로 부압펌프 1개 및 정압펌프 1개를 설치하였다. 실험조건은 설치단계에 대한 모사로서 모형석션버켓의 설치모사단계로 X축을 기준으로 55° 또는 235°의 방위각에 기울기 5°를 기준으로 하여 동일한 기초배치시 격실의 부압 및 정압제어를 실시하는 2가지 조건으로 하였다(case 1, 2). 또한 운전 중인 상태를 고려하되 앞의 조건과 동일한 방위각 55° 및 235°에 대한 2가지 실험을 실시하였다. 기초 설치시의 조건인 경우에는 격실내부에 물만 있는 공간이 있는 경우이고, 운전 중인 조건은 격실내부에 부압을 작용시켜도 모형석션버켓 기초가 움직이지 않는 경우로 가정하였다(case 3, 4). 이를 위해 3개의 격실중 적어도 하나의 격실에 모래지반으로 채워져서 부압을 가하여도 모형석션버켓이 움직이지 않아 기울기 제어가 안 되는 조건을 인위적으로 조성하였다. 따라서 운전 중인 경우에는 내부에 모래가 차있는 격실에 정압을 부여하여 인위적으로 내부공간을 만들면서 기울기를 제어하도록 하였다. 기울기 제어 실험케이스는 Table 1과 같다.

Table 1

Cases of Experiment

격실의 압력은 실험 시작 전 초기에 설정한 비례제어밸브의 열림정도를 결정하고 수행하였으며, 격실압력이 이웃격실로 전이되거나 보일링이 발생되는 경우에는 실험을 중단하였고, 비례제어밸브값을 수정하여 초기 압력을 다시 설정하였다. 또한 실험중간에 비례제어밸브를 미세하게 제어할 수 있도록 프로그램화 하였으며 PC에서 실시간으로 제어하여 기울기의 변화를 살펴가면서 기울기가 0.25 이하가 나올 때까지 제어하였다. 계측은 격실 내 압력 및 모형석션버켓의 최상단에 변위계를 설치하여 변위를 측정하였다. 사용된 지반은 모래이고 Kim et al. (2017)에서 수행한 실험과 동일한 모래를 사용하였으며 내부마찰각은 39.1°이었으며 상대밀도는 59%이었다. 모래지반조성은 강사기를 사용하였으며, 토조 하부에 관을 매설하여 물을 주입할 수 있도록 하였으며 지반조성 후 포화 시 지반의 교란이 최소가 되도록 하였다. 본 연구에서는 연구목적이 Kim et al. (2017)이 수행한 실험과의 연계 및 내부격실을 이용하여 기울기 제어 가능성을 판단하기 위한 것이기 때문에, 모래지반만을 대상으로 연구를 수행하였다. 각 격실 상부에는 부압용라인과 정압용라인, 초기 압입 시 발생되는 내압을 제거하기 위한 밸브가 같이 부착되어 있다. Kim et al. (2017)에서는 모형석션버켓 기초의 평형을 맞춘 상태로 기울기 제어 실험을 실시하였으나, 본 연구에서는 초기에 정해진 방위각 및 기울기를 확보하고자, 각 격실에 압력을 제어하면서 최종적으로는 수동으로 방위각 및 기울기를 조정하였다. 격실 내 모래가 다 차있는 공용 중 기울기 모사실험을 모사하기 위해서는 하나 또는 두 개의 격실에 다른 격실보다 큰 부압을 부여하여 보일링이 발생토록 유도하였다. 부압발생에 따른 추가적인 변위발생이 없는지를 상부에 설치된 레이저변위계의 수치를 보면서 초기 모형석션버켓 기초설치를 완료 하였다.

3. 실험결과 및 토의

실험결과를 제시한 그래프에서 측정된 격실내부 수압은 초기값을 0으로 설정하고 압력이 부여된 상태에 대한 상대 압력을 도시하였다. 경사계는 토조를 상부에서 바라볼 때 오른쪽이 X축으로 앞쪽을 Y축으로 정하였으며 방위각은 X축을 기준으로 반시계방향으로 정하였다. 경사계로 얻은 경사각은 실험 전 기초를 5°(±0.1° 이내)가 되도록 기울여 설정하였으며, 격실1에 설치된 상대압력 값은 P1으로 나머지 격실 2와 3의 상대압력은 P2와 P3으로 각각 표시하였다. 각 격실은 X축을 방위각 0°로 하여 방위각 120°까지가 격실 1, 그 다음 240°까지가 격실 2, 나머지 360°까지를 격실 3으로 하였다. 실험결과 그래프에 격실별 위치를 나타내는 모형석션버켓 기초의 평면도를 삽입하였다. 평면도에서 작은 점은 실험을 시작하기 전의 모형석션기초의 기울어진 위치이다. 둥근 원은 모형석션기초의 기울어진 경사각 5°를 뜻한다.

3.1 시공단계 기울기 제어 모사실험

3.1.1 2격실에 부압 적용한 기울기 제어 : Case 1

Case 1 실험은 Fig. 1(c)에서와 같이 3개의 격실 중 격실 2 및 3의 2개 격실에 부압을 작용시켜 모형 기초의 기울기를 보정하는 1단계 및 현 기울기 위치가 X축을 기준으로 방위각 0°에 이르면 2번 격실에 부압을 작용시켜 기울기가 0.25° 이하가 되도록 하는 2단계 실험이다. 격실내부의 수압변화와 모형석션버켓 기초의 경사각변화는 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 보는 바와 같이, 부압을 가한 격실에서 측정된 압력 P2 및 P3이 낮아졌으며, 아무런 압력을 가하지 않은 격실 1에서 측정된 압력 P1도 따라서 낮아 졌으나 그 값은 작았으며 보일링도 발생하지 않았다. 방위각이 0°에 가까워지면 비례제어밸브 열림 정도를 작게 하면서 격실 3 펌프를 정지시켰다. 그리고 격실 2에 연결된 펌프의 압력을 낮추기 위해 연결된 비례제어밸브의 열림 정도를 작게 조종하였으며 최종적으로 경사각은 0.25° 이하가 유지되어 기울기가 조정됨을 확인 하였다.

Fig. 4

Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 1

3.1.2 1격실에 부압 적용한 기울기 제어 : Case 2

Fig. 5는 실험결과 Case 2의 격실 내 압력변화와 경사각을 같이 도시한 그림이다. 2격실 부압 적용 조건인 Case 1과 마찬가지로 부압에 의해 경사각 변화가 발생하는 것을 확인하였으며 2개 격실에 부압이 적용된 Case 1보다 기울기보정시간이 길었다. Case 1과 마찬가지로 나머지 격실에 부압이 발생하였으나 값은 크지 않았다. Case 1과 마찬가지로 경로마다 비례제어밸브도 제어하였으며 최종적으로는 펌프를 정지시켰다. Case 2에서도 경사각 0.25° 이하로 제어가 가능함을 확인하였다.

Fig. 5

Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 2

3.2 시공완료 후 해상풍력 발전기 운용단계 모사실험

3.2.1 부압2격실 및 정압1격실에 적용한 기울기 제어 : Case 3

Case 3의 실험결과는 Fig. 6과 같다. Case 3에서는 격실 1이 모래로 차있기 때문에 격실내 부압 제어만으로는 기울기 제어각도가 제한된다. Kim et al. (2017)에 의하면 부압에 의해서는 0.25°의 기울기 보정이 가능하였다. 따라서 격실 안에 모래로 차있는 격실에 정압을 부여하여 격실 내 상부판과 모래지반상부와의 공간을 확보하면서 기울기를 제어하였다. 또한 반대편에 부압을 작용시켜 기울기가 빠르게 보정되도록 하였다. Case 3의 경우도 경사각 5°에 대한 기울기 제어가 가능함을 확인하였다.

Fig. 6

Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle of Case 3

3.2.2 부압1격실 및 정압2격실에 적용한 기울기 제어 : Case 4

시공완료 후 조건에 따라 사전에 격실 2 및 격실 3에 모래가 차도록 부압을 발생시켜둔 상태로 부압만으로는 기울기 제어가 안되기 때문에 격실 2 및 격실 3에 정압을 발생시키고 반대편 격실 1에는 부압을 부여하였다. Fig. 7 결과에 의하면 Case 3보다는 Case 4에서 기울기 보정시간이 단축되었는데, Case 3에서는 정압부여 격실이 1개 인데 비하여 Case 4에서는 정압부여 격실이 2개이기 때문으로 사료된다. Case 4에서도 기울기 0.25°로 달성 가능함을 확인하였다.

Fig. 7

Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 4

3.3 실험케이스별 모형석션버켓 기초의 최종 경사각과 도달시간

Table 2는 실험 중 경사각을 정리하였다. 시공 중 및 운용 중에 대한 4개의 실험들에서 설정된 초기 기울기가 5° 인 경우에 최종기울기가 0.25° 이하로의 기울기 보정이 가능함을 확인하였다. 또한, 방위각과 격실배치에 상관없이 임의각도로 기울어져도 격실에 부압과 정압을 부여하면 기울기 제어가 가능함을 확인 하였다. 운용중인 경우는 부압만으로 기울기 제어가 곤란함을 이전 실험연구에서 확인하였는바 이번 연구에서는 격실에 정압을 부여함으로서 기울기 제어가 가능함을 확인하였다.

Table 2

Final Results of Tilting Control

4. 결 론

단일형 석션버켓 기초를 사용하는 해상풍력 발전기의 하부기초에 대하여 3개의 내부격실을 적용한 형식으로 임의 방향의 기울기 제어가 가능함을 확인하는 모형실험을 수행하였다. 각 격실에는 부압용 및 정압용 펌프를 각기 연결하였다. 또한 각 펌프에 비례제어밸브를 추가하여 압력을 제어하였다. 모래지반에서 원형(prototype) 구조물의 1:100 크기로 된 모형석션버켓을 이용한 4개의 실험결과로 부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

  • 1. 내부격실 내 여유 공간이 있는 시공단계 중을 모사한 단일형 석션버켓 모형실험에서 초기 설정한 5°의 기울기 제어가 가능하였다. 단일형 석션버켓 기초에 3개의 내부격실을 둠으로서 격실내부압력변화로 부터 기울기 제어가 가능한 것을 확인하였다.
  • 2. 격실 내 상판이 지표면에 맞닿은 조건이 되는 경우로 가정한 운용단계실험에서 정압을 부여하여 내부에 공간을 확보하면서 이웃격실에 부압을 부여하면 기 설정된 5°의 기울기 제어가 가능함을 확인하였다. 3개 격실 모두에 여유 공간이 없는 경우도 기울기 제어가 가능할 것으로 사료되나 내부격실 모두에 정압을 부여하면 풍력발전기전체가 상승하게 되어 이에 대해서는 세심한 기울기 제어가 필요할 것으로 사료된다.
  • 3. 이전 연구에서 펌프압력을 제어하기 어려웠던 것에 비하여 본 연구에서는 비례제어밸브를 사용하여 압력을 기존실험에서보다 낮게 제어하여 격실내부의 압력이 이웃격실로 새어나가는 것을 방지 할 수 있었으며 이를 통하여 2단계 경로제어가 가능하였다. 다만, 동일한 압력제어가 매 실험마다 구현되지 않는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 모형축척을 보다 크게 할 필요가 있다고 사료된다.
  • 4. 해상풍력 발전기 기초에 단일형 석션버켓 기초가 적용되는 경우 시공단계에서 펌프속도를 제어하는 장치가 각 펌프별로 필요할 것으로 판단된다. 또한 발생된 압력을 알기 위해서는 설치단계별 격실 내 압력을 측정하는 것도 중요하다. 운용 시에는 일정깊이에서 유사한 압력만 제어하면 가능하기 때문에 상대적으로 간단한 제어방식을 사용하는 것도 가능할 것으로 사료된다. 다만, 실험결과와 같이 기울기 보정각이 큰 경우에는 격실 내 정압력도 부여해야 하는 문제가 있기 때문에 격실 내 공간확보를 위한 부양높이를 기울기 제어가 가능한 범위내로 제한할 필요가 있다.
  • 5. 단일형 석션버켓기초는 해상풍력단지 건설시 및 운용시 수직도의 유지가 중요하며, 이 경우 동일한 알고리즘을 가지는 수직도제어방법의 개발이 필요하다고 사료된다. 따라서 이를 자동화하기 위한 알고리즘의 개발이 선행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 기 개발된 알고리즘이 구현되는지를 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서는 2단계 경로를 가지는 방법을 제안하였으나 정밀한 기울기 제어가 가능한 경우에 단일경로로 제어하는 방법도 가능할 것으로 사료된다.
  • 6. 본 연구에서는 격실매입깊이에 따른 상한 및 하한 압력을 결정하고 이에 맞는 압력을 부여하는 실험까지는 수행하지 못하였으며 향 후 보다 정밀한 자세제어기법 개발을 위해서는 상하한 압력도표를 적용한 알고리즘의 개발이 필요하다고 사료된다.
Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting

재료 분사를 통한 다중 재료 3D 유체 장치의 액체-고체 공동 인쇄

Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting

BrandonHayes,Travis Hainsworth, Robert MacCurdy
University of Colorado Boulder, Department of Mechanical Engineering, Boulder, 80309, CO, USA

Abstract

다중 재료 재료 분사 적층 제조 공정은 3차원(3D) 부품을 레이어별로 구축하기 위해 다양한 모델 및 지지 재료의 미세 액적을 증착합니다.

최근의 노력은 액체가 마이크로/밀리 채널에서 쉽게 퍼지할 수 있는 지지 재료로 작용할 수 있고 구조에 영구적으로 남아 있는 작동 유체로 작용할 수 있음을 보여주었지만 인쇄 프로세스 및 메커니즘에 대한 자세한 이해가 부족합니다.

액체 인쇄의 제한된 광범위한 적용. 이 연구에서 광경화성 및 광경화성 액체 방울이 동시에 증착되는 액체-고체 공동 인쇄라고 하는 “한 번에 모두 가능한” 다중 재료 인쇄 프로세스가 광범위하게 특성화됩니다. 액체-고체 공동 인쇄의 메커니즘은 실험적인 고속 이미징 및 CFD(전산 유체 역학) 연구를 통해 설명됩니다.

이 연구는 액체의 표면 장력이 액체 표면에서 광중합하여 재료의 단단한 층을 형성하는 분사된 광중합체 미세 방울을 지지할 수 있음을 보여줍니다.

마이크로/밀리 유체 소자의 액체-고체 공동 인쇄를 위한 설계 규칙은 믹서, 액적 발생기, 고도로 분기되는 구조 및 통합된 단방향 플랩 밸브와 같은 평면, 3D 및 복합 재료 마이크로/메조 유체 구조에 대한 사례 연구뿐만 아니라 제시됩니다.

우리는 액체-고체 공동 인쇄 과정을 마이크로/메조플루이딕 회로, 전기화학 트랜지스터, 칩 장치 및 로봇을 포함한 응용 프로그램을 사용하여 3D, 통합된 복합 재료 유체 회로 및 유압 구조의 단순하고 빠른 제작을 가능하게 하는 적층 제조의 핵심 새로운 기능으로 구상합니다.

Multi-material material jetting additive manufacturing processes deposit micro-scale droplets of different model and support materials to build three-dimensional (3D) parts layer by layer. Recent efforts have demonstrated that liquids can act as support materials, which can be easily purged from micro/milli-channels, and as working fluids, which permanently remain in a structure, yet the lack of a detailed understanding of the print process and mechanism has limited widespread applications of liquid printing. In this study, an “all in one go” multi-material print process, herein termed liquid–solid co-printing in which non photo-curable and photo-curable liquid droplets are simultaneous deposited, is extensively characterized. The mechanism of liquid–solid co-printing is explained via experimental high speed imaging and computational fluid dynamic (CFD) studies. This work shows that a liquid’s surface tension can support jetted photopolymer micro-droplets which photo-polymerize on the liquid surface to form a solid layer of material. Design rules for liquid–solid co-printing of micro/milli-fluidic devices are presented as well as case studies of planar, 3D, and multi-material micro/mesofluidic structures such as mixers, droplet generators, highly branching structures, and an integrated one-way flap valve. We envision the liquid–solid co-printing process as a key new capability in additive manufacturing to enable simple and rapid fabrication of 3D, integrated print-in-place multi-material fluidic circuits and hydraulic structures with applications including micro/mesofluidic circuits, electrochemical transistors, lab-on-a-chip devices, and robotics.

Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting
Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting

Keywords

Additive manufacturing; Mesofluidics; Modeling and simulation; Multi-material; Material jetting

Figure 3: 3D temperature contours and 2D melt pool cross-sections where the melt pool is stabilized at x=500 µm from the start of the laser initial location for cases where (a) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 12 µm, (b) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (c) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (d) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (e) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (f) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 18 µm.

MULTI-PHYSICS NUMERICAL MODELLING OF 316L AUSTENITIC STAINLESS STEEL IN LASER POWDER BED FUSION PROCESS AT MESO-SCALE

W.E. Alphonso1, M.Bayat1,*, M. Baier 2, S. Carmignato2, J.H. Hattel1
1Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark (DTU), Lyngby, Denmark
2Department of Management and Engineering – University of Padova, Padova, Italy

ABSTRACT

L-PBF(Laser Powder Bed Fusion)는 레이저 열원을 사용하여 선택적으로 통합되는 분말 층으로 복잡한 3D 금속 부품을 만드는 금속 적층 제조(MAM) 기술입니다. 처리 영역은 수십 마이크로미터 정도이므로 L-PBF를 다중 규모 제조 공정으로 만듭니다.

기체 기공의 형성 및 성장 및 용융되지 않은 분말 영역의 생성은 다중물리 모델에 의해 예측할 수 있습니다. 또한 이러한 모델을 사용하여 용융 풀 모양 및 크기, 온도 분포, 용융 풀 유체 흐름 및 입자 크기 및 형태와 같은 미세 구조 특성을 계산할 수 있습니다.

이 작업에서는 용융, 응고, 유체 흐름, 표면 장력, 열 모세관, 증발 및 광선 추적을 통한 다중 반사를 포함하는 스테인리스 스틸 316-L에 대한 충실도 다중 물리학 중간 규모 수치 모델이 개발되었습니다. 완전한 실험 설계(DoE) 방법을 사용하는 통계 연구가 수행되었으며, 여기서 불확실한 재료 특성 및 공정 매개변수, 즉 흡수율, 반동 압력(기화) 및 레이저 빔 크기가 용융수지 모양 및 크기에 미치는 영향을 분석했습니다.

또한 용융 풀 역학에 대한 위에서 언급한 불확실한 입력 매개변수의 중요성을 강조하기 위해 흡수율이 가장 큰 영향을 미치고 레이저 빔 크기가 그 뒤를 잇는 주요 효과 플롯이 생성되었습니다. 용융 풀 크기에 대한 반동 압력의 중요성은 흡수율에 따라 달라지는 용융 풀 부피와 함께 증가합니다.

모델의 예측 정확도는 유사한 공정 매개변수로 생성된 단일 트랙 실험과 시뮬레이션의 용융 풀 모양 및 크기를 비교하여 검증됩니다.

더욱이, 열 렌즈 효과는 레이저 빔 크기를 증가시켜 수치 모델에서 고려되었으며 나중에 결과적인 용융 풀 프로파일은 모델의 견고성을 보여주기 위한 실험과 비교되었습니다.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a Metal Additive Manufacturing (MAM) technology where a complex 3D metal part is built from powder layers, which are selectively consolidated using a laser heat source. The processing zone is in the order of a few tenths of micrometer, making L-PBF a multi-scale manufacturing process. The formation and growth of gas pores and the creation of un-melted powder zones can be predicted by multiphysics models. Also, with these models, the melt pool shape and size, temperature distribution, melt pool fluid flow and its microstructural features like grain size and morphology can be calculated. In this work, a high fidelity multi-physics meso-scale numerical model is developed for stainless steel 316-L which includes melting, solidification, fluid flow, surface tension, thermo-capillarity, evaporation and multiple reflection with ray-tracing. A statistical study using a full Design of Experiments (DoE) method was conducted, wherein the impact of uncertain material properties and process parameters namely absorptivity, recoil pressure (vaporization) and laser beam size on the melt pool shape and size was analysed. Furthermore, to emphasize on the significance of the above mentioned uncertain input parameters on the melt pool dynamics, a main effects plot was created which showed that absorptivity had the highest impact followed by laser beam size. The significance of recoil pressure on the melt pool size increases with melt pool volume which is dependent on absorptivity. The prediction accuracy of the model is validated by comparing the melt pool shape and size from the simulation with single track experiments that were produced with similar process parameters. Moreover, the effect of thermal lensing was considered in the numerical model by increasing the laser beam size and later on the resultant melt pool profile was compared with experiments to show the robustness of the model.

Figure 1: a) Computational domain for single track L-PBF which includes a 200 μm thick substrate and 45 μm powder layer thickness b) 3D temperature contour plot after scanning a single track with melt pool contours at two locations along the scanning direction where the green region indicates the melted regions.
Figure 1: a) Computational domain for single track L-PBF which includes a 200 μm thick substrate and 45 μm powder layer thickness b) 3D temperature contour plot after scanning a single track with melt pool contours at two locations along the scanning direction where the green region indicates the melted regions.
Figure 2: Main effects plot of uncertain parameters: absorptivity, recoil pressure coefficient and laser beam radius on the melt pool dimensions (width and depth)
Figure 2: Main effects plot of uncertain parameters: absorptivity, recoil pressure coefficient and laser beam radius on the melt pool dimensions (width and depth)
Figure 3: 3D temperature contours and 2D melt pool cross-sections where the melt pool is stabilized at x=500 µm from the start of the laser initial location for cases where (a) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 12 µm, (b) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (c) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (d) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (e) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (f) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 18 µm.
Figure 3: 3D temperature contours and 2D melt pool cross-sections where the melt pool is stabilized at x=500 µm from the start of the laser initial location for cases where (a) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 12 µm, (b) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (c) absorptivity = 0.1, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (d) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 1 and laser beam radius = 18 µm, (e) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 12 µm, (f) absorptivity = 0.45, Recoil pressure coefficient B = 20 and laser beam radius = 18 µm.
Figure 4: Validation of Numerical model with Recoil pressure coefficient B= 20, absorptivity = 0.45 and a) laser beam radius = 15 µm b) laser beam radius = 20 µm
Figure 4: Validation of Numerical model with Recoil pressure coefficient B= 20, absorptivity = 0.45 and a) laser beam radius = 15 µm b) laser beam radius = 20 µm

CONCLUSION

In this work, a high-fidelity multi-physics numerical model was developed for L-PBF using the FVM method in Flow-3D. The impact of uncertainty in the input parameters including absorptivity, recoil pressure and laser beam size on the melt pool is addressed using a DoE method. The DoE analysis shows that absorptivity has the highest impact on the melt pool. The recoil pressure and laser beam size only become significant once absorptivity is 0.45. Furthermore, the numerical model is validated by comparing the predicted melt pool shape and size with experiments conducted with similar process parameters wherein a high prediction accuracy is achieved by the model. In addition, the impact of thermal lensing on the melt pool dimensions by increasing the laser beam spot size is considered in the validated numerical model and the resultant melt pool is compared with experiments.

REFERENCES

[1] T. Bonhoff, M. Schniedenharn, J. Stollenwerk, P. Loosen, Experimental and theoretical analysis of thermooptical effects in protective window for selective laser melting, Proc. Int. Conf. Lasers Manuf. LiM. (2017)
26–29. https://www.wlt.de/lim/Proceedings2017/Data/PDF/Contribution31_final.pdf.
[2] L.R. Goossens, Y. Kinds, J.P. Kruth, B. van Hooreweder, On the influence of thermal lensing during selective
laser melting, Solid Free. Fabr. 2018 Proc. 29th Annu. Int. Solid Free. Fabr. Symp. – An Addit. Manuf. Conf.
SFF 2018. (2020) 2267–2274.
[3] J. Shinjo, C. Panwisawas, Digital materials design by thermal-fluid science for multi-metal additive
manufacturing, Acta Mater. 210 (2021) 116825. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116825.
[4] Z. Zhang, Y. Huang, A. Rani Kasinathan, S. Imani Shahabad, U. Ali, Y. Mahmoodkhani, E. Toyserkani, 3-
Dimensional heat transfer modeling for laser powder-bed fusion additive manufacturing with volumetric heat
sources based on varied thermal conductivity and absorptivity, Opt. Laser Technol. 109 (2019) 297–312.
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.08.012.
[5] M. Bayat, A. Thanki, S. Mohanty, A. Witvrouw, S. Yang, J. Thorborg, N.S. Tiedje, J.H. Hattel, Keyholeinduced porosities in Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and
experimental validation, Addit. Manuf. 30 (2019) 100835. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100835.
[6] M. Bayat, S. Mohanty, J.H. Hattel, Multiphysics modelling of lack-of-fusion voids formation and evolution
in IN718 made by multi-track/multi-layer L-PBF, Int. J. Heat Mass Transf. 139 (2019) 95–114.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.003.
[7] J. Metelkova, Y. Kinds, K. Kempen, C. de Formanoir, A. Witvrouw, B. Van Hooreweder, On the influence
of laser defocusing in Selective Laser Melting of 316L, Addit. Manuf. 23 (2018) 161–169.
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.08.006.

Figure 8: Instantaneous flow structures extracted using the Q-criterion (Qcriterion=1200) and colored by the magnitude of flow velocity.

Hybrid modeling on 3D hydraulic features of a step-pool unit

Chendi Zhang1
, Yuncheng Xu1,2, Marwan A Hassan3
, Mengzhen Xu1
, Pukang He1
1State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China. 2
College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100081, China.
5 3Department of Geography, University of British Columbia, 1984 West Mall, Vancouver BC, V6T1Z2, Canada.
Correspondence to: Chendi Zhang (chendinorthwest@163.com) and Mengzhen Xu (mzxu@mail.tsinghua.edu.cn)

Abstract

스텝 풀 시스템은 계류의 일반적인 기반이며 전 세계의 하천 복원 프로젝트에 활용되었습니다. 스텝 풀 장치는 스텝 풀 기능의 형태학적 진화 및 안정성과 밀접하게 상호 작용하는 것으로 보고된 매우 균일하지 않은 수력 특성을 나타냅니다.

그러나 스텝 풀 형태에 대한 3차원 수리학의 자세한 정보는 측정의 어려움으로 인해 부족했습니다. 이러한 지식 격차를 메우기 위해 SfM(Structure from Motion) 및 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기술을 기반으로 하이브리드 모델을 구축했습니다. 이 모델은 CFD 시뮬레이션을 위한 입력으로 6가지 유속의 자연석으로 만든 인공 스텝 풀 장치가 있는 침대 표면의 3D 재구성을 사용했습니다.

하이브리드 모델은 스텝 풀 장치에 대한 3D 흐름 구조의 고해상도 시각화를 제공하는 데 성공했습니다. 결과는 계단 아래의 흐름 영역의 분할, 즉 수면에서의 통합 점프, 침대 근처의 줄무늬 후류 및 그 사이의 고속 제트를 보여줍니다.

수영장에서 난류 에너지의 매우 불균일한 분포가 밝혀졌으며 비슷한 용량을 가진 두 개의 에너지 소산기가 수영장에 공존하는 것으로 나타났습니다. 흐름 증가에 따른 풀 세굴 개발은 점프 및 후류 와류의 확장으로 이어지지만 이러한 증가는 스텝 풀 실패에 대한 임계 조건에 가까운 높은 흐름에서 점프에 대해 멈춥니다.

음의 경사면에서 발달된 곡물 20 클러스터와 같은 미세 지반은 국부 수력학에 상당한 영향을 주지만 이러한 영향은 수영장 바닥에서 억제됩니다. 스텝 스톤의 항력은 가장 높은 흐름이 사용되기 전에 배출과 함께 증가하는 반면 양력은 더 큰 크기와 더 넓은 범위를 갖습니다. 우리의 결과는 계단 풀 형태의 복잡한 흐름 특성을 조사할 때 물리적 및 수치적 모델링을 결합한 하이브리드 모델 접근 방식의 가능성과 큰 잠재력을 강조합니다.

Step-pool systems are common bedforms in mountain streams and have been utilized in river restoration projects around the world. Step-pool units exhibit highly non-uniform hydraulic characteristics which have been reported to closely 10 interact with the morphological evolution and stability of step-pool features. However, detailed information of the threedimensional hydraulics for step-pool morphology has been scarce due to the difficulty of measurement. To fill in this knowledge gap, we established a hybrid model based on the technologies of Structure from Motion (SfM) and computational fluid dynamics (CFD). The model used 3D reconstructions of bed surfaces with an artificial step-pool unit built by natural stones at six flow rates as inputs for CFD simulations. The hybrid model succeeded in providing high-resolution visualization 15 of 3D flow structures for the step-pool unit. The results illustrate the segmentation of flow regimes below the step, i.e., the integral jump at the water surface, streaky wake vortexes near the bed, and high-speed jets in between. The highly non-uniform distribution of turbulence energy in the pool has been revealed and two energy dissipaters with comparable capacity are found to co-exist in the pool. Pool scour development under flow increase leads to the expansion of the jump and wake vortexes but this increase stops for the jump at high flows close to the critical condition for step-pool failure. The micro-bedforms as grain 20 clusters developed on the negative slope affect the local hydraulics significantly but this influence is suppressed at pool bottom. The drag forces on the step stones increase with discharge before the highest flow is used while the lift force has a larger magnitude and wider varying range. Our results highlight the feasibility and great potential of the hybrid model approach combining physical and numerical modeling in investigating the complex flow characteristics of step-pool morphology.

Figure 1: Workflow of the hybrid modeling. SfM-MVS refers to the technology of Structure from Motion with Multi View Stereo. DSM is short for digital surface model. RNG-VOF is short for Renormalized Group (RNG) k-ε turbulence model coupled with Volume of Fluid method.
Figure 1: Workflow of the hybrid modeling. SfM-MVS refers to the technology of Structure from Motion with Multi View Stereo. DSM is short for digital surface model. RNG-VOF is short for Renormalized Group (RNG) k-ε turbulence model coupled with Volume of Fluid method.
Figure 2: Flume experiment settings in Zhang et al., (2020): (a) the artificially built-up step-pool model using natural stones, with stone number labelled; (b) the unsteady hydrograph of the run of CIFR (continually-increasing-flow-rate) T2 used in this study.
Figure 2: Flume experiment settings in Zhang et al., (2020): (a) the artificially built-up step-pool model using natural stones, with stone number labelled; (b) the unsteady hydrograph of the run of CIFR (continually-increasing-flow-rate) T2 used in this study.
Figure 3: Setup of the CFD model: (a) three-dimensional digital surface model (DSM) of the step-pool unit by structure from motion with multi view stereo (SfM-MVS) method as the input to the 3D computational fluid dynamics (CFD) modeling; (b) extruded bed 160 surface model connected to the extra downstream component (in purple blue) and rectangular columns to fill leaks (in green), with the boundary conditions shown on mesh planes; (c) recognized geometry with mesh grids of two mesh blocks shown where MS is short for mesh size; (d) sampling volumes to capture the flow forces acting on each step stone at X, Y, and Z directions; and (e) an example for the simulated 3D flow over the step-pool unit colored by velocity magnitude at the discharge of 49.9 L/s. The abbreviations for boundary conditions in (b) are: V for specified velocity; C for continuative; P for specific pressure; and W for wall 165 condition. The contraction section in Figure (e) refers to the edge between the jet and jump at water surface.
Figure 3: Setup of the CFD model: (a) three-dimensional digital surface model (DSM) of the step-pool unit by structure from motion with multi view stereo (SfM-MVS) method as the input to the 3D computational fluid dynamics (CFD) modeling; (b) extruded bed 160 surface model connected to the extra downstream component (in purple blue) and rectangular columns to fill leaks (in green), with the boundary conditions shown on mesh planes; (c) recognized geometry with mesh grids of two mesh blocks shown where MS is short for mesh size; (d) sampling volumes to capture the flow forces acting on each step stone at X, Y, and Z directions; and (e) an example for the simulated 3D flow over the step-pool unit colored by velocity magnitude at the discharge of 49.9 L/s. The abbreviations for boundary conditions in (b) are: V for specified velocity; C for continuative; P for specific pressure; and W for wall 165 condition. The contraction section in Figure (e) refers to the edge between the jet and jump at water surface.
Figure 4: Distribution of time-averaged velocity magnitude (VM_mean) and vectors in three longitudinal sections. The section at Y = 0 cm goes across the keystone while the other two (Y = -18 and 13.5 cm) are located at the step stones beside the keystone with 265 lower top elevations. Q refers to the discharge at the inlet of the computational domain. The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.
Figure 4: Distribution of time-averaged velocity magnitude (VM_mean) and vectors in three longitudinal sections. The section at Y = 0 cm goes across the keystone while the other two (Y = -18 and 13.5 cm) are located at the step stones beside the keystone with lower top elevations. Q refers to the discharge at the inlet of the computational domain. The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.
Figure 5: Distribution of time-averaged flow velocity at five cross sections which are set according to the reference section (x0). The reference cross section x0 is located at the downstream end of the keystone (KS). The five sections are located at 18 cm and 6 cm upstream of the reference section (x0-18 and x0-6), and 2 cm, 15 cm and 40 cm downstream of the reference section (x0+2, x0+15, x0+40). The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.
Figure 5: Distribution of time-averaged flow velocity at five cross sections which are set according to the reference section (x0). The reference cross section x0 is located at the downstream end of the keystone (KS). The five sections are located at 18 cm and 6 cm upstream of the reference section (x0-18 and x0-6), and 2 cm, 15 cm and 40 cm downstream of the reference section (x0+2, x0+15, x0+40). The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.
Figure 6: Distribution of the time-averaged turbulence kinetic energy (TKE) at the five cross sections same with Figure 3.
Figure 6: Distribution of the time-averaged turbulence kinetic energy (TKE) at the five cross sections same with Figure 3.
Figure 7: Boxplots for the distributions of the mass-averaged flow kinetic energy (KE, panels a-f), turbulence kinetic energy (TKE, panels g-l), and turbulent dissipation (εT, panels m-r) in the pool for all the six tested discharges (the plots at the same discharge are in the same row). The mass-averaged values were calculated every 2 cm in the streamwise direction. The flow direction is from left to right in all the plots. The general locations of the contraction section for all the flow rates are marked by the dashed lines, except for Q = 5 L/s when the jump is located too close to the step. The longitudinal distance taken up by negative slope in the pool for the inspected range is shown by shaded area in each plot.
Figure 7: Boxplots for the distributions of the mass-averaged flow kinetic energy (KE, panels a-f), turbulence kinetic energy (TKE, panels g-l), and turbulent dissipation (εT, panels m-r) in the pool for all the six tested discharges (the plots at the same discharge are in the same row). The mass-averaged values were calculated every 2 cm in the streamwise direction. The flow direction is from left to right in all the plots. The general locations of the contraction section for all the flow rates are marked by the dashed lines, except for Q = 5 L/s when the jump is located too close to the step. The longitudinal distance taken up by negative slope in the pool for the inspected range is shown by shaded area in each plot.
Figure 8: Instantaneous flow structures extracted using the Q-criterion (Qcriterion=1200) and colored by the magnitude of flow velocity.
Figure 8: Instantaneous flow structures extracted using the Q-criterion (Qcriterion=1200) and colored by the magnitude of flow velocity.
Figure 9: Time-averaged dynamic pressure (DP_mean) on the bed surface in the step-pool model under the two highest discharges, with the step numbers marked. The negative values in the plots result from the setting of standard atmospheric pressure = 0 Pa, whose absolute value is 1.013×105 Pa.
Figure 9: Time-averaged dynamic pressure (DP_mean) on the bed surface in the step-pool model under the two highest discharges, with the step numbers marked. The negative values in the plots result from the setting of standard atmospheric pressure = 0 Pa, whose absolute value is 1.013×105 Pa.
Figure 10: Time-averaged shear stress (SS_mean) on bed surface in the step-pool model, with the step numbers marked. The standard atmospheric pressure is set as 0 Pa.
Figure 10: Time-averaged shear stress (SS_mean) on bed surface in the step-pool model, with the step numbers marked. The standard atmospheric pressure is set as 0 Pa.
Figure 11: Variation of fluid force components and magnitude of resultant flow force acting on step stones with flow rate. The stone 4 is the keystone. Stone numbers are consistent with those in Fig. 9-10. The upper limit of the sampling volumes for flow force calculation is higher than water surface while the lower limit is set at 3 cm lower than the keystone crest.
Figure 11: Variation of fluid force components and magnitude of resultant flow force acting on step stones with flow rate. The stone 4 is the keystone. Stone numbers are consistent with those in Fig. 9-10. The upper limit of the sampling volumes for flow force calculation is higher than water surface while the lower limit is set at 3 cm lower than the keystone crest.
Figure 12: Variation of drag (CD) and lift (CL) coefficient of the step stones along with flow rate. Stone numbers are consistent with those in Fig. 8-9. KS is short for keystone. The negative values of CD correspond to the drag forces towards the upstream while the negative values of CL correspond to lift forces pointing downwards.
Figure 12: Variation of drag (CD) and lift (CL) coefficient of the step stones along with flow rate. Stone numbers are consistent with those in Fig. 8-9. KS is short for keystone. The negative values of CD correspond to the drag forces towards the upstream while the negative values of CL correspond to lift forces pointing downwards.
Figure 13: Longitudinal distributions of section-averaged and -integral turbulent kinetic energy (TKE) for the jump and wake vortexes at the largest three discharges. The flow direction is from left to right in all the plots. The general locations of the contraction sections under the three flow rates are marked by dashed lines in figures (d) to (f).
Figure 13: Longitudinal distributions of section-averaged and -integral turbulent kinetic energy (TKE) for the jump and wake vortexes at the largest three discharges. The flow direction is from left to right in all the plots. The general locations of the contraction sections under the three flow rates are marked by dashed lines in figures (d) to (f).
Figure A1: Water surface profiles of the simulations with different mesh sizes at the discharge of 43.6 L/s at the longitudinal sections at: (a) Y = 24.5 cm (left boundary); (b) Y = 0.3 cm (middle section); (c) Y = -24.5 cm (right boundary). MS is short for mesh size. The flow direction is from left to right in each plot.
Figure A1: Water surface profiles of the simulations with different mesh sizes at the discharge of 43.6 L/s at the longitudinal sections at: (a) Y = 24.5 cm (left boundary); (b) Y = 0.3 cm (middle section); (c) Y = -24.5 cm (right boundary). MS is short for mesh size. The flow direction is from left to right in each plot.
Figure A2: Contours of velocity magnitude in the longitudinal section at Y = 0 cm at different mesh sizes (MSs) under the flow condition with the discharge of 43.6 L/s: (a) 0.50 cm; (b) 0.375 cm; (c) 0.30 cm; (d) 0.27 cm; (e) 0.25 cm; (f) 0.24 cm. The flow direction is from left to right.
Figure A2: Contours of velocity magnitude in the longitudinal section at Y = 0 cm at different mesh sizes (MSs) under the flow condition with the discharge of 43.6 L/s: (a) 0.50 cm; (b) 0.375 cm; (c) 0.30 cm; (d) 0.27 cm; (e) 0.25 cm; (f) 0.24 cm. The flow direction is from left to right.
Figure A3: Measurements of water surfaces (orange lines) used in model verification: (a) water surface profiles from both sides of the flume; (b) upstream edge of the jump regime from top view. KS refers to keystone in figure (b).
Figure A3: Measurements of water surfaces (orange lines) used in model verification: (a) water surface profiles from both sides of the flume; (b) upstream edge of the jump regime from top view. KS refers to keystone in figure (b).
Figure A15. Figure (a) shows the locations of the cross sections and target coarse grains at Q = 49.9 L/s. Figures (b) to (e) show the distribution of velocity magnitude (VM_mean) in the four chosen cross sections: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0; (c) x0+21.5; (d) x0+42.5. G1 to G6 refer to 6 protruding grains in the micro-bedforms in the pool.
Figure A15. Figure (a) shows the locations of the cross sections and target coarse grains at Q = 49.9 L/s. Figures (b) to (e) show the distribution of velocity magnitude (VM_mean) in the four chosen cross sections: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0; (c) x0+21.5; (d) x0+42.5. G1 to G6 refer to 6 protruding grains in the micro-bedforms in the pool.
Figure A16. The distribution of turbulent kinetic energy (TKE) in the same cross sections as in figure S15: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0; (c) x0+21.5; (d) x0+42.5.
Figure A16. The distribution of turbulent kinetic energy (TKE) in the same cross sections as in figure S15: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0; (c) x0+21.5; (d) x0+42.5.

References

720 Aberle, J. and Smart, G. M: The influence of roughness structure on flow resistance on steep slopes, J. Hydraul. Res., 41(3),
259-269, https://doi.org/10.1080/00221680309499971, 2003.
Abrahams, A. D., Li, G., and Atkinson, J. F.: Step-pool streams: Adjustment to maximum flow resistance. Water Resour. Res.,
31(10), 2593-2602, https://doi.org/10.1029/95WR01957, 1995.
Adrian, R. J.: Twenty years of particle image velocimetry. Exp. Fluids, 39(2), 159-169, https://doi.org/10.1007/s00348-005-
725 0991-7 2005.
Chanson, H.: Hydraulic design of stepped spillways and downstream energy dissipators. Dam Eng., 11(4), 205-242, 2001.
Chartrand, S. M., Jellinek, M., Whiting, P. J., and Stamm, J.: Geometric scaling of step-pools in mountain streams:
Observations and implications, Geomorphology, 129(1-2), 141-151, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.01.020,
2011.
730 Chen, Y., DiBiase, R. A., McCarroll, N., and Liu, X.: Quantifying flow resistance in mountain streams using computational
fluid dynamics modeling over structure‐from‐motion photogrammetry‐derived microtopography, Earth Surf. Proc.
Land., 44(10), 1973-1987, https://doi.org/10.1002/esp.4624, 2019.
Church, M. and Zimmermann, A.: Form and stability of step‐pool channels: Research progress, Water Resour. Res., 43(3),
W03415, https://doi.org/10.1029/2006WR005037, 2007.
735 Cignoni, P., Callieri, M., Corsini, M., Dellepiane, M., Ganovelli, F., and Ranzuglia, G.: Meshlab: an open-source mesh
processing tool, in: Eurographics Italian chapter conference, Salerno, Italy, 2-4 July 2008, 129-136, 2008.

Comiti, F., Andreoli, A., and Lenzi, M. A.: Morphological effects of local scouring in step-pool streams, Earth Surf. Proc.
Land., 30(12), 1567-1581, https://doi.org/10.1002/esp.1217, 2005.
Comiti, F., Cadol, D., and Wohl, E.: Flow regimes, bed morphology, and flow resistance in self‐formed step-pool
740 channels, Water Resour. Res., 45(4), 546-550, https://doi.org/10.1029/2008WR007259, 2009.
Dudunake, T., Tonina, D., Reeder, W. J., and Monsalve, A.: Local and reach‐scale hyporheic flow response from boulder ‐
induced geomorphic changes, Water Resour. Res., 56, e2020WR027719, https://doi.org/10.1029/2020WR027719, 2020.
Flow Science.: Flow-3D Version 11.2 User Manual, Flow Science, Inc., Los Alamos, 2016.
Gibson, S., Heath, R., Abraham, D., and Schoellhamer, D.: Visualization and analysis of temporal trends of sand infiltration
745 into a gravel bed, Water Resour. Res., 47(12), W12601, https://doi.org/10.1029/2011WR010486, 2011.
Hassan, M. A., Tonina, D., Beckie, R. D., and Kinnear, M.: The effects of discharge and slope on hyporheic flow in step‐pool
morphologies, Hydrol. Process., 29(3), 419-433, https://doi.org/10.1002/hyp.10155, 2015.
Hirt, C. W. and Nichols, B. D.: Volume of Fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys., 39,
201-225, https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5, 1981.
750 Javernick L., Brasington J., and Caruso B.: Modeling the topography of shallow braided rivers using structure-from-motion
photogrammetry, Geomorphology, 213(4), 166-182, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.01.006, 2014.
Lai, Y. G., Smith, D. L., Bandrowski, D. J., Xu, Y., Woodley, C. M., and Schnell, K.: Development of a CFD model and
procedure for flows through in-stream structures, J. Appl. Water Eng. Res., 1-15,
https://doi.org/10.1080/23249676.2021.1964388, 2021.
755 Lenzi, M. A.: Step-pool evolution in the Rio Cordon, northeastern Italy, Earth Surf. Proc. Land., 26(9), 991-1008,
https://doi.org/10.1002/esp.239, 2001.
Lenzi, M. A.: Stream bed stabilization using boulder check dams that mimic step-pool morphology features in Northern
Italy, Geomorphology, 45(3-4), 243-260, https://doi.org/10.1016/S0169-555X(01)00157-X, 2002.
Lenzi, M. A., Marion, A., and Comiti, F.: Local scouring at grade‐control structures in alluvial mountain rivers, Water Resour.
760 Res., 39(7), 1176, https://doi:10.1029/2002WR001815, 2003.
Li, W., Wang Z., Li, Z., Zhang, C., and Lv, L.: Study on hydraulic characteristics of step-pool system, Adv. Water Sci., 25(3),
374-382, https://doi.org/10.14042/j.cnki.32.1309.2014.03.012, 2014. (In Chinese with English abstract)
Maas, H. G., Gruen, A., and Papantoniou, D.: Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows, Exp. Fluids, 15(2),
133-146. https://doi.org/10.1007/BF00223406, 1993.

765 Montgomery, D. R. and Buffington, J. M.: Channel-reach morphology in mountain drainage basins, Geol. Soc. Am. Bul., 109(5), 596-611, https://doi.org/10.1130/0016-7606(1997)109<0596:CRMIMD>2.3.CO;2, 1997. Morgan J. A., Brogan D. J., and Nelson P. A.: Application of structure-from-motion photogrammetry in laboratory flumes, Geomorphology, 276(1), 125-143, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2016.10.021, 2017. Recking, A., Leduc, P., Liébault, F., and Church, M.: A field investigation of the influence of sediment supply on step-pool 770 morphology and stability. Geomorphology, 139, 53-66, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.09.024, 2012. Roth, M. S., Jähnel, C., Stamm, J., and Schneider, L. K.: Turbulent eddy identification of a meander and vertical-slot fishways in numerical models applying the IPOS-framework, J. Ecohydraulics, 1-20, https://doi.org/10.1080/24705357.2020.1869916, 2020. Saletti, M. and Hassan, M. A.: Width variations control the development of grain structuring in steep step‐pool dominated 775 streams: insight from flume experiments, Earth Surf. Proc. Land., 45(6), 1430-1440, https://doi.org/10.1002/esp.4815, 2020. Smith, D. P., Kortman, S. R., Caudillo, A. M., Kwan‐Davis, R. L., Wandke, J. J., Klein, J. W., Gennaro, M. C. S., Bogdan, M. A., and Vannerus, P. A.: Controls on large boulder mobility in an ‘auto-naturalized’ constructed step-pool river: San Clemente Reroute and Dam Removal Project, Carmel River, California, USA, Earth Surf. Proc. Land., 45(9), 1990-2003, 780 https://doi.org/10.1002/esp.4860, 2020. Thappeta, S. K., Bhallamudi, S. M., Fiener, P., and Narasimhan, B.: Resistance in Steep Open Channels due to Randomly Distributed Macroroughness Elements at Large Froude Numbers, J. Hydraul. Eng., 22(12), 04017052, https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001587, 2017. Thappeta, S. K., Bhallamudi, S. M., Chandra, V., Fiener, P., and Baki, A. B. M.: Energy loss in steep open channels with step785 pools, Water, 13(1), 72, https://doi.org/10.3390/w13010072, 2021. Turowski, J. M., Yager, E. M., Badoux, A., Rickenmann, D., and Molnar, P.: The impact of exceptional events on erosion, bedload transport and channel stability in a step-pool channel, Earth Surf. Proc. Land., 34(12), 1661-1673, https://doi.org/10.1002/esp.1855, 2009. Vallé, B. L. and Pasternack, G. B.: Air concentrations of submerged and unsubmerged hydraulic jumps in a bedrock step‐pool 790 channel, J. Geophys. Res.-Earth, 111(F3), F03016. https://doi:10.1029/2004JF000140, 2006. Waldon, M. G.: Estimation of average stream velocity, J. Hydraul. Eng., 130(11), 1119-1122. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:11(1119), 2004. Wang, Z., Melching, C., Duan, X., and Yu, G.: Ecological and hydraulic studies of step-pool systems, J. Hydraul. Eng., 135(9), 705-717, https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2009)135:9(705), 2009

795 Wang, Z., Qi, L., and Wang, X.: A prototype experiment of debris flow control with energy dissipation structures, Nat. Hazards, 60(3), 971-989, https://doi.org/10.1007/s11069-011-9878-5, 2012. Weichert, R. B.: Bed Morphology and Stability in Steep Open Channels, Ph.D. Dissertation, No. 16316. ETH Zurich, Switzerland, 247pp., 2005. Wilcox, A. C., Wohl, E. E., Comiti, F., and Mao, L.: Hydraulics, morphology, and energy dissipation in an alpine step‐pool 800 channel, Water Resour. Res., 47(7), W07514, https://doi.org/10.1029/2010WR010192, 2011. Wohl, E. E. and Thompson, D. M.: Velocity characteristics along a small step–pool channel. Earth Surf. Proc. Land., 25(4), 353-367, https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-9837(200004)25:4<353::AID-ESP59>3.0.CO;2-5, 2000. Wu, S. and Rajaratnam, N.: Impinging jet and surface flow regimes at drop. J. Hydraul. Res., 36(1), 69-74, https://doi.org/10.1080/00221689809498378, 1998. 805 Xu, Y. and Liu, X.: 3D computational modeling of stream flow resistance due to large woody debris, in: Proceedings of the 8th International Conference on Fluvial Hydraulics, St. Louis, USA, 11-14, Jul, 2346-2353, 2016. Xu, Y. and Liu, X.: Effects of different in-stream structure representations in computational fluid dynamics models—Taking engineered log jams (ELJ) as an example, Water, 9(2), 110, https://doi.org/10.3390/w9020110, 2017. Zeng, Y. X., Ismail, H., and Liu, X.: Flow Decomposition Method Based on Computational Fluid Dynamics for Rock Weir 810 Head-Discharge Relationship. J. Irrig. Drain. Eng., 147(8), 04021030, https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943- 4774.0001584, 2021. Zhang, C., Wang, Z., and Li, Z.: A physically-based model of individual step-pool stability in mountain streams, in: Proceedings of the 13th International Symposium on River Sedimentation, Stuttgart, Germany, 801-809, 2016. Zhang, C., Xu, M., Hassan, M. A., Chartrand, S. M., and Wang, Z.: Experimental study on the stability and failure of individual 815 step-pool, Geomorphology, 311, 51-62, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2018.03.023, 2018. Zhang, C., Xu, M., Hassan, M. A., Chartrand, S. M., Wang, Z., and Ma, Z.: Experiment on morphological and hydraulic adjustments of step‐pool unit to flow increase, Earth Surf. Proc. Land., 45(2), 280-294, https://doi.org/10.1002/esp.4722, 2020. Zimmermann A., E.: Flow resistance in steep streams: An experimental study, Water Resour. Res., 46, W09536, 820 https://doi.org/10.1029/2009WR007913, 2010. Zimmermann A. E., Salleti M., Zhang C., Hassan M. A.: Step-pool Channel Features, in: Treatise on Geomorphology (2nd Edition), vol. 9, Fluvial Geomorphology, edited by: Shroder, J. (Editor in Chief), Wohl, E. (Ed.), Elsevier, Amsterdam, Netherlands, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818234-5.00004-3, 2020.

Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.

On-Chip Fabrication and In-Flow 3D-Printing of Cell-Laden Microgel Constructs: From Chip to Scaffold Materials in One Integral Process

세포가 함유된 마이크로겔의 온칩 제작 및 인-플로우 3D 프린팅
구성:하나의 통합 프로세스에서 칩에서 스캐폴드 재료까지

Vollmer, Gültekin Tamgüney, Aldo Boccacini
Submitted date: 10/05/2021 • Posted date: 11/05/2021
Licence: CC BY-NC-ND 4.0

바이오프린팅은 세포가 실린 스캐폴드의 제조를 위한 유력한 기술로 발전했습니다. 바이오잉크는 바이오프린팅의 가장 중요한 구성요소입니다. 최근 마이크로겔은 세포 보호 및 세포 미세 환경 제어를 가능하게 하는 매우 유망한 바이오 잉크로 도입되었습니다. 그러나 이들의 미세유체 제작은 본질적으로 한계가 있는 것으로 보입니다.

여기에서 우리는 안정적인 스캐폴드에 직접 유입되는 바이오프린팅과 함께 세포가 실린 마이크로겔의 미세유체 생산을 위한 미세유체 및 3D 인쇄의 직접 결합을 소개합니다. 방법론은 세포를 단분산 미세 방울로 연속 온칩 캡슐화하여 후속 유입 교차 연결을 통해 세포가 함유된 마이크로겔을 생성할 수 있으며, 이는 미세관을 종료한 후 자동으로 얇은 연속 마이크로겔 필라멘트로 끼이게 됩니다.

3D 프린트 헤드로의 통합으로 독립형 3차원 스캐폴드에 필라멘트를 직접 유입 인쇄할 수 있습니다. 이 방법은 다양한 교차 연결 방법 및 세포주에 대해 설명됩니다. 이러한 발전으로 미세유체학은 더 이상 바이오 제조의 병목을 초래하는 현상이 아닙니다.

Bioprinting has evolved into a thriving technology for the fabrication of cell-laden scaffolds. Bioinks are the most critical component for bioprinting. Recently, microgels have been introduced as a very promising bioink enabling cell protection and the control of the cellular microenvironment. However, their microfluidic fabrication inherently seemed to be a limitation. Here we introduce a direct coupling of microfluidics and 3D-printing for the microfluidic production of cell-laden microgels with direct in-flow bioprinting into stable scaffolds. The methodology enables the continuous on-chip encapsulation of cells into monodisperse microdroplets with subsequent in-flow cross-linking to produce cell-laden microgels, which after exiting a microtubing are automatically jammed into thin continuous microgel filaments. The integration into a 3D printhead allows direct in-flow printing of the filaments into free-standing three-dimensional scaffolds. The method is demonstrated for different cross-linking methods and cell lines. With this advancement, microfluidics is no longer a bottleneck for biofabrication.

Fig. 1: Three-dimensional schematic view of the multilayer double 3D-focusing microfluidic channel system, (b) control of droplet diameter via the Capiilary number Ca, and accessible hydrodynamic regimes for droplet production: squeezing (c), dripping (d) and jetting (e). The scale bars are 200 µm.
Fig. 1: Three-dimensional schematic view of the multilayer double 3D-focusing microfluidic channel system, (b) control of droplet diameter via the Capiilary number Ca, and accessible hydrodynamic regimes for droplet production: squeezing (c), dripping (d) and jetting (e). The scale bars are 200 µm.
Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.
Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.
Fig. 3: a) Photograph of a standard meander-shaped layer fabricated by microgel filament deposition printing. The lines have a thickness of 300 µm. b) photograph of a cross-bar pattern obtained by on-top deposition of several microgel filaments. The average linewidth is 1 mm. c) photograph of a donut-shaped microgel construct. The microgels have been fluorescently labelled by FITC-dextran to demonstrate the intrinsic microporosity corresponding to the black non-fluorescent regions, d) light microscopy image of a construct edge showing that fused adhesive microgels form a continuous, three-dimensional selfsupporting scaffold with intrinsic micropores.
Fig. 3: a) Photograph of a standard meander-shaped layer fabricated by microgel filament deposition printing. The lines have a thickness of 300 µm. b) photograph of a cross-bar pattern obtained by on-top deposition of several microgel filaments. The average linewidth is 1 mm. c) photograph of a donut-shaped microgel construct. The microgels have been fluorescently labelled by FITC-dextran to demonstrate the intrinsic microporosity corresponding to the black non-fluorescent regions, d) light microscopy image of a construct edge showing that fused adhesive microgels form a continuous, three-dimensional selfsupporting scaffold with intrinsic micropores.
Fig. 4: a) Scheme of the perfusion chamber consisting of an upstream and downstream chamber, perfusion ports, and removable scaffolds to stabilize the microgel construct during 3D-printing, b) photograph of a microgel construct in the perfusion chamber directly after printing and removal of the scaffolds, c) confocal microscopy image of the permeation front of a fluorescent dye, where the high dye concentration in the micropores can be clearly seen, d) confocal microscopy image of YFP-labelled HEK-cells within a microgel construct.
Fig. 4: a) Scheme of the perfusion chamber consisting of an upstream and downstream chamber, perfusion ports, and removable scaffolds to stabilize the microgel construct during 3D-printing, b) photograph of a microgel construct in the perfusion chamber directly after printing and removal of the scaffolds, c) confocal microscopy image of the permeation front of a fluorescent dye, where the high dye concentration in the micropores can be clearly seen, d) confocal microscopy image of YFP-labelled HEK-cells within a microgel construct.
Fig. 5: a) Layer-by-layer printing of microgel construct with integrated perfusion channel. After printing of the first layer, a hollow perfusion channel is inserted. Subsequently, the second and third layers are printed. b) The construct is directly printed into a perfusion chamber. The perfusion chamber provides whole construct permeation via flows cin and cout, as well as independent flow through the perfusion channel via flows vin and vout. c) Photograph of a perfusion chamber containing the construct directly after printing. The flow of the fluorescein solution through the integrated PVA hollow channel is clearly visible.
Fig. 5: a) Layer-by-layer printing of microgel construct with integrated perfusion channel. After printing of the first layer, a hollow perfusion channel is inserted. Subsequently, the second and third layers are printed. b) The construct is directly printed into a perfusion chamber. The perfusion chamber provides whole construct permeation via flows cin and cout, as well as independent flow through the perfusion channel via flows vin and vout. c) Photograph of a perfusion chamber containing the construct directly after printing. The flow of the fluorescein solution through the integrated PVA hollow channel is clearly visible.
Fig. 6: a) Photograph of an alginate capsule fiber formed after exiting the microtube. b) Confocal fluorescence microscopy image of part of a 3D-printed alginate capsule construct. The fluorescence arises from encapsulated fluorescently labelled polystyrene microbeads to demonstrate the integrity and stability of the alginate capsules.
Fig. 6: a) Photograph of an alginate capsule fiber formed after exiting the microtube. b) Confocal fluorescence microscopy image of part of a 3D-printed alginate capsule construct. The fluorescence arises from encapsulated fluorescently labelled polystyrene microbeads to demonstrate the integrity and stability of the alginate capsules.

Keywords

biomaterials, microgels, microfluidics, 3D printing, bioprinting

References

  1. A. Atala, Chem. Rev. 2020, 120, 10545-10546.
  2. J. Groll, J. A. Burdick, D. W. Cho, B. Derby, M. Gelinsky, S. C. Heilshorn, T. Jüngst, J. Malda, V. A
    Mironov, K. Nakayama, A. Ovisanikov, W. Sun, S. Takeuchi, J. J. Yoo, T. B. F. Woodfield,
    Biofabrication 2019, 11, 013001.
  3. W. Sun, B. Starly, A. C. Daly, J. A. Burdick, J. Groll, G. Skeldon, W. Shu, Y. Sakai, M. Shinohara,
    M. Nishikawa, J. Jang, D.-W. Cho, M. Nie, S. Takeuchi, S. Ostrovidov, A. Khademhosseini, R. D. Kamm,
    V. Mironov, L. Moroni, I. T. Ozbolat, Biofabrication 2020, 12, 022002.
  4. R. Levato, T. Juengst, R. G. Scheuring, T. Blunk, J. Groll, J. Malda, Adv. Mater. 2020, 32, 1906423.
  5. C. B. Highley, K. H. Song, A. C. Daly, J. A. Burdick, Adv. Sci. 2019, 6, 1801076.
  6. D. Velasco, E. Tumarkin, E. Kumacheva, Small 2012, 8, 1633-1642.
  7. W. Jiang, M. Li, Z. Chen, K. W. Leong, Lab Chip 2016, 16, 4482-4506.
  8. A. C. Daly, L. Riley, T. Segura, J. A. Burdick, Nat. Rev. 2020, 5, 20-43.
  9. A. S. Mao, B. Özkale, N. J. Shah, K. H. Vining, T. Descombes, L. Zhang, C. M. Tringides, S.-W.
    Wong, J.-W. Shin, D. T. Scadden, D. A. Weitz, D. J. Mooney, Proc. Natl. Acad. Sci. 2019, 116, 15392-15397.
  10. S. R. Pajoumshariati, M. Azizi, D. Wesner, P. G. Miller, M. L. Shuler, A. Abbaspourrad, ACS Appl.
    Mater. Interfaces 2018, 10, 9235-9246.
  11. A. S. Mao, J.-W. Shin, S. Utech, H. Wang, O. Uzun, W. Li, M. Cooper, Y. Hu, L. Zhang, D. A.
    Weitz, D. J. Mooney, Nat. Mater. 2017, 16, 236-243.
  12. P. S. Lienemann, T. Rossow, A. S. Mao, Q. Vallmajo-Martin, M. Ehrbar, D. J. Mooney, Lab Chip, 2017, 17, 727.
  13. F. Chen, J. Xue, J. Zhang, M. Bai, X. Yu, X.; C. Fan, Y. Zhao, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2889-2896.
  14. Q. Feng, Q. Li, H. Wen, J. Chen, M. Liang, H. Huang, D. Lan, H. Dong, X. Cao, Adv. Funct. Mater.,
    2019, 29, 1096690.
  15. L. P. B. Guerzoni, T. Yoshinari, D. B. Gehlen, D. Rommel, T. Haraszti, M. Akashi, L. De Laporte,
    Biomacromolecules 2019, 20, 3746-3754
  16. T. Rossow, J. A. Heyman, A. J. Ehrlicher, A. Langhoff, D. A. Weitz, R. Haag, S. Seiffert, J. Am.
    Chem. Soc. 2012, 134, 4983-4989.
  17. E. Kapourani, F. Neumann, K. Achazi, J. Dernedde, R. Haag, Macromol. Bioscience 2018, 18,1800116
  18. H. Wang, H. Liu, H. Liu, W. Su, W. Chen, J. Qin, Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800632.
  19. C. Fan, S.-H. Zhan, Z.-X. Dong, W. Yang, W.-S. Deng, X. Liu, P. Suna, D.-A. Wang, Mater. Sci. Eng. C 2019, 108, 110399.
  20. A. M. Compaan, K. Song, W. Chai, Y. Huang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 7855-7868.
  21. S. L. Anna, H. C. Mayer, Phys. Fluids 2006, 18, 121512.
  22. T. Ward, M. Faivre, M. Abkarian, H. A. Stone, Electrophoresis 2005, 26, 3716-3724.
  23. F. Lapierre, N. Wu, Y. Zhu, Proc. SPIE 2011, 8204, 82040H-1.
  24. C. A. Stan, S. K. Y. Tang, G. M. Whitesides, Anal. Chem. 2009, 81, 2399-2402.
  25. J. Tan, J. H. Xu, S. W. Li, G. S. Luo, Chem. Eng. J. 2008, 136, 306-311.
  26. R.-C. Luo, C.-H. Chen, Soft 2012, 1, 1-23.
  27. C. H. Choi, J. H. Jung, T. S. Hwang, C. S. Lee, Macromol. Res. 2009, 17, 163-167.
  28. A. J. D. Krüger, O. Bakirman, P. B. Guerzoni, A. Jans, D. B. Gehlen, D. Rommel, T. Haraszti, A. J.
    C. Kuehne, L. De Laporte, Adv. Mater. 2019, 31, 1903668.
  29. D. B. Kolesky, K. A. Homan, M. A. Skylar-Scott, J. A. Lewis, Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113, 3179-3184
  30. A. K. Miri, I. Mirzaee, S. Hassan, S. M. Oskui, D. Nieto, A. Khademhosseini, Y. S. Zhang, Lab Chip 2019, 19, 2019.
  31. F. A. Plamper, W. Richtering Acc. Chem. Res. 2017, 50, 131-140.
  32. S. Sun, M. Li, A. Liu, Int. J. Adhesion Adhesives 2013, 41, 98-106.
Fig. 2. Schematic indication of the separate parts comprising the rotary kiln model, together with the energy fluxes from Eq. (1).

화염 모델링, 열 전달 및 클링커 화학을 포함한 시멘트 가마에 대한 CFD 예측

E Mastorakos Massias 1C.D Tsakiroglou D.A Goussis V.N Burganos A.C Payatakes 2

Abstract

실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 방사선에 대한 Monte Carlo 방법, 가마 벽의 에너지 방정식에 대한 유한 체적 코드 및 클링커에 대한 화학 반응을 포함한 에너지 보존 방정식 및 종에 대한 새로운 코드. 기상의 온도 장, 벽으로의 복사 열유속, 가마 및 클링커 온도에 대한 예측 간의 반복적인 절차는 내부 벽 온도의 분포를 명시적으로 예측하는 데 사용됩니다. 여기에는 열 흐름 계산이 포함됩니다. 수갑. 가스와 가마 벽 사이의 주요 열 전달 모드는 복사에 의한 것이며 내화물을 통해 환경으로 손실되는 열은 입력 열의 약 10%이고 추가로 40%는 장입 가열 및 클링커 형성. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 경험과 제한된 측정을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

키워드

산업용 CFD, 로타리 가마, 클링커 형성, 복사 열전달, Industrial CFD, Rotary kilns, Clinker formation, Radiative heat transfer

1 . 소개

시멘트 산업은 에너지의 주요 소비자이며, 미국에서 산업 사용자의 총 화석 연료 소비량의 약 1.4%를 차지하며 [1] 일반적인 비에너지 사용량은 제조된 클링커 1kg당 약 3.2MJ [2] 입니다. CaCO 3  →  CaO  +  CO 2 반응이 일어나기 때문입니다., 클링커 형성의 첫 번째 단계는 높은 흡열성입니다. 시멘트 가마에서 에너지를 절약하기 위한 현재의 경향은 일반적으로 길이가 약 100m이고 직경이 약 5m인 회전 실린더인 가마를 떠나는 배기 가스로부터 에너지를 보다 효율적으로 회수하는 것과 저열량 연료의 사용에 중점을 둡니다. 값. 2-5초 정도의 화염 체류 시간을 허용하고 2200K의 높은 온도에 도달하는 회전 가마의 특성은 또한 시멘트 가마를 유기 폐기물 및 용제에 대한 상업용 소각로에 대한 경쟁력 있는 대안으로 만듭니다 [3]. 클링커의 형성이 이러한 2차 액체 연료의 사용으로 인한 화염의 변화로부터 어떤 식으로든 영향을 받지 않도록 하고, 대기 중으로 방출되는 오염 물질의 양에 대한 현재 및 미래 제한을 준수할 수 있도록, 화염 구조의 세부 사항과 화염에서 고체 충전물로의 열 전달을 더 잘 이해할 필요가 있습니다.

최근 시멘트 가마 4 , 5 , 6 , 7 에서 유동장 및 석탄 연소의 이론적 모델링복사 열 전달을 포함한 전산 유체 역학(CFD) 코드를 사용하여 달성되었습니다. 이러한 결과는 시멘트 가마에 대한 최초의 결과였으며 화염 길이, 산소 소비 등과 관련하여 실험적으로 관찰된 경향을 재현했기 때문에 그러한 코드가 수용 가능한 정확도로 대규모 산업용 용광로에 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 킬른과 클링커는 포함하지 않았고, 벽온도의 경계조건은 가스온도와 용액영역의 열유속에 영향을 미치므로 계산에 필요한 경계조건은 예측하지 않고 실험적 측정에 기초하였다. 기상에 대한 CFD 솔루션은 앞으로의 주요 단계이지만 회전 가마를 포괄적으로 모델링하는 데만으로는 충분하지 않습니다.

내화물의 열 전달과 전하에 대한 세부 사항은 다양한 저자 8 , 9 , 10 , 11에 의해 조사되었습니다 . 충전물(보통 잘 혼합된 것으로 가정)은 노출된 표면에 직접 복사되는 열 외에도 전도에 의해 가마 벽에서 가열됩니다. 가장 완전한 이론적 노력에서, 가마 벽 (내화물)에 대한 3 차원 열전도 방정식을 해결하고, 두 개 또는 세 개의 인접하는 영역으로 한정 한 좌표 축 방향에서 어느 방사선 방사선 열전달 영역 모델과 결합 [ 10] 또는 자세히 해결 [11]. 그러나 클링커 형성 중에 일어나는 화학 반응은 고려되지 않았고 기체 상이 균일한 온도로 고정되어 필요한 수준의 정확도로 처리되지 않았습니다.

최종적으로 연소에 의해 방출되는 에너지(일부)를 받는 고체 전하가 화학 반응을 거쳐 최종 제품인 클링커를 형성합니다. 이것들은 [12]에 설명된 주요 특징에 대한 단순화된 모델과 함께 시멘트 화학 문헌에서 광범위한 조사의 주제였습니다 . 그 작업에서, 고체 온도 및 조성의 축 방향 전개를 설명하는 odes가 공식화되고 해결되었지만, 전하에 대한 열유속 및 따라서 클링커 형성 속도를 결정하는 가스 및 벽 온도는 1차원으로 근사되었습니다. 자세한 화염 계산이 없는 모델.

화염, 벽 및 장입물에 대한 위의 이론적 모델 중 어느 것도 회전식 가마 작동을 위한 진정한 예측 도구로 충분하지 않다는 것이 분명합니다. 국부 가스 온도(CFD 계산 결과 중 하나)는 벽 온도에 크게 의존합니다. 클링커 형성은 에너지를 흡수하므로 지역 가스 및 벽 온도에 따라 달라지며 둘 다 화염에 의존합니다. 벽은 화염에서 클링커로의 순 열 전달에서 “중개자” 역할을 하며, 내화재 두께에 따라 환경으로 피할 수 없는 열 손실이 발생합니다. 이러한 상호 의존성은 가마의 거동에 중요하며 개별 프로세스를 개별적으로 계산하는 데 중점을 두었기 때문에 문헌에서 발견된 수학적 모델로는 다루기 어렵습니다.

본 논문에서 우리는 위에 설명된 유형의 세 가지 개별 모델을 결합하여 수행되는 회전식 시멘트 가마에서 발생하는 대부분의 공정에 대한 포괄적인 모듈식 모델을 제시합니다. 우리 작업은 4 , 5 , 6 , 7 에서와 같이 석탄 연소를 위한 다차원 CFD 코드로 기체 상태를 처리합니다 . 10 , 11 에서와 같이 가마 벽의 3차원 열전도 방정식을 풉니다 . 9 , 12 와 유사한 모델로 잘 혼합된 전하 온도 및 조성을 해결합니다.. 3개의 모듈(화염, 벽, 전하)은 내화물에 입사하는 열유속의 축 분포에 대해 수렴이 달성될 때까지 반복적으로 계산됩니다. 충전 온도 및 구성. 따라서 이전 작업에 비해 현재의 주요 이점은 완전성에 있습니다. 이는 가스-킬른-클링커 시스템의 다양한 부분에서 에너지 흐름의 정량화를 통해 킬른 작동에 대한 더 나은 이해를 가능하게 하고 여기에서 사용된 방법을 건조 및 소각과 같은 다른 회전 킬른 응용 분야에 적용할 수 있게 합니다.

이 문서의 특정 목적은 회전식 시멘트 가마에 대한 포괄적인 모델을 제시하고 화염에서 클링커로의 에너지 플럭스와 가마에서 열 손실을 정량화하는 것입니다. 이 문서의 나머지 부분은 다음과 같이 구성됩니다. 2장 에서는 다양한 모델과 해법을 제시하고 3장 에서는 그 결과를 제시하고 논의한다 . 여기에는 본격적인 회전식 시멘트 가마의 제한된 측정값과의 비교가 포함됩니다. 이 논문은 가장 중요한 결론의 요약으로 끝납니다.

2 . 모델 공식화

2.1 . 개요

Fig. 1 은 시멘트 로터리 킬른의 단면을 보여준다. 가마의 회전은 전하의 움직임을 유도하여 후자를 대략적으로 잘 혼합되도록 합니다 [10] , 여기에서 채택할 가정입니다. 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물리적 특성의 고체 재료로 모델링하여 가마 내화물에 부착된 클링커의 존재를 허용할 것입니다. 우리는 이 층의 두께가 가마를 따라 균일하다고 가정합니다. 이것은 아마도 지나치게 단순화한 것일 수 있지만 관련 데이터를 사용할 수 없습니다. 모델 설명을 진행하기 전에 그림 2 에 개략적으로 표시된 회전식 가마의 다양한 에너지 흐름을 이해하는 것이 중요합니다 .

석탄 연소에 의해 방출되는 에너지(단위 시간당)( 석탄 )는 배기 가스(Δ 가스 )와 함께 가마 밖으로 흘러 가마 벽에 직접 복사( rad ) 및 대류( conv )됩니다. 공급 및 배기 덕트( rad,1  + rad,2 ) 에 대한 축 방향의 복사에 의해 작은 부분이 손실됩니다 . 전하 가마 시스템은 복사( rad ) 및 대류( conv )에 의해 가스로부터 에너지(Δ cl )를 흡수 하고 주변으로 열을 잃습니다( Q 손실 ). 전체 에너지 균형에서 개별 항의 계산, 즉(1a)큐석탄=ΔH가스-Q라드-Q전환-Q일, 1-Q일, 2,(1b)큐라드+Q전환=ΔH클+Q손실여기에서 다음 섹션에 설명된 대로 가스, 가마 및 클링커에 대한 이산화 에너지를 국부적으로 해결함으로써 수행됩니다.

2.2 . CFD 코드

가스 운동량, 종 농도 및 에너지의 Favre 평균 방정식은 표준 k – ε 모델을 사용하여 방사 모듈(RAD-3D)과 함께 상업적으로 이용 가능한 축대칭 CFD 코드(FLOW-3D)에 의해 해결됩니다. [13] . 기하학이 실제로 3차원이고 벽 온도의 각도 분포가 존재하지만 합리적인 시간과 현재 워크스테이션에서 완전한 3으로 솔루션을 얻을 수 있도록 기체상을 축대칭으로 취급합니다. -D를 요구하는 해상도로 계산하려면 슈퍼컴퓨터에 의존해야 합니다. FLOW-3D에서 사용되는 다양한 하위 모델의 일부 기능과 벽 경계 조건에 대한 특수 처리는 다음과 같습니다.

2.2.1 . 석탄 연소

Rossin-Rammler 크기 분포(45μm 평균 직경, 1.3 지수 [6] )를 따르는 석탄 입자 는 CPU 시간을 줄이기 위해 솔루션 영역(즉, 확률적 구성 요소 없이)에서 결정론적으로 추적되었지만 분산을 과소 평가하는 단점이 있습니다 . 14] . 입자는 2-반응 모델에 따라 휘발되도록 허용되었고 휘발성 연소는 무한히 빠른 것으로 간주되었습니다. 석탄 연소에 대한 설명의 세부 사항은 FLOW-3D에서 석탄 휘발 및 열분해의 “표준” 상수 집합이 합리적인 결과를 제공하고 Ref. [5] .

2.2.2 . 복사와 대류

가스의 복사 강도는 RAD-3D 모듈을 사용하여 80,000개의 입자로 Monte-Carlo 방법으로 계산되었습니다. 가마는 반경 방향으로 7개, 축 방향으로 19개(크기가 0.1  ×  1.0 m와 0.2  ×  5.0 m 사이)로 불균일한 구역으로 나뉘었으며 각 구역 에서 방사선 강도가 균일하다고 가정했습니다. 방사선 모듈의 출력은 내부적으로 FLOW-3D에 대한 유체 계산에 인터페이스되고 외부적으로 벽 및 클링커에 대한 코드에 인터페이스되었습니다( 섹션 2.3 섹션 2.4 참조). 방사선 패키지의 이산화된 구역은 CFD 그리드의 셀보다 훨씬 커야 하므로 구역에 온도 평균이 형성될 수 있는 많은 셀이 포함될 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 상대적으로 조잡한 복사 구역의 분해능과 Monte-Carlo 방법의 통계적 특성은 구역의 복사 열유속이 더 미세한 구역화 및 더 많은 입자로 몇 번의 실행에 의해 결정된 바와 같이 최대 약 10%까지 부정확할 수 있음을 의미합니다. 또한 경계면에 입사하는 열유속은 영역 크기보다 미세한 분해능으로 결정할 수 없으므로 복사 열유속은 벽에 인접한 19개 영역 각각의 중심에서만 계산됩니다. 0.15m -1 의 흡수 계수는 Ref.[11] . 엄밀히 말하면, 흡수 계수는 국부적 가스 조성과 온도의 함수이므로 균일하지 않아야 합니다. 그러나 가스 조성은 가마의 일부만 차지하는 화염 내에서만 변 하므로( 3절 참조 ) 균일한 흡수 계수를 가정하는 것이 합리적입니다. 또한, 현재 버전의 소프트웨어는 FLOW-3D의 반복 프로세스 동안 이 요소의 자동 재조정을 허용하지 않습니다. 여기서 로컬 가스 특성이 계산되므로 일정하고 균일한 흡수 계수가 필요합니다.

최종적으로, 벽에서 대류 열전달이 플로우 3D 패키지에서 표준 출력 표준 “벽 기능”제형에 혼입 난류 경계층에 대한 식에 기초하고,의 속도 경계 조건과 유사한 K – ε 모델. FLOW-3D 및 RAD-3D에서 입력으로 사용하고 출력으로 계산된 다양한 양은 그림 3에 개략적으로 표시 됩니다.

2.2.3 . 그리드

반경 방향 47개, 축 방향 155개 노드를 갖는 불균일한 격자를 사용하였으며 격자 독립성 연구를 수행한 결과 충분하다고 판단하였다. 유사한 크기의 그리드도 Refs에서 적절한 것으로 밝혀졌습니다. 4 , 5 , 6 , 7 . 매우 높은 축 방향 및 소용돌이 속도로 인해 석탄 버너 유정에 가까운 지역을 해결하기 위해 특별한 주의를 기울였습니다. HP 715/100MHz 워크스테이션에서 이 그리드의 일반적인 CPU 시간은 10시간이었습니다.

2.2.4 . 경계 조건

벽 온도에 대한 경계 조건은 기체상 및 복사 솔버 모두에 필요하다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 아래에서는 4 , 5 , 6 , 7 을 규정하기 보다는 축대칭 그리드에 대한 이 온도 분포를 예측하는 대략적인 방법을 설명합니다 .

내벽 온도 w ( in , x , ϕ ) 의 각도 분포 가 알려져 있다고 가정합니다 . 그런 다음 전체 3차원 문제를 “동등한” 축대칭 문제로 줄이기 위해 가상의 내벽 온도 RAD ( x )는(2)2πε에티4라드(x) = ε클∫0ㄷ티4클(엑스)디ϕ + ε에∫ㄷ2π티4에(아르 자형~에, x, ϕ)디ϕ”효과적인” 경계 조건으로 사용할 수 있습니다. RAD ( x )는 방위각으로 평균화된 “복사 가중” 온도입니다. 필요한 경계 조건으로 이 온도를 사용하는 것은 복사가 열 전달을 지배한다는 기대에 의해 동기가 부여됩니다(후반부 확인, 섹션 3.4 ). 따라서 전체 3차원 문제와 이 “유효한” 축대칭 문제에서 가스에서 가마로의 전체 에너지 흐름은 거의 동일할 것으로 예상됩니다.  의 사용 (2) 축대칭 코드로 기체상 및 복사장을 계산할 수 있으므로 엔지니어링 워크스테이션을 사용하여 문제를 다루기 쉽습니다.

고려되는 가마의 규모와 온도에서 가스는 광학적으로 두꺼운 것으로 간주될 수 있습니다. 솔루션(나중에 제시됨)은 평균 경로 길이(즉, “광자”의 모든 에너지가 흡수되기 전의 평균 길이)가 약 3.2m임을 보여주며, 이는 가마 내경 4.1m보다 작습니다. 이것은 내벽에 입사하는 복사 플럭스가 국부적 벽과 가스 온도에 강하게 의존하고 더 먼 축 또는 방위각 위치에서 벽의 온도에 약하게만 의존함을 의미합니다. 이것은 기체상에 사용된 축대칭 근사에 대한 신뢰를 줍니다. 그것은 또한 Refs의 “구역 방법”을 의미합니다. 8 , 9 , 10표면에 입사하는 방사선이 1-2 구역 길이보다 더 먼 축 위치와 무관한 것으로 간주되는 경우에는 충분했을 것입니다.

2.3 . 가마 온도

내부 소성로 표면 온도 w ( in , x , ϕ )는 Eq. 에서 필요합니다 (2) 및 가마 벽 에너지 방정식의 솔루션 결과의 일부입니다. 각속도 ω로 회전하는 좌표계 에서 후자는 [10] 이 됩니다 .(3)ω∂(ϱ에씨피티에)∂ϕ=1아르 자형∂∂아르 자형에게에아르 자형∂티에∂아르 자형+1아르 자형2∂∂ϕ에게에∂티에∂ϕ+∂∂엑스에게에∂티에∂엑스경계 조건에 따라(3a)r=R~에,Θ<ϕ⩽2π:에게∂티에∂아르 자형=q라드(x)+q전환(엑스),(3b)r=R~에, 0 <ϕ⩽Θ:에게∂티에∂아르 자형=qw–cl(x, ϕ) = hw–cl티클(x)-T에(아르 자형~에, x, ϕ),(3c)r=R밖, 0 <ϕ⩽2π:.케이∂티에∂아르 자형=h쉿티쉿-T∞+ ε쉿티4쉿-T4∞.

전도도, 밀도 및 비열용량에 대한 값은 실제 가마에 사용되는 내화물 재료에 대한 제조업체 정보에서 가져옵니다 [15] . 외부 쉘 온도 sh = w ( out , x , ϕ )는 x 및 ϕ 에 따라 달라질 수 있습니다 .

위 방정식에 대한 몇 가지 의견이 있습니다. 에서는 식. (3a) 에서 열유속의 방위각 의존성이 제거되었습니다. 이전에 언급했듯이 흐름은 광학적으로 두꺼운 것으로 간주됩니다. 즉, 화염이 너무 방사되고 너무 넓기 때문에 벽면 요소가 화염을 가로질러 반대쪽 벽을 “보지” 않습니다. 따라서 rad ( x , ϕ ) 의 계산은 다른 각도 위치로부터의 복사를 포함할 필요 없이 가스 ( r , x ) 및 로컬 w ( in , x , ϕ )를 기반으로 할 수 있습니다. 여기부터 qrad ( x )는 Eq. 의 방위각 평균 온도를 기반으로 하는 축대칭 RAD-3D 솔루션에서 가져옵니다 (2) , 결과적인 rad ( x )는 어떤 의미에서 방위각으로 평균된 열유속입니다. 식 따라서 (3a) 는 우리가 이 열유속을 모든 ϕ 에 등분포한다는 것을 의미합니다 . Eq 에서 rad 의 각도 변화를 무시한다는 점에 유의하십시오 . (3a) 는 Refs. [10] 또는 [11] 이 우선되어야 합니다.

소성로와 장입물 사이의 열전달 계수 w-cl 은 소성로의 에너지 흐름과 온도를 정확하게 예측하는 데 중요하지만 잘 알려져 있지 않습니다. 500 W / m의 전형적인 값  K는 여기에 제시된 결과 사용되고있다 [8] . 계산된 w ( r , x , ϕ ) 및 RAD ( x) 이 계수의 선택에 따라 달라지지만 예측은 질적으로 변하지 않습니다. 껍질에서 대기로의 열 전달은 복사와 별도로 강제 및 자연 대류를 통해 발생합니다. 자연 대류에 대한 열전달 계수는 Ref. [11] , 현재 조건에서 약 5 W/m 2 K의 일반적인 값 을 사용합니다. 그러나 쉘에 불어오는 외부 팬은 과열을 피하기 위해 산업에서 종종 사용되며 이러한 효과는 총 sh =30 W/m 2 K 를 사용하여 여기에서 모델링 되었습니다. 방사율에는 다음 값이 사용되었습니다. ε w = ε cl = 0.9 및 ε sh = 0.8.

식 (3) 은 가마의 방사형 기울기가 훨씬 더 가파르기 때문에 방위각 및 축 전도를 무시한 후 명시적 유한 체적 방법으로 해결되었습니다. 방사형으로 50개 노드와 축 방향으로 19개 노드가 있는 균일하지 않은 그리드가 사용되었으며 회전으로 인한 화염에 주기적으로 노출되는 표면으로 인해 발생하는 빠른 온도 변화를 따르기 위해 내부 표면에서 적절한 방사형 분해능이 사용되었습니다. 동일한 이유로 사용 된 작은 단계(Δ ϕ = π /100)는 가마의 큰 열 관성과 함께 가마 벽 온도가 수렴되도록 하기 위해 2시간 정도의 CPU 시간이 필요했습니다.

2.4 . 수갑

가마에 대한 모델의 마지막 부분은 클링커 온도 및 조성 보존 방정식에 관한 것으로, 축 방향 기울기만 고려하고 전도는 무시합니다.(4)씨피V클디(ϱ클티클)디엑스=−엘wclㄷㅏ클∫0ㄷ큐w–cl(x, ϕ)디ϕ +엘gclㅏ클큐라드(x)+q전환(엑스)−∑나Nsp아르 자형나시간0, 나는에프+씨피티,(5)V클디(ϱ클와이나)디엑스=r나,(6)V클디ϱ클디엑스=−r무엇2,여기서 cl 은 속도 cl 로 흐르는 전하가 덮는 단면적 이며 둘 다 일정하다고 가정하고 gcl =2 in sin( Θ /2) 전하로 덮인 섹터의 현( 그림 1 ) , WCL = Θ 에서는 , SP 화학 종의 수와 r에 난을 (kg / m의 형성 속도 순 3 종의) I를 . 전하의 밀도는 Eq를 감소시킵니다 (6) CO 2 에 대한 질량 손실로 인한하소하는 동안 초기 값은 총 질량 유량이 ϱ cl cl cl 과 같도록 선택되었습니다 . 참고 ρ (CL)이 있다 하지 전하 느슨하게 포장 된 입자로 이루어지는 것으로 생각 될 수있는 바와 같이, 충전 재료 밀도하지만 벌크 밀도. 우리는 또한 전하의 실제 입상 흐름 패턴을 조사하는 것보다 적은 것은 모델의 신뢰성에 크게 추가되지 않는 임시 설명 [10] 이라고 믿기 때문에 전하의 전도를 무시 합니다. 전하는 CaCO 3 , CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 로 구성된 것으로 가정합니다.2 O 3 , C2S, C3S, C3A 및 C4AF로, 마지막 4종은 클링커화 중에 형성된 복합 염에 대해 시멘트 화학자가 사용하는 특수 표기법으로 표시됩니다. 다음과 같은 화학 반응을 가정합니다 [12] .

(나)CaCO3→높은+무엇2k = 108특급(−175728/RT)
(Ⅱ)높은+2SiO2→C2Sk = 107특급(−240000/RT)
(Ⅲ)높은+C2S→C3Sk = 109특급(−420000/RT)
(IV)3높은+로2그만큼3→C3Ak = 108특급(−310000/RT)
(V)4높은+로2그만큼3+철2그만큼3→Q4AFk = 108특급(−330000/RT)

상기 시행 착오에 의해 선택되는 아 레니 우스 식에 사용되는 사전 지수 인자 및 활성화 온도는 카코에 대한 활성화 에너지를 제외하고, 가마의 출구에서의 전하의 예상 조성물을 얻었다 (3) 에서 촬영 한 분해 참조 [16] . 우리는 이러한 반응이 임시 모델임을 강조합니다. 실제로 고체상의 화학반응은 다양한 종의 결정들 사이의 계면에서 일어나며 확산이 제한적 이지만 [17] , 클링커 화학에 대한 상세한 처리는 본 연구의 범위를 벗어난다.

클링커 형성의 마지막 단계로 간주되는 반응 (III)은 고온에서 액상이 존재할 때만 발생합니다. 클링커의 용융은 액체 분획 fus 에 대해서도 해결함으로써 모델링되었습니다 .(7)엘소란V클디(ϱ클와이소란)디엑스=RHS의식(4)만약 T의 CL이 융해 온도와 같거나보다 커진다 T의 FUS 와 T의 FUS 의 = 1560 K. 상한 Y의 FUS = 0.3 수행 하였다 [17] 상기 식을. (7) 무시되었다.

상미분 방정식, , Gear 방식과 통합되었습니다. 가마 온도에 대한 유한 체적 코드( 2.3절 )와 클링커에 대한 코드는 반복적으로 해결되었으며( 그림 4 ), 이는 벽 클링커 열유속 w–cl ( x , ϕ ).

2.5 . 최종 커플링

전체 문제(가스, 가마, 장입)는 반복 방식으로 해결되었습니다. RAD 의 균일한 분포에서 시작 하여 기체상은 rad ( x ) 및 conv ( x ) 의 축 분포를 제공하도록 해결되었습니다 . 이것들은 다음에서 사용되었습니다., 그 솔루션의 새로운 추정 결과 RAD ( X 통해) 식. (2) . 그런 다음 FLOW3D-RAD3D 실행이 6차 다항식 피팅의 계수 형태로 프로그램에 도입된 새로운 경계 조건으로 반복되었습니다. 의 연속 추정치 사이에 0.5 미만의 밑에 이완 인자 RAD ( X)는 벽 온도에 대한 복사 열유속의 민감도가 크기 때문에 필요한 것으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 HP 715 워크스테이션에서 10일 정도의 총 CPU 시간에 해당하는 내벽 온도(연속 반복이 40K 이상 변하지 않을 때 정의됨)의 수렴을 달성하기 위해 이러한 단계 사이에 약 10번의 반복이 필요했습니다. . 그림 5 는 균일한 값(1600K)에서 시작하여 최종 프로파일까지 RAD ( x ) 의 수렴 이력을 보여줍니다 .

2.6 . 가마 조건

사용된 일부 매개변수에 대한 작동 조건 및 값은 표 1 표 2 표 3에 나와 있습니다. 이 값은 시멘트 회전 가마의 전형입니다.

표 1 . 공기 및 석탄 입자 입구 조건

수송소용돌이중고등 학년석탄
m (kg/s)2.2531.7592.91045.9304.0
 (m/s)77.136.576.112.7336.5
V (m/s)−20.7063.900
W (m/s)00112.800
 (케이)3183833181273383

표 2 . 클링커 조성(질량 분율)

밀가루가마 입구가마 출구
m (kg/s)50.37439.81532.775
 (케이)11001785
CACO 30.79470.402180
높은00.338010.0229
그런가 20.14340.181430
알 2 O 30.03490.04420
철 2 O 30.02700.034160
C2S000.1808
C3S000.5981
C3A000.0731
Q4AF000.1242
소성 인자00.61.0

소성 계수 카코의 비율을 3 의 CaO로 변환 된 FARINE있다.

표 3 . 재료 속성 및 기타 매개변수

ω (래드/초)0.5
V의 CL (m / s)0.035
 (K)300
sh (W/m 2 K)30
w–cl (W/m 2 K)500
ε w , ε cl0.9
ε 0.8
C의 P (클링커) (킬로 / kg K)1.5
ϱ cl (kg/m 3 )1200
fus (kJ/kg)418.4
p (벽) (kJ/kg K)1.5
ϱ w (kg/m 3 )1600–3000
k는 w (W / m K)0.6–3.0
석탄 열 방출(kJ/kg)25475

3 . 결과 및 토론

이 섹션에서는 먼저 화염 구조에 대한 정보와 함께 예측된 공기역학적 패턴의 세부사항을 제시합니다. 소성로 내화물의 온도 분포와 클링커 조성의 변화를 설명합니다. 이 섹션은 가마의 전체 에너지 균형과 가능한 모델 개선에 대한 논의로 끝납니다.

3.1 . 화염 구조

그림 6 은 명확성을 위해 방사상 좌표가 과장된 온도의 등고선 플롯을 보여줍니다. 석탄은 주입 지점에서 약 1m 지점에서 약간 축에서 벗어나 점화되며 최대 화염 온도(약 2400K)는 경험에 따라 약 40m 하류에서 도달합니다 [15] . 완전한 입자 소진에 대한 가장 긴 시간은 버너에서 45m에 해당하는 약 1.4초였습니다. 방사형 온도 프로파일( 그림 7 ) 은 온도의 상당한 불균일성이 있음을 보여주지만 출구 프로파일이 본질적으로 평평해짐에 따라 하류에서 감소합니다. 또한 벽에 인접한 가스가 더 차가운 열 경계층이 존재한다는 것이 분명합니다.석탄 노즐에서 최대 30m까지 벽보다 이것은 이 영역에서 대류에 의한 열 전달이 음(즉, 기체 쪽으로)임을 의미하며, 3.4절 에서 더 자세히 논의된 지점 입니다.

버너 출구 바로 하류에 길이가 약 1 버너 직경인 재순환 구역이 있는데( 그림 8 ), 여기에서 화염이 더 하류에서 발화하기 때문에 소용돌이 안정화 화염 [7] 에서와 같이 화염 안정화에 기여하지 않습니다 . 그러나 액체 연료를 사용할 때는 중요할 수 있으므로 버너에 가까운 그리드의 세부 사항을 강조해야 합니다. 버너에서 처음 몇 미터는 매우 높은 전단력과 높은 난류 에너지 생산을 포함하며 이것이 그리드 미세 조정을 강조하는 또 다른 이유입니다. 휘발성 물질 연소 영역( x =10m, r =1m) 에서 k 및 ε 의 일반적인 예측 값 은 24.3 및 142m 2 /s입니다.3 , 각각. 대규모 난류 시간은 171ms이고 Kolmogorov 시간 규모는 1.1ms입니다. 휘발성 물질의 연소는 0.1ms(일반적인 탄화수소 연료) 정도의 시간 규모에서 발생하며, 이는 가마의 소규모 난류 시간보다 10배 더 짧습니다. 따라서 이 흐름에서 연소에 대한 유한 속도 동역학을 포함할 필요는 없으며 “혼합 연소” 근사가 합리적입니다.

3.2 . 가마 온도 분포

중심선에서 계산된 가스 온도, 온도 RAD ( x ) 및 클링커 온도는 그림 9 에서 비교됩니다 . 최고 가스 온도는 25~40m 사이에 위치하며 내화 내부 표면 온도도 최고점입니다. 클링커는 놀랍게도 가마에서 나오기 전 마지막 몇 미터 동안 벽보다 뜨겁 습니다. 복사에 의해 내화물에 입사하는 열유속은 대류에 의한 것보다 1-2 배 더 높으며( 그림 10 ) 가마의 처음 10m에 대한 총 열 전달 은 가스를  합니다. 이 관찰의 중요성은 나중에 논의됩니다.

대류로 인한 에너지 플럭스는 화염에서 가마까지의 전체 에너지 플럭스의 매우 작은 부분인 것으로 밝혀졌습니다( 그림 10 ). 여기서 예측된 대류의 작은 기여는 Ref. [11] . 그 작업에서 대류 열 전달 계산에 사용된 가스 온도는 가마 단면의 평균이었고 따라서 축 근처에 있는 화염의 기여로 인해 벽 부근의 온도보다 훨씬 높았습니다. . 여기에서 우리는 온도와 가스 속도 및 난류 운동 에너지의 국부적 값을 기반으로 하는 보다 정확한 열전달 계수를 사용했기 때문에 보다 정확한 결과를 기대합니다.

예측된 벽 온도는 모든 방향에서 불균일합니다. Fig. 11 은 가마가 회전함에 따라 화염에 노출되었을 때 벽이 가스에 의해 연속적으로 가열되고 클링커에 열을 공급하여 냉각되는 것을 보여준다. 이것은 약 100K의 일반적인 각도 온도 변화를 갖는 대부분의 가마 길이에 해당됩니다. 대조적으로 버너에 가까우면 벽 은 (0 < ϕ < π /2) 동안 클링커에서 열을 얻고 다음으로 열을  습니다. 노출될 때의 가스( π /2 < ϕ < 2 π ). 벽과 클링커 온도가 같으면서 방위각 변화가 없는 경우가 발생할 수 있습니다( 그림 11 ,        x = 17.5m). 이 온도 변화가 작은 것으로 간주될 수 있지만 벽에서 클링커까지의 열유속을 계산하는 위치에 있으려면 전체 3차원 내벽 온도 분포를 계산해야 합니다(0  < ϕ 범위에서 발생 < π /2).   

그림 12 는 ϕ에 독립적인 외부(쉘) 온도와 함께 고체의 큰 비열로 인해 각도 방향의 변화 영역이 벽으로 약 1cm만 확장됨을 보여줍니다( 그림 12b) .. 벽 온도 방사 분포는 가스 온도, 입사 방사선 및 내화 재료의 특성이 변하기 때문에 축 방향 거리에 따라 달라집니다. 정확한 예측을 위해서는 내화물에 부착된 클링커 코팅의 두께에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 여기에서 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물성을 가진 균일한 두께의 재료로 취급했습니다. 그러나 이 코팅층의 실제 물리적 특성과 두께 분포에 관한 실험 데이터를 사용하여 예측의 신뢰성이 향상될 것입니다.

마지막으로, 그림 13 은 외부 쉘 온도가 화염 영역에서 최고조에 달하고 대략적으로 실험 경향을 따른다는 것을 보여줍니다 [15] . 외부 가마 외피는 다양한 강철 두께, 방사율(외피 착색으로 인한) 및 열 전달 계수(송풍기 간격으로 인한)를 갖고 가마는 가변 내화 두께(에 의한 침식으로 인해)를 갖기 때문에 정확한 비교는 의미가 없습니다. 클링커), 여기에 사용된 가정과 반대입니다. 전체 규모 가마는 또한 차등 코팅 및 내화 침식으로 인한 최대 ±100K의 쉘 온도 각도 변동을 보여줍니다 [15] . 따라서 우리는 그림 13 의 일치 가 실제 가마의 복잡성을 고려할 때 예상할 수 있는 만큼 우수 하다고 믿습니다 .

이 섹션에 제시된 예측은 가마 내부의 열 전달 경로에 대한 다음 그림을 뒷받침합니다. 대부분의 가마 길이에서 장입물은 화염으로부터의 복사와 벽으로부터의 열 전도에 의해 가열되고 있습니다. 장입물이 내화물보다 더 차갑기 때문입니다. 가마가 회전함에 따라 내화물은 화염에 노출될 때 열을 얻고 이를 클링커에 공급합니다( 그림 11 ). 벽의 이 “재생” 작용은 Refs. 9 , 10 및 현재 결과에서 재현되었습니다. 그러나 버너 근처에서 반대 에너지 흐름이 발생합니다( 그림 11 , 작은 x). 여기의 가스는 아직 충분히 뜨겁지 않아 내화물이나 장입물에 에너지를 공급하지 않습니다. 이 영역에서 벽은 다가오는 전하에 의해 열을 얻으므로 고체가 없을 때보다 더 뜨겁게 유지됩니다. 벽과 전하가 대류와 복사에 의해 가스에 열을 공급합니다. 우리는 이것을 “음의 재생” 작용으로 식별할 수 있으며 가마의 더 높은 온도 영역( x  >  15m) 에서 클링커에 의해 흡수된 에너지에 의해 유지됩니다 . 전반적으로 클링커는 x  >  15 m 에서 열을 흡수 하고 0  < x < 15 m 에서 일부를 가스로 되돌려 줍니다.   

이 상호 작용은 간단하지 않으며 쉽게 예상할 수 없습니다. 이는 예를 들어 고체를 액체 연료로 대체하여 화염을 수정하면 열유속 분포를 변경하여 최종 클링커 온도에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 현재의 포괄적인 모델이 제공하는 세부 사항은 가마에서 이러한 변화를 평가하는 데 도움이 될 것입니다.

3.3 . 클링커 온도 및 조성

클링커 온도( 그림 9 )는 가장 높은 화염 온도에 도달하는 축 방향 위치에서 거의 최고조에 달하며 클링커는 약 1780K에서 킬른에 존재하며 이는 시멘트 킬른에서 실험 측정값에 가까운 값입니다 [15] . 초기 및 최종 클링커 조성은 표 2 에 나와 있으며 실제 가마에서 작동 값에 가깝습니다 [15] . 다양한 클링커 성분의 축방향 분포( 그림 14 )는 완전한 하소를 위해 고체 유입구에서 약 25m, C2S, C3A 및 C4AF 생성을 위해 추가로 10m가 소요됨을 보여줍니다. 첫 번째 액체상은 x 에서 발견됩니다.=50m이고 액화는 경험과 일치하는 예측인 매우 직후에 완료됩니다 [17] . 클링커화 반응(R-III)은 모델에서 액체가 나타날 때 시작되는 것으로 가정되었으며, 그림 14 에서 클링커화에는 나머지 길이의 거의 전체가 완료되어야 한다는 것이 분명 합니다. 예측은 전체적으로 시멘트 가마 운영의 경험과 일치하며 여기에 사용된 화학적 및 물리적 매개변수가 현실적인 값을 가지고 있음을 의미합니다.

3.4 . 글로벌 에너지 균형

전지구적 에너지 균형은 기체상(FLOW-3D 및 RAD-3D에 의한)과 소성로 장입 시스템에 대한 솔루션에서 쉽게 계산할 수 있으며 표 4 에 나와 있습니다. CFD 코드는 방사 모듈과 함께 에너지를 약 2%까지 절약합니다. 작은 것으로 간주되는 이 오류는 주로 RAD-3D의 영역 이산화와 Monte-Carlo 계산의 유한한 입자 수로 인해 발생하는 오류에 기인하며 CPU 시간을 희생하여 개선할 수 있습니다. 소성로-클링커 계산의 정확도는 더 나쁩니다. 소성로-클링커 시스템에 입력되는 에너지의 약 10% 오류( rad  + conv )입니다. 이는 수렴된 솔루션이 식 (3) , 그리고 보다 정확한 암시적 솔버에 의해 개선될 수 있습니다.

표 4 . CFD 그리드 및 가마-클링커 조합에 대한 글로벌 에너지 균형

가스(MW)
라드 , 1−2.47
라드 , 2−2.72
큐 라드−57.12
전환0.04
석탄101.2
Δ 가스41.25
균형2.32
가마 클링커
큐 라드57.12
전환−0.04
손실−10.45
Δ H의 CL40.99
균형5.64

에너지 흐름의 정의는 그림 2 를 참조하십시오 .

시멘트 회전식 가마의 에너지 사용에 관한 몇 가지 흥미로운 결론은 표 4 의 결과를 통해 얻을 수 있습니다 . 연소에 의해 방출되는 에너지의 약 40%는 전하 가열 및 클링커 형성에 필요하고 약 10%는 내화물을 통해 대기로 손실됩니다. 나머지의 대부분은 본질적으로 배기 가스와 함께 소성로 밖으로 흐릅니다. 이 중 일부는 소성로 외부의 예비 하소기 및 사이클론에서 회수됩니다. 내부 가마 벽과 장입 온도를 자세히 다루는 여기에 제시된 포괄적인 모델에 의존하지 않고는 국지적 가스 온도를 정확하게 예측하고 이에 따라 향후 연구에서 오염 물질 형성을 예측하는 것이 불가능하다는 것이 분명합니다.

3.5 . 논의

여기에 제시된 회전식 시멘트 가마 작동에 대한 포괄적인 모델의 결과는 합리적이며 실험적으로 관찰된 경향을 재현합니다. 이전 모델링 작업에 비해 이 작업의 주요 이점은 가마에서 발생하는 대부분의 물리적 프로세스를 포함한다는 점입니다. 특히, 가스 온도와 클링커로의 열유속 및 이에 따른 클링커 형성을 결정하는 데 가장 중요한 양인 내벽 온도는 실험 데이터를 사용하여 규정된 것이 아니라 예측되었습니다. 이 특정 기능은 현재 모델을 진정한 예측형으로 만듭니다.

우리는 전체 3차원 문제를 공기역학에 대한 “동등한” 축대칭 문제로 줄이는 방법을 포함했습니다( 식 (2) ). 이를 통해 현재 워크스테이션에서 솔루션을 얻을 수 있습니다. 모델의 모듈식 특성, 즉 공기역학, 복사, 가마 및 장입에 대한 별도의 코드는 해당 모듈만 수정하면 다른 회전 가마 응용 프로그램(예: 소각 및 건조)에도 사용할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 고형 폐기물의 소각은 현재 코드로 모델링할 수 있지만 적절한 화학.

실험 데이터와의 상세한 비교는 이용 가능한 측정이 거의 없고 현지 시멘트 회사에서 제공한 경험적 데이터로 제한되어 매우 어렵습니다 [15] . 비교는 앞서 지적한 바와 같이 출구 클링커 조성과 온도가 산업적 경험( 표 2 ) 이내 이고, 배기 가스 조성은 공장 굴뚝에서 측정된 값에 가깝고(“가짜 공기” 희석을 허용한 후), 가마 외피 온도는 측정 범위 내에 있습니다( 그림 13 ). 이 동의는 모델이 프로세스의 정확한 표현임을 시사합니다.

더 높은 정확도의 예측을 달성하려면 모델의 다양한 부분에서 개선이 필요합니다. 내화물의 정확한 두께(즉, 내화물과 부착된 클링커)를 설정해야 합니다. 이는 가마 벽을 통해 주변으로 열 손실이 발생하여 외부 쉘 온도에 영향을 미치기 때문입니다. 새 내화물이 있는 가마에서 쉘 온도 측정과 자세한 비교가 이루어져야 합니다(불균일한 코팅 두께가 방지되도록). 벽 재료의 물리적 특성(열용량, 밀도, 전도도)의 적절한 값을 사용해야 합니다. 가장 큰 불확실성은 클링커 코팅의 가정된 특성에 관한 것입니다. 내벽 표면의 방사율과 가스의 흡수 계수를 더 자세히 조사해야 합니다. 가마에 입사하는 복사 열유속에 영향을 미치므로 벽 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 클링커의 온도는 사용된 비열 용량에 따라 달라지므로 정확한 평가에 각별한 주의가 필요합니다. 화염의 국지적 온도와 종 구성에 대한 지식은 CFD 코드를 검증하는 데 매우 유용할 것이지만 그러한 적대적인 환경에서 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다.

이러한 모든 잠재적 개선과 모델과 관련된 불확실성에도 불구하고 가마의 모든 에너지 경로가 적절한 세부 사항으로 모델링되었기 때문에 전체 동작은 최소한 질적으로 정확합니다. 클링커 출구 구성, 쉘 온도 및 배기 가스 구성과 같은 중요한 양은 허용 가능한 정확도로 예측됩니다. 이 모델은 버너, 연료 유형, 품질 및 수량, 예비 하소 수준( 표 2 ) 또는 고형물 유량 등의 변경과 같은 많은 상황에서 산업계에 매우 유용할 것으로 예상됩니다 . 소성로 운영자는 최종 클링커 구성이 여전히 허용 가능하고 현재의 포괄적인 모델이 이 방향에 도움이 될 수 있는지 확인해야 합니다.

4 . 결론

실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 석탄 화염과 가마 사이의 열 교환, 가마와 역류 고체 사이의 열 교환, 고형물을 최종 제품(클링커)으로 변환합니다. 방사선에 대한 Monte-Carlo 방법을 포함하는 축대칭 CFD 코드(상용 패키지 FLOW-3D)가 기상에 사용되었습니다. 가마 벽의 온도는 유한 체적 열전도 코드로 계산되었으며 클링커에 대한 종 및 에너지 보존 방정식도 공식화 및 해결되었습니다. 기체 온도 필드에 대한 예측 사이의 반복적인 절차, 벽에 대한 복사 열 유속, 가마 및 클링커 온도는 실험에서 이러한 정보를 사용한 이전 모델링 노력과 달리 내벽 온도 분포를 명시적으로 계산하는 데 사용되었습니다. 접선 좌표에 대한 통합은 CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용되는 “유효” 내벽 온도의 축 분포를 초래했습니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다.

결과는 복사가 가스와 가마 벽 사이의 대부분의 열 전달을 설명하는 반면 내화물을 통한 환경으로의 열 손실은 입력 열의 약 10%를 설명한다는 것을 보여줍니다. 화학 반응과 충전물의 가열은 연소 에너지의 약 40%를 흡수합니다. 따라서 이러한 사항을 반드시 고려해야 합니다. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 얻은 경험과 측정값을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

감사의 말

이 작업은 과학 및 기술을 위한 그리스 사무국 프로젝트 EPET-II/649의 자금 지원을 받았습니다. Mr.P에게 진심으로 감사드립니다. 시멘트 가마에 관한 지침 및 데이터는 그리스 TITAN SA의 Panagiotopoulos에게 문의하십시오.

References
1 S.R. Turns, An Introduction to Combustion, Concepts and Applications, McGraw-Hill, New York, 1996
Google Scholar
2 V. Johansen, T.V. Kouznetsova, Clinker formation and new processes, Presented at the Ninth International Congress on the Chemistry of Cement, India, 1992; also RAMBOLL Bulletin No. 42, 1993
Google Scholar
3 Basel Convention, UNEP Document No. 93-7758, 1993
Google Scholar
4 N.C Markatos
Mathematical modelling of single and two-phase flow problems in the process industries
Revue de l’Institut Français du Pétrole, 48 (1993), p. 631
View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
5 T. Avgeropoulos, J.P. Glekas, C. Papadopoulos, Numerical simulation of the combustion aerodynamics inside a rotary cement kiln, in: Pilavachi (Ed.), Energy Efficiency in Process Technology, Elsevier, London, 1993, p. 767
Google Scholar
6 F.C. Lockwood, B. Shen, T. Lowes, Numerical study of petroleum coke fired cement kiln flames, Presented at the Third International Conference on Combustion Technologies for a Clean Environment, Lisbon, 1995
Google Scholar
7 F.C. Lockwood, B. Shen, Performance predictions of pulverised-coal flames of power station furnace and cement kiln types, Twenty-Fifth Symposium International on Combustion, The Combustion Institute, 1994 p. 503
Google Scholar
8 P.V Barr, J.K Brimacombe, A.P Watkinson
A heat-transfer model for the rotary kiln: Part II, development of the cross-section model
Metallurgical Transactions B, 20B (1989), p. 403
View Record in ScopusGoogle Scholar
9 V Frisch, R Jeschar
Possibilities for optimizing the burning process in rotary cement kilns
Zement-Kalk-Gips, 36 (1983), p. 549
View Record in ScopusGoogle Scholar
10 A.A Boateng, P.V Barr
A thermal model for the rotary kiln including heat transfer within the bed
Int. J. Heat Mass Transfer, 39 (1996), p. 2131
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
11 M.G. Carvahlo, T. Farias, A. Martius, A three-dimensional modelling of the radiative heat transfer in a cement kiln, in: Carvahlo et al. (Eds.), Combustion Technologies for a Clean Environment, Gordon and Breach, London, 1995, p. 146
Google Scholar
12 H.A Spang
A dynamic model of a cement kiln
Automatica, 8 (1972), p. 309
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
13 CFDS, FLOW-3D Users Manual, AEA Harwell, UK
Google Scholar
14 E Mastorakos, J.J McGuirk, A.M.K.P Taylor
The origin of turbulence acquired by heavy particles in a round, turbulent jet
Part. Part. Syst. Charact., 7 (1990), p. 203
View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
15 P. Panagiotopoulos, TITAN S.A. Cement Company, Personal communication, 1996
Google Scholar
16 M.S Murthy, B.R Harish, K.S Rajanandam, K.Y Ajoy Pavan Kumar
Investigation on the kinetics of thermal decomposition of calcium carbonate
Chem. Eng. Sci., 49 (1996), p. 2198
Google Scholar
17 V. Johansen, Cement production and chemistry, Presented at the Symposium on Cement Manufacturing and Chemistry, Anaheim, November 1989; also RAMBOLL Bulletin No. 41, 1993
Google Scholar
1 Also at Department of Mechanical Engineering, University of Patras, Greece.

2 Also at Department of Chemical Engineering, University of Patras, Greece.

여수로 방류에 따른 여수로 바닥 슬래브의 손상 메커니즘 검토

여수로 방류에 따른 여수로 바닥 슬래브의 손상 메커니즘 검토

Examinations of Damage Mechanism on the Chuteway Slabs of Spillway under Various Flow Conditions

  • Yoo, Hyung Ju ;
  • Shin, Dong-Hoon ;
  • Lee, Seung Oh
  • 유형주 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과) ;
  • 신동훈 (K-water연구원 물인프라안전연구소) ;
  • 이승오 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과)
  • Published : 2021.06.03

Abstract

최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로의 유입량이 설계 당시보다 증가하여 댐의 안전성 확보가 필요하다(감사원, 2003). 이에 건설교통부(2003)는 기후변화와 댐 노후화에 대비하여 치수능력증대사업을 추진하여 댐의 홍수배제능력을 확보하였고, 환경부(2020)에서는 40년 이상 경과된 댐을 대상으로 스마트 안전관리체계 구축을 통한 선제적 보수보강, 성능개선 및 자산관리로 댐의 장수명화를 목적으로 댐의 국가안전대진단을 추진하고 있다. 이에 본 연구에서는 댐 시설(여수로)의 노후도 평가 시 활용 될 수 있는 여수로 표면손상 원인규명에 대하여 3차원 수치모형(FLOW-3D 및 COMSOL Multiphysics)을 통해 검토하고자 한다. 연구대상 댐은 𐩒𐩒댐으로 지형 및 여수로를 구축하였으며, 계획방류량(200년 빈도) 및 최대방류량(PMF) 조건에서 모의를 수행하였다. 수치모의 계산의 정확도 검토를 위하여 Baffle의 설치를 통하여 시간에 따른 유량의 변화를 설계 값과 비교하였고 오차가 1.0% 이내를 만족하는 것을 확인하였다. 여수로 표면손상의 다양한 원인 중 기존연구(USBR, 2019)를 통하여 공동침식(Cavitation Erosion) 및 수력잭킹(Hydraulic Jacking)에 초점을 두었으며 방류조건 별 공동지수(Cavitation Index)산정을 통하여 공동침식 위험 구간을 확인하였다. 이음부의 균열 및 공동으로 인한 표층부 콘크리트의 탈락현상을 가속화시키는 수력잭킹 검토를 위하여 국부모형을 구축하였고 음압력(Negative Pressure), 정체압력(Stagnation Pressure), 양압력(Uplift Pressure)의 분포를 확인하였다. 최종적으로 COMSOL Multiphysics를 통하여 압력분포에 따른 구조해석을 수행하여 폰 미세스(Von Mises) 등가응력 및 변위를 검토하여 콘크리트의 탈락가능성을 확인하였다. 본 연구는 여수로 공동부 및 균열부에서의 손상메커니즘을 확인할 수 있는 기초적인 연구이지만 향후에는 다양한 지형조건 및 흐름조건에서의 압력분포 분석 및 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)모의를 수행한다면 구조물 노후도 및 잔존수명 평가에 필요한 손상한계함수 도출이 가능할 것으로 기대된다.

Keywords

그림 3. 수중 4차 횡파 영향

Validation of Sloshing Simulations in Narrow Tanks

This case study was contributed by Peter Arnold, Minerva Dynamics.

이 작업의 목적은 FLOW-3D  를 검증하는 것입니다. 밀폐된 좁은 스팬 직사각형 탱크의 출렁거림 문제에 대비하여 탱크의 내부 파동 공명 주기에 가깝거나 같은 주기로 롤 운동을 하여 측면 및 지붕 파동 충격 이벤트가 발생합니다.

탱크는 물이나 해바라기 기름으로 두 가지 다른 수준으로 채워졌고 위의 공간은 공기로 채워졌습니다. 압력 센서는 여러 장소의 벽에 설치되었으며 처음 4개의 출렁이는 기간 동안 기록된 롤 각도와 시간 이력이 있습니다. 오일을 사용하는 경우의 흐름은 레이놀즈 수가 1748인 층류인 반면, 물로 채워진 경우의 흐름은 레이놀즈 수가 97546인 난류입니다. 

CFD 시뮬레이션은 탱크의 고조파 롤 운동을 복제하기 위해 본체력 방법을 사용했으며, 난류 및 공기 압축성을 설명하기 위해 다른 모델링 가정과 함께 그리드 의존성 테스트를 수행했습니다.

The objective of this work is to validate FLOW-3D against a sloshing problem in a sealed narrow span rectangular tank, subjected to roll motion at periods close to or equal to the tank’s internal wave resonance period, such that side and roof wave impact events occur. The tank was filled to two different levels with water or sunflower oil, with the space above filled by air. Pressure sensors were installed in the walls at several places and their time histories, along with the roll angle, recorded for the first four sloshing periods. For the cases using oil, the flow is laminar with a Reynolds number of 1748, while for the cases filled with water the flow is turbulent with a Reynolds number of 97546. The CFD simulations used the body force method to replicate the harmonic roll motion of the tank, while grid dependence tests were performed along with different modelling assumptions to account for turbulence and air compressibility.

Experimental Problem Setup

원래 실험은 Souto-Iglesias 및 Botia-Vera[1]에 의해 수행되었으며 모든 실험 데이터 파일은 문제 설명, 비디오 및 불확실성 분석과 함께 사용할 수 있습니다. 그림 1에 표시된 형상은 길이 900mm, 높이 508mm, 스팬 62mm의 직사각형 탱크로 구성되어 있으며 물이나 해바라기 기름으로 93mm 또는 355.3mm로 채워져 있으므로 4가지 경우가 고려됩니다. 탱크 벽과 같은 높이로 설치된 압력 센서의 위치도 표시됩니다. 탱크 회전 중심은 수평에 대한 회전 각도와 함께 그림 1에 나와 있습니다. 각 실험 실행은 반복성을 평가할 수 있도록 100번 수행되었습니다.

The original experiment was performed by Souto-Iglesias and Botia-Vera [1] and all experimental data files are available along with problem description, videos and an uncertainty analysis. The geometry shown in Fig. 1 consists of a rectangular tank of 900mm length, 508mm height and 62mm span, filled to either 93mm or 355.3 mm with either water or sunflower oil, hence four cases are considered. The locations of the pressure sensors that were installed flush with the tank walls are also shown. The tank rotation center is shown in Fig. 1, along with the rotation angle relative to the horizontal. Each of the experimental runs was performed 100 times to enable their repeatability to be assessed.

Tank dimensions and locations of pressure sensors
Figure 1. Tank dimensions and locations of pressure sensors

Numerical Simulation

문제는 FLOW-3D 내에서 비관성 기준 좌표계 모델을 사용하여 비교적 간단하게 설정할 수 있으며  , 이는 로컬 기준 좌표계의 가속도에 따라 유체에 체력 을 적용합니다. Z축 회전 속도는 탱크의 롤 운동을 시뮬레이션하기 위한 주기 함수로 정의되었으며 음의 수직 방향으로 작용하는 일정한 중력이 가해졌습니다.

메쉬 미세화, 운동량 이류에 대한 수치 근사 순서, 층류 대 난류 모델 및 탱크 내 공기에 대한 세 가지 다른 처리(즉, 일정 압력, 압축성 기체 및 비압축성 기체)와 같은 것을 조사하기 위해 여러 시뮬레이션을 수행했습니다.

93mm 깊이로 채워진 모든 케이스에 대해 압력은 압력 센서 P1에서만 실험 값과 비교되었으며, 355.3mm 깊이로 채워진 모든 케이스에서는 P3 센서의 데이터만 비교되었습니다.

The problem was relatively simple to set up using the non-inertial reference frame model within FLOW-3D, which applies a body force to the fluid depending on the acceleration of the local reference frame. The Z axis rotational velocity was defined as a periodic function to simulate a roll motion of the tank, and a constant gravity force acting in the negative vertical direction was applied.

Multiple simulations were performed to investigate such things as mesh refinement, the numerical approximation order for momentum advection, laminar versus turbulent models and three different treatments for the air in the tank (i.e., constant pressure, compressible gas and incompressible gas).

For all 93mm depth-filled cases, the pressure was compared to the experimental values at pressure sensor P1 only, while for all 355.3mm depth-filled cases, only data at the P3 sensor was compared.

Results

P1에서 측정된 측면 워터 슬로싱에 대한 메쉬 해상도의 영향은 그림 2에서 볼 수 있습니다. 피크 값 예측 측면에서 특별한 편향을 보이지 않습니다. 모든 측면 사례에서 초기 피크 직후의 압력은 시뮬레이션에서 일관되게 과대 평가되었습니다. 모든 메쉬는 피크의 타이밍 측면에서 우수한 일치를 보입니다. 100회 실행에서 보고된 실험 시간 기록은 평균 값에 가장 가까운 최고 압력을 가진 기록입니다.

The effect of mesh resolution on lateral water sloshing measured at P1 is seen in Fig. 2. It shows no particular bias in terms of the prediction of peak values. In all the Lateral cases, the pressures immediately after the initial peaks are consistently over estimated in the simulations. All meshes have excellent agreement in terms of the timing of the peaks. The experimental time histories reported from the 100 runs made are those with peak pressures closest to the average values.

Lateral water case
Figure 2. Tank dimensions and locations of pressure sensors

실험 결과의 반복성은 Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera[1]에 의해 각 테스트를 100번 실행하고 처음 4개의 피크 압력의 평균 및 표준 편차를 측정하여 평가했습니다. CFD 실행이 다른 실험 실행으로 간주되는 경우 오류 막대 내에 있을 확률이 95%입니다. 그러나 CFD 결과의 16개 피크 압력 중 9개만 실험 결과의 2 표준 편차 내에 있으므로 CFD 모델이 실험을 대표하지 않거나 피크 압력이 정규 분포를 따르지 않는다는 결론을 내려야 합니다.

어쨌든 표준 편차는 피크 자체에 비해 상당히 크며, 수성 케이스와 측면 오일의 비율이 가장 작은 피크 값에 대한 표준 편차의 비율이 가장 큰 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 그림 1과 2에서 볼 수 있는 벽 충격 역학의 복잡성을 고려할 때 그리 놀라운 일이 아닙니다. 3,4.

The repeatability of the experimental results was assessed by Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera [1] running each test 100 times and measuring the average and standard deviation of the first four peak pressures. If a CFD run is considered to be another experimental run there is a 95% chance it will lie within the error bars. However, only nine of the 16 peak pressures from the CFD results fall within two standard deviations of the experimental results, so we must conclude that either the CFD model is not representative of the experiment or that the peak pressures are not normally distributed.

In any event, the standard deviations are quite large compared to the peaks themselves, with the largest ratio of standard deviation to peak values occurring for the water-based cases and the lateral oil having the smallest ratio. These results are perhaps not too surprising when one considers the complexity of the wall impact dynamics as seen in Figs. 3,4.

Lateral Wave Impact in Water
Figure 3. 4th Lateral Wave Impact in Water
Wave Impact of Water on Roof
Figure 4. 4th Wave Impact of Water on Roof

Conclusions

좁은 탱크 슬로싱 문제의 네 가지 구성은 자유 표면 흐름을 위해 설계된 상용 CFD 코드를 사용하여 수치적으로 시뮬레이션되었습니다. 대략 2 X 10 3  및 1 X 10 5 의 Reynolds 수에 해당하는 두 가지 다른 유체  와 두 가지 유체 깊이가 네 가지 경우를 정의하는 데 사용되었습니다. 4가지 경우 모두에 대해 메쉬 셀 크기 독립성 테스트를 수행했지만 메쉬 해상도가 증가함에 따라 실험 결과에 대해 약한 수렴만 발견되었습니다. 조사는 또한 두 가지 다른 운동량 이류 수치 차분 계획을 테스트했으며 두 번째 방법을 사용하여 더 가까운 일치를 발견했습니다 1차 체계를 사용하는 것보다 차수 단조성 보존 체계. 기본 층류 흐름을 포함한 세 가지 난류 모델이 테스트되었지만 더 낮은 계산 비용으로 인해 층류 이외의 모델에 대한 선호도가 발견되지 않았습니다. 실험 데이터와 공기 감소 일치의 압축성을 포함하여 그 이유는 불분명합니다.

실험 압력 프로브 시간 이력 데이터 세트에는 100회 반복 테스트에서 파생된 각 압력 피크에 대해 100개의 값이 포함되어 있으므로 CFD 시뮬레이션과의 일치의 통계적 유의성을 조사할 수 있었습니다. 수치 시뮬레이션과 실험 모두 출렁이는 파동 충격에 해당하는 매우 가파른 압력 펄스를 발생시켰고 실험 결과는 피크 값에서 높은 정도의 자연적 변동성을 갖는 것으로 나타났습니다. CFD 시뮬레이션의 감도 테스트(예: 약간 다른 초기 시작 조건 사용)는 공식적으로 수행되지 않았지만 수치 솔루션은 또한 다른 메쉬, 차분 체계 및 난류 모델,

모든 경우에 압력 피크가 발생하는 수치해의 타이밍은 매우 정확함을 알 수 있었다. 그러나 가장 난이도가 낮은 Lateral Oil의 경우에도 압력 피크와 바로 뒤따르는 압력 값이 과대 평가되어 수치 모델링의 단점이 나타났습니다. 실험적 피크 압력 변동성을 고려할 때 CFD 생성 값은 CFD 솔루션이 통계적 유의성을 나타내기 위해 필요한 15개 이상이 아니라 16개 피크 중 9개에서 2개의 표준편차 한계 내에 떨어졌습니다. 실험을 대표했다. 이것은 피크가 정규 분포를 따르지 않거나 CFD 모델이 피크를 예측하는 데 어떤 식으로든 결함이 있음을 나타냅니다.

Four configurations of a narrow tank sloshing problem were numerically simulated using a commercial CFD code designed for free surface flow. Two different fluids corresponding to Reynolds numbers of approximately 2 X 103 and 1 X 105 and two fluid depths were used to define the four cases. Mesh cell size independence tests were conducted for all four cases, but only a weak convergence towards the experimental results with increasing mesh resolution was found. The investigation also tested two different momentum advection numerical differencing schemes and found closer agreement using the 2nd order monotonicity preserving scheme than by using a first order scheme. Three turbulence models, including the default laminar flow, were tested but no preference was found for any model other than the laminar by virtue of its lower computational cost. Including the compressibility of the air-reduced agreement with the experimental data, the reasons for this are unclear.

The experimental pressure probe time history data sets included 100 values for each of the pressure peaks derived from 100 repeat tests, and thus we were able to examine the statistical significance of the agreement with the CFD simulations. Both the numerical simulations and the experiments gave rise to very steep pressure pulses corresponding to the sloshing wave impacts, and the experimental results were found to have a high degree of natural variability in the peak values. Although sensitivity tests of the CFD simulations (using, for example, slightly different initial starting conditions) were not formally conducted, the numerical solutions also showed a high degree of variability in the pressure peak magnitudes resulting from the use of different meshes, differencing schemes and turbulence models, which could be considered to show that the numerical solution also had a high degree of natural variability.

In all cases, the numerical solutions’ timing of the occurrence of the pressure peaks were found to be very accurate. However, even for the least challenging Lateral Oil case, the pressure peaks and the immediately following pressure values were overestimated, which indicated a shortcoming in the numerical modelling. When the experimental peak pressure variability was taken into account, the CFD-generated values fell inside the two Standard Deviation margin in nine of the 16 peaks rather than the 15 or more that would be required to show statistical significance in the sense that the CFD solution was representative of the experiment. This indicates that either the peaks are not normally distributed and/or the CFD model is in some way deficient at predicting them. Further work is required to establish how the peak pressures are distributed and/or to establish the physical reasons why the CFD model is overestimating the pressure peaks for even the least challenging Lateral Oil configuration.

References

  1. Spheric Benchmark Test Case, Sloshing Wave Impact Problem, Antonio Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera, https://wiki.manchester.ac.uk/spheric/index.php/Test10
  2. Peregrine DH (1993). Water-wave impact on walls. Annual Review of Fluid Mechanics. Vol 35, pp 23-43.

Editor’s Note

The complete document from which this note was extracted and the related data and input files are available on our Users Site. Readers are encouraged to read the original validation to get a full appreciation of the detail in this work investigating comparisons between simulation and experimental data. This study is especially noteworthy since it deals with highly non-linear sloshing of fluids interacting with the boundaries of a confining tank.

With regard to the author’s conclusions, it should be mentioned that the over prediction of fluid impact pressures in simulations could be the result of not allowing for sufficient compressibility effects in the liquids. For instance, in Fig. 3, it appears that there has been some air entrained in the liquid near the side wall. Also, negative pressures (i.e., below atmospheric) recorded experimentally might result from liquid drops remaining on the pressure sensors after the main body of liquid has drained away. Such details, which may be hard to quantify, only emphasize the difficulties involved in undertaking detailed validation studies. The author is commended for his excellent work.

Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

Effect of carrier gases on the entrainment defects within AZ91 alloy castings

Tian Liab J.M.T.Daviesa Xiangzhen Zhuc
aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF6/CO2, SF6/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

Keywords

Magnesium alloyCastingOxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주조로 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF 6 /CO2 , SF 6 / 공기). AZ91 합금에 포함된 엔트레인먼트 결함의 진화 과정은 미세조직 검사 및 열역학적 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

키워드

마그네슘 합금주조Oxide film, Bifilm, Entrainment 불량, 재현성

1 . 소개

지구상에서 가장 가벼운 구조용 금속인 마그네슘은 지난 수십 년 동안 가장 매력적인 경금속 중 하나가 되었습니다. 결과적으로 마그네슘 산업은 지난 20년 동안 급속한 발전을 경험했으며 [1 , 2] , 이는 전 세계적으로 Mg 합금에 대한 수요가 크게 증가했음을 나타냅니다. 오늘날 Mg 합금의 사용은 자동차, 항공 우주, 전자 등의 분야에서 볼 수 있습니다. [3 , 4] . Mg 금속의 전 세계 소비는 특히 자동차 산업에서 앞으로 더욱 증가할 것으로 예측되었습니다. 기존 자동차와 전기 자동차 모두의 에너지 효율성 요구 사항이 설계를 경량화하도록 더욱 밀어붙이기 때문입니다 [3 , 56] .

Mg 합금에 대한 수요의 지속적인 성장은 Mg 합금 주조의 품질 및 기계적 특성 개선에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. Mg 합금 주조 공정 동안 용융물의 표면 난류는 소량의 주변 대기를 포함하는 이중 표면 필름의 포획으로 이어질 수 있으므로 동반 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)을 형성합니다. ) [7] , [8] , [9] , [10] . 무작위 크기, 수량, 방향 및 연행 결함의 배치는 주조 특성의 변화와 관련된 중요한 요인으로 널리 받아들여지고 있습니다 [7] . 또한 Peng et al. [11]AZ91 합금 용융물에 동반된 산화물 필름이 Al 8 Mn 5 입자에 대한 필터 역할을 하여 침전될 때 가두는 것을 발견했습니다 . Mackie et al. [12]는 또한 동반된 산화막이 금속간 입자를 트롤(trawl)하는 작용을 하여 입자가 클러스터링되어 매우 큰 결함을 형성할 수 있다고 제안했습니다. 금속간 화합물의 클러스터링은 비말동반 결함을 주조 특성에 더 해롭게 만들었습니다.

연행 결함에 관한 이전 연구의 대부분은 Al-합금에 대해 수행되었으며 [7 , [13] , [14] , [15] , [16] , [17] , [18] 몇 가지 잠재적인 방법이 제안되었습니다. 알루미늄 합금 주물의 품질에 대한 부정적인 영향을 줄이기 위해. Nyahumwa et al., [16] 은 연행 결함 내의 공극 체적이 열간 등방압 압축(HIP) 공정에 의해 감소될 수 있음을 보여줍니다. Campbell [7] 은 결함 내부의 동반된 가스가 주변 용융물과의 반응으로 인해 소모될 수 있다고 제안했으며, 이는 Raiszedeh와 Griffiths [19]에 의해 추가로 확인되었습니다 ..혼입 가스 소비가 Al-합금 주물의 기계적 특성에 미치는 영향은 [8 , 9]에 의해 조사되었으며 , 이는 혼입 가스의 소비가 주조 재현성의 개선을 촉진함을 시사합니다.

Al-합금 내 결함에 대한 조사와 비교하여 Mg-합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적입니다. 연행 결함의 존재는 Mg 합금 주물 [20 , 21] 에서 입증 되었지만 그 거동, 진화 및 연행 가스 소비는 여전히 명확하지 않습니다.

Mg 합금 주조 공정에서 용융물은 일반적으로 마그네슘 점화를 피하기 위해 커버 가스로 보호됩니다. 따라서 모래 또는 매몰 몰드의 공동은 용융물을 붓기 전에 커버 가스로 세척해야 합니다 [22] . 따라서, Mg 합금 주물 내의 연행 가스는 공기만이 아니라 주조 공정에 사용되는 커버 가스를 포함해야 하며, 이는 구조 및 해당 연행 결함의 전개를 복잡하게 만들 수 있습니다.

SF 6 은 Mg 합금 주조 공정에 널리 사용되는 대표적인 커버 가스입니다 [23] , [24] , [25] . 이 커버 가스는 유럽의 마그네슘 합금 주조 공장에서 사용하도록 제한되었지만 상업 보고서에 따르면 이 커버는 전 세계 마그네슘 합금 산업, 특히 다음과 같은 글로벌 마그네슘 합금 생산을 지배한 국가에서 여전히 인기가 있습니다. 중국, 브라질, 인도 등 [26] . 또한, 최근 학술지 조사에서도 이 커버가스가 최근 마그네슘 합금 연구에서 널리 사용된 것으로 나타났다 [27] . SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, 액체 Mg 합금과 SF 6 사이의 반응Cover gas)에 대한 연구는 여러 선행연구자들에 의해 이루어졌으나 표면 산화막의 형성과정이 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 일부 발표된 결과들도 상충되고 있다. 1970년대 초 Fruehling [28] 은 SF 6 아래에 형성된 표면 피막이 주로 미량의 불화물과 함께 MgO 임을 발견 하고 SF 6 이 Mg 합금 표면 피막에 흡수 된다고 제안했습니다 . Couling [29] 은 흡수된 SF 6 이 Mg 합금 용융물과 반응하여 MgF 2 를 형성함을 추가로 확인했습니다 . 지난 20년 동안 아래에 자세히 설명된 것처럼 Mg 합금 표면 필름의 다양한 구조가 보고되었습니다.(1)

단층 필름 . Cashion [30 , 31] 은 X선 광전자 분광법(XPS)과 오제 분광법(AES)을 사용하여 표면 필름을 MgO 및 MgF 2 로 식별했습니다 . 그는 또한 필름의 구성이 두께와 전체 실험 유지 시간에 걸쳐 일정하다는 것을 발견했습니다. Cashion이 관찰한 필름은 10분에서 100분의 유지 시간으로 생성된 단층 구조를 가졌다.(2)

이중층 필름 . Aarstad et. al [32] 은 2003년에 이중층 표면 산화막을 보고했습니다. 그들은 예비 MgO 막에 부착된 잘 분포된 여러 MgF 2 입자를 관찰 하고 전체 표면적의 25-50%를 덮을 때까지 성장했습니다. 외부 MgO 필름을 통한 F의 내부 확산은 진화 과정의 원동력이었습니다. 이 이중층 구조는 Xiong의 그룹 [25 , 33] 과 Shih et al. 도 지지했습니다 . [34] .(삼)

트리플 레이어 필름 . 3층 필름과 그 진화 과정은 Pettersen [35]에 의해 2002년에 보고되었습니다 . Pettersen은 초기 표면 필름이 MgO 상이었고 F의 내부 확산에 의해 점차적으로 안정적인 MgF 2 상 으로 진화한다는 것을 발견했습니다 . 두꺼운 상부 및 하부 MgF 2 층.(4)

산화물 필름은 개별 입자로 구성 됩니다. Wang et al [36] 은 Mg-alloy 표면 필름을 SF 6 커버 가스 하에서 용융물에 교반 한 다음 응고 후 동반된 표면 필름을 검사했습니다. 그들은 동반된 표면 필름이 다른 연구자들이 보고한 보호 표면 필름처럼 계속되지 않고 개별 입자로 구성된다는 것을 발견했습니다. 젊은 산화막은 MgO 나노 크기의 산화물 입자로 구성되어 있는 반면, 오래된 산화막은 한쪽 면에 불화물과 질화물이 포함된 거친 입자(평균 크기 약 1μm)로 구성되어 있습니다.

Mg 합금 용융 표면의 산화막 또는 동반 가스는 모두 액체 Mg 합금과 커버 가스 사이의 반응으로 인해 형성되므로 Mg 합금 표면막에 대한 위에서 언급한 연구는 진화에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 연행 결함. 따라서 SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, Mg-합금 표면 필름의 형성)은 해당 동반 결함의 잠재적인 복잡한 진화 과정을 나타냅니다.

그러나 Mg 합금 용융물에 표면 필름을 형성하는 것은 용융물에 잠긴 동반된 가스의 소비와 다른 상황에 있다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 앞서 언급한 연구에서 표면 성막 동안 충분한 양의 커버 가스가 담지되어 커버 가스의 고갈을 억제했습니다. 대조적으로, Mg 합금 용융물 내의 동반된 가스의 양은 유한하며, 동반된 가스는 완전히 고갈될 수 있습니다. Mirak [37] 은 3.5% SF 6 /기포를 특별히 설계된 영구 금형에서 응고되는 순수한 Mg 합금 용융물에 도입했습니다. 기포가 완전히 소모되었으며, 해당 산화막은 MgO와 MgF 2 의 혼합물임을 알 수 있었다.. 그러나 Aarstad [32] 및 Xiong [25 , 33]에 의해 관찰된 MgF 2 스팟 과 같은 핵 생성 사이트 는 관찰되지 않았습니다. Mirak은 또한 조성 분석을 기반으로 산화막에서 MgO 이전에 MgF 2 가 형성 되었다고 추측했는데 , 이는 이전 문헌에서 보고된 표면 필름 형성 과정(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)과 반대 입니다. Mirak의 연구는 동반된 가스의 산화막 형성이 표면막의 산화막 형성과 상당히 다를 수 있음을 나타내었지만 산화막의 구조와 진화에 대해서는 밝히지 않았습니다.

또한 커버 가스에 캐리어 가스를 사용하는 것도 커버 가스와 액체 Mg 합금 사이의 반응에 영향을 미쳤습니다. SF 6 /air 는 용융 마그네슘의 점화를 피하기 위해 SF 6 /CO 2 운반 가스 [38] 보다 더 높은 함량의 SF 6을 필요로 하여 다른 가스 소비율을 나타냅니다. Liang et.al [39] 은 CO 2 가 캐리어 가스로 사용될 때 표면 필름에 탄소가 형성된다고 제안했는데 , 이는 SF 6 /air 에서 형성된 필름과 다릅니다 . Mg 연소 [40]에 대한 조사 에서 Mg 2 C 3 검출이 보고되었습니다.CO 2 연소 후 Mg 합금 샘플 에서 이는 Liang의 결과를 뒷받침할 뿐만 아니라 이중 산화막 결함에서 Mg 탄화물의 잠재적 형성을 나타냅니다.

여기에 보고된 작업은 다양한 커버 가스(즉, SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 )로 보호되는 AZ91 Mg 합금 주물에서 형성된 연행 결함의 거동과 진화에 대한 조사 입니다. 이러한 캐리어 가스는 액체 Mg 합금에 대해 다른 보호성을 가지며, 따라서 상응하는 동반 가스의 다른 소비율 및 발생 프로세스와 관련될 수 있습니다. AZ91 주물의 재현성에 대한 동반 가스 소비의 영향도 연구되었습니다.

2 . 실험

2.1 . 용융 및 주조

3kg의 AZ91 합금을 700 ± 5 °C의 연강 도가니에서 녹였습니다. AZ91 합금의 조성은 표 1 에 나타내었다 . 가열하기 전에 잉곳 표면의 모든 산화물 스케일을 기계가공으로 제거했습니다. 사용 된 커버 가스는 0.5 %이었다 SF 6 / 공기 또는 0.5 % SF 6 / CO 2 (부피. %) 다른 주물 6L / 분의 유량. 용융물은 15분 동안 0.3L/min의 유속으로 아르곤으로 가스를 제거한 다음 [41 , 42] , 모래 주형에 부었습니다. 붓기 전에 샌드 몰드 캐비티를 20분 동안 커버 가스로 플러싱했습니다 [22] . 잔류 용융물(약 1kg)이 도가니에서 응고되었습니다.

표 1 . 본 연구에 사용된 AZ91 합금의 조성(wt%).

아연미네소타마그네슘
9.40.610.150.020.0050.0017잔여

그림 1 (a)는 러너가 있는 주물의 치수를 보여줍니다. 탑 필링 시스템은 최종 주물에서 연행 결함을 생성하기 위해 의도적으로 사용되었습니다. Green과 Campbell [7 , 43] 은 탑 필링 시스템이 바텀 필링 시스템에 비해 주조 과정에서 더 많은 연행 현상(즉, 이중 필름)을 유발한다고 제안했습니다. 이 금형의 용융 흐름 시뮬레이션(Flow-3D 소프트웨어)은 연행 현상에 관한 Reilly의 모델 [44] 을 사용하여 최종 주조에 많은 양의 이중막이 포함될 것이라고 예측했습니다( 그림 1 에서 검은색 입자로 표시됨) . NS).

그림 1

수축 결함은 또한 주물의 기계적 특성과 재현성에 영향을 미칩니다. 이 연구는 주조 품질에 대한 이중 필름의 영향에 초점을 맞추었기 때문에 수축 결함이 발생하지 않도록 금형을 의도적으로 설계했습니다. ProCAST 소프트웨어를 사용한 응고 시뮬레이션은 그림 1c 와 같이 최종 주조에 수축 결함이 포함되지 않음을 보여주었습니다 . 캐스팅 건전함도 테스트바 가공 전 실시간 X-ray를 통해 확인했다.

모래 주형은 1wt를 함유한 수지 결합된 규사로 만들어졌습니다. % PEPSET 5230 수지 및 1wt. % PEPSET 5112 촉매. 모래는 또한 억제제로 작용하기 위해 2중량%의 Na 2 SiF 6 을 함유했습니다 .. 주입 온도는 700 ± 5 °C였습니다. 응고 후 러너바의 단면을 Sci-Lab Analytical Ltd로 보내 H 함량 분석(LECO 분석)을 하였고, 모든 H 함량 측정은 주조 공정 후 5일째에 실시하였다. 각각의 주물은 인장 강도 시험을 위해 클립 신장계가 있는 Zwick 1484 인장 시험기를 사용하여 40개의 시험 막대로 가공되었습니다. 파손된 시험봉의 파단면을 주사전자현미경(SEM, Philips JEOL7000)을 이용하여 가속전압 5~15kV로 조사하였다. 파손된 시험 막대, 도가니에서 응고된 잔류 Mg 합금 및 주조 러너를 동일한 SEM을 사용하여 단면화하고 연마하고 검사했습니다. CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM을 사용하여 FIB(집속 이온 빔 밀링 기술)에 의해 테스트 막대 파괴 표면에서 발견된 산화막의 단면을 노출했습니다. 분석에 필요한 산화막은 백금층으로 코팅하였다. 그런 다음 30kV로 가속된 갈륨 이온 빔이 산화막의 단면을 노출시키기 위해 백금 코팅 영역을 둘러싼 재료 기판을 밀링했습니다. 산화막 단면의 EDS 분석은 30kV의 가속 전압에서 FIB 장비를 사용하여 수행되었습니다.

2.2 . 산화 세포

전술 한 바와 같이, 몇몇 최근 연구자들은 마그네슘 합금의 용탕 표면에 형성된 보호막 조사 [38 , 39 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] , [52 ] . 이 실험 동안 사용된 커버 가스의 양이 충분하여 커버 가스에서 불화물의 고갈을 억제했습니다. 이 섹션에서 설명하는 실험은 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화를 연구하기 위해 커버 가스의 공급을 제한하는 밀봉된 산화 셀을 사용했습니다. 산화 셀에 포함된 커버 가스는 큰 크기의 “동반된 기포”로 간주되었습니다.

도 2에 도시된 바와 같이 , 산화셀의 본체는 내부 길이가 400mm, 내경이 32mm인 폐쇄형 연강관이었다. 수냉식 동관을 전지의 상부에 감았습니다. 튜브가 가열될 때 냉각 시스템은 상부와 하부 사이에 온도 차이를 만들어 내부 가스가 튜브 내에서 대류하도록 했습니다. 온도는 도가니 상단에 위치한 K형 열전대로 모니터링했습니다. Nieet al. [53] 은 Mg 합금 용융물의 표면 피막을 조사할 때 SF 6 커버 가스가 유지로의 강철 벽과 반응할 것이라고 제안했습니다 . 이 반응을 피하기 위해 강철 산화 전지의 내부 표면(그림 2 참조)) 및 열전대의 상반부는 질화붕소로 코팅되었습니다(Mg 합금은 질화붕소와 ​​접촉하지 않았습니다).

그림 2

실험 중에 고체 AZ91 합금 블록을 산화 셀 바닥에 위치한 마그네시아 도가니에 넣었습니다. 전지는 1L/min의 가스 유속으로 전기 저항로에서 100℃로 가열되었다. 원래의 갇힌 대기(즉, 공기)를 대체하기 위해 셀을 이 온도에서 20분 동안 유지했습니다. 그런 다음, 산화 셀을 700°C로 더 가열하여 AZ91 샘플을 녹였습니다. 그런 다음 가스 입구 및 출구 밸브가 닫혀 제한된 커버 가스 공급 하에서 산화를 위한 밀폐된 환경이 생성되었습니다. 그런 다음 산화 전지를 5분 간격으로 5분에서 30분 동안 700 ± 10°C에서 유지했습니다. 각 유지 시간이 끝날 때 세포를 물로 켄칭했습니다. 실온으로 냉각한 후 산화된 샘플을 절단하고 연마한 다음 SEM으로 검사했습니다.

3 . 결과

3.1 . SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함의 구조 및 구성

0.5 % SF의 커버 가스 하에서 AZ91 주물에 형성된 유입 결함의 구조 및 조성 6 / 공기는 SEM 및 EDS에 의해 관찰되었다. 결과는 그림 3에 스케치된 엔트레인먼트 결함의 두 가지 유형이 있음을 나타냅니다 . (1) 산화막이 전통적인 단층 구조를 갖는 유형 A 결함 및 (2) 산화막이 2개 층을 갖는 유형 B 결함. 이러한 결함의 세부 사항은 다음에 소개되었습니다. 여기에서 비말동반 결함은 생물막 또는 이중 산화막으로도 알려져 있기 때문에 B형 결함의 산화막은 본 연구에서 “다층 산화막” 또는 “다층 구조”로 언급되었습니다. “이중 산화막 결함의 이중층 산화막”과 같은 혼란스러운 설명을 피하기 위해.

그림 3

그림 4 (ab)는 약 0.4μm 두께의 조밀한 단일층 산화막을 갖는 Type A 결함을 보여줍니다. 이 필름에서 산소, 불소, 마그네슘 및 알루미늄이 검출되었습니다( 그림 4c). 산화막은 마그네슘과 알루미늄의 산화물과 불화물의 혼합물로 추측됩니다. 불소의 검출은 동반된 커버 가스가 이 결함의 형성에 포함되어 있음을 보여주었습니다. 즉, Fig. 4 (a)에 나타난 기공 은 수축결함이나 수소기공도가 아니라 연행결함이었다. 알루미늄의 검출은 Xiong과 Wang의 이전 연구 [47 , 48] 와 다르며 , SF 6으로 보호된 AZ91 용융물의 표면 필름에 알루미늄이 포함되어 있지 않음을 보여주었습니다.커버 가스. 유황은 원소 맵에서 명확하게 인식할 수 없었지만 해당 ESD 스펙트럼에서 S-피크가 있었습니다.

그림 4

도 5 (ab)는 다층 산화막을 갖는 Type B 엔트레인먼트 결함을 나타낸다. 산화막의 조밀한 외부 층은 불소와 산소가 풍부하지만( 그림 5c) 상대적으로 다공성인 내부 층은 산소만 풍부하고(즉, 불소가 부족) 부분적으로 함께 성장하여 샌드위치 모양을 형성합니다. 구조. 따라서 외층은 불화물과 산화물의 혼합물이며 내층은 주로 산화물로 추정된다. 황은 EDX 스펙트럼에서만 인식될 수 있었고 요소 맵에서 명확하게 식별할 수 없었습니다. 이는 커버 가스의 작은 S 함량(즉, SF 6 의 0.5% 부피 함량 때문일 수 있음)커버 가스). 이 산화막에서는 이 산화막의 외층에 알루미늄이 포함되어 있지만 내층에서는 명확하게 검출할 수 없었다. 또한 Al의 분포가 고르지 않은 것으로 보입니다. 결함의 우측에는 필름에 알루미늄이 존재하지만 그 농도는 매트릭스보다 높은 것으로 식별할 수 없음을 알 수 있다. 그러나 결함의 왼쪽에는 알루미늄 농도가 훨씬 높은 작은 영역이 있습니다. 이러한 알루미늄의 불균일한 분포는 다른 결함(아래 참조)에서도 관찰되었으며, 이는 필름 내부 또는 아래에 일부 산화물 입자가 형성된 결과입니다.

그림 5

무화과 도 4 및 5 는 SF 6 /air 의 커버 가스 하에 주조된 AZ91 합금 샘플에서 형성된 연행 결함의 횡단면 관찰을 나타낸다 . 2차원 단면에서 관찰된 수치만으로 연행 결함을 특성화하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 더 많은 이해를 돕기 위해 테스트 바의 파단면을 관찰하여 엔트레인먼트 결함(즉, 산화막)의 표면을 더 연구했습니다.

Fig. 6 (a)는 SF 6 /air 에서 생산된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면을 보여준다 . 파단면의 양쪽에서 대칭적인 어두운 영역을 볼 수 있습니다. 그림 6 (b)는 어두운 영역과 밝은 영역 사이의 경계를 보여줍니다. 밝은 영역은 들쭉날쭉하고 부서진 특징으로 구성되어 있는 반면, 어두운 영역의 표면은 비교적 매끄럽고 평평했습니다. 또한 EDS 결과( Fig. 6 c-d 및 Table 2) 불소, 산소, 황 및 질소는 어두운 영역에서만 검출되었으며, 이는 어두운 영역이 용융물에 동반된 표면 보호 필름임을 나타냅니다. 따라서 어두운 영역은 대칭적인 특성을 고려할 때 연행 결함이라고 제안할 수 있습니다. Al-합금 주조물의 파단면에서 유사한 결함이 이전에 보고되었습니다 [7] . 질화물은 테스트 바 파단면의 산화막에서만 발견되었지만 그림 1과 그림 4에 표시된 단면 샘플에서는 검출되지 않았습니다 4 및 5 . 근본적인 이유는 이러한 샘플에 포함된 질화물이 샘플 연마 과정에서 가수분해되었을 수 있기 때문입니다 [54] .

그림 6

표 2 . EDS 결과(wt.%)는 그림 6에 표시된 영역에 해당합니다 (커버 가스: SF 6 /공기).

영형마그네슘NS아연NSNS
그림 6 (b)의 어두운 영역3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
그림 6 (b)의 밝은 영역3.5884.4811.250.68

도 1 및 도 2에 도시된 결함의 단면 관찰과 함께 도 4 및 도 5 를 참조하면, 인장 시험봉에 포함된 연행 결함의 구조를 도 6 (e) 와 같이 스케치하였다 . 결함에는 산화막으로 둘러싸인 동반된 가스가 포함되어 있어 테스트 바 내부에 보이드 섹션이 생성되었습니다. 파괴 과정에서 결함에 인장력이 가해지면 균열이 가장 약한 경로를 따라 전파되기 때문에 보이드 섹션에서 균열이 시작되어 연행 결함을 따라 전파됩니다 [55] . 따라서 최종적으로 시험봉이 파단되었을 때 Fig. 6 (a) 와 같이 시험봉의 양 파단면에 연행결함의 산화피막이 나타났다 .

3.2 . SF 6 /CO 2 에 형성된 연행 결함의 구조 및 조성

SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함과 유사하게, 0.5% SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 형성된 결함 도 두 가지 유형의 산화막(즉, 단층 및 다층 유형)을 가졌다. 도 7 (a)는 다층 산화막을 포함하는 엔트레인먼트 결함의 예를 도시한다. 결함에 대한 확대 관찰( 그림 7b )은 산화막의 내부 층이 함께 성장하여 SF 6 /air 의 분위기에서 형성된 결함과 유사한 샌드위치 같은 구조를 나타냄을 보여줍니다 ( 그림 7b). 5 나 ). EDS 스펙트럼( 그림 7c) 이 샌드위치형 구조의 접합부(내층)는 주로 산화마그네슘을 함유하고 있음을 보여주었다. 이 EDS 스펙트럼에서는 불소, 황, 알루미늄의 피크가 확인되었으나 그 양은 상대적으로 적었다. 대조적으로, 산화막의 외부 층은 조밀하고 불화물과 산화물의 혼합물로 구성되어 있습니다( 그림 7d-e).

그림 7

Fig. 8 (a)는 0.5%SF 6 /CO 2 분위기에서 제작된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면의 연행결함을 보여준다 . 상응하는 EDS 결과(표 3)는 산화막이 불화물과 산화물을 함유함을 보여주었다. 황과 질소는 검출되지 않았습니다. 게다가, 확대 관찰(  8b)은 산화막 표면에 반점을 나타내었다. 반점의 직경은 수백 나노미터에서 수 마이크론 미터까지 다양했습니다.

그림 8

산화막의 구조와 조성을 보다 명확하게 나타내기 위해 테스트 바 파단면의 산화막 단면을 FIB 기법을 사용하여 현장에서 노출시켰다( 그림 9 ). 도 9a에 도시된 바와 같이 , 백금 코팅층과 Mg-Al 합금 기재 사이에 연속적인 산화피막이 발견되었다. 그림 9 (bc)는 다층 구조( 그림 9c 에서 빨간색 상자로 표시)를 나타내는 산화막에 대한 확대 관찰을 보여줍니다 . 바닥층은 불소와 산소가 풍부하고 불소와 산화물의 혼합물이어야 합니다 . 5 와 7, 유일한 산소가 풍부한 최상층은 도 1 및 도 2에 도시 된 “내층”과 유사하였다 5 및 7 .

그림 9

연속 필름을 제외하고 도 9 에 도시된 바와 같이 연속 필름 내부 또는 하부에서도 일부 개별 입자가 관찰되었다 . 그림 9( b) 의 산화막 좌측에서 Al이 풍부한 입자가 검출되었으며, 마그네슘과 산소 원소도 풍부하게 함유하고 있어 스피넬 Mg 2 AlO 4 로 추측할 수 있다 . 이러한 Mg 2 AlO 4 입자의 존재는 Fig. 5 와 같이 관찰된 필름의 작은 영역에 높은 알루미늄 농도와 알루미늄의 불균일한 분포의 원인이 된다 .(씨). 여기서 강조되어야 할 것은 연속 산화막의 바닥층의 다른 부분이 이 Al이 풍부한 입자보다 적은 양의 알루미늄을 함유하고 있지만, 그림 9c는 이 바닥층의 알루미늄 양이 여전히 무시할 수 없는 수준임을 나타냅니다 . , 특히 필름의 외층과 비교할 때. 도 9b에 도시된 산화막의 우측 아래에서 입자가 검출되어 Mg와 O가 풍부하여 MgO인 것으로 추측되었다. Wang의 결과에 따르면 [56], Mg 용융물과 Mg 증기의 산화에 의해 Mg 용융물의 표면에 많은 이산 MgO 입자가 형성될 수 있다. 우리의 현재 연구에서 관찰된 MgO 입자는 같은 이유로 인해 형성될 수 있습니다. 실험 조건의 차이로 인해 더 적은 Mg 용융물이 기화되거나 O2와 반응할 수 있으므로 우리 작업에서 형성되는 MgO 입자는 소수에 불과합니다. 또한 필름에서 풍부한 탄소가 발견되어 CO 2 가 용융물과 반응하여 탄소 또는 탄화물을 형성할 수 있음을 보여줍니다 . 이 탄소 농도는 표 3에 나타낸 산화막의 상대적으로 높은 탄소 함량 (즉, 어두운 영역) 과 일치하였다 . 산화막 옆 영역.

표 3 . 도 8에 도시된 영역에 상응하는 EDS 결과(wt.%) (커버 가스: SF 6 / CO 2 ).

영형마그네슘NS아연NSNS
그림 8 (a)의 어두운 영역7.253.6469.823.827.030.86
그림 8 (a)의 밝은 영역2.100.4482.8313.261.36

테스트 바 파단면( 도 9 ) 에서 산화막의 이 단면 관찰은 도 6 (e)에 도시된 엔트레인먼트 결함의 개략도를 추가로 확인했다 . SF 6 /CO 2 와 SF 6 /air 의 서로 다른 분위기에서 형성된 엔트레인먼트 결함 은 유사한 구조를 가졌지만 그 조성은 달랐다.

3.3 . 산화 전지에서 산화막의 진화

섹션 3.1 및 3.2 의 결과 는 SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 AZ91 주조에서 형성된 연행 결함의 구조 및 구성을 보여줍니다 . 산화 반응의 다른 단계는 연행 결함의 다른 구조와 조성으로 이어질 수 있습니다. Campbell은 동반된 가스가 주변 용융물과 반응할 수 있다고 추측했지만 Mg 합금 용융물과 포획된 커버 가스 사이에 반응이 발생했다는 보고는 거의 없습니다. 이전 연구자들은 일반적으로 개방된 환경에서 Mg 합금 용융물과 커버 가스 사이의 반응에 초점을 맞췄습니다 [38 , 39 , [46] , [47][48] , [49] , [50] , [51] , [52] , 이는 용융물에 갇힌 커버 가스의 상황과 다릅니다. AZ91 합금에서 엔트레인먼트 결함의 형성을 더 이해하기 위해 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화 과정을 산화 셀을 사용하여 추가로 연구했습니다.

.도 10 (a 및 d) 0.5 % 방송 SF 보호 산화 셀에서 5 분 동안 유지 된 표면 막 (6) / 공기. 불화물과 산화물(MgF 2 와 MgO) 로 이루어진 단 하나의 층이 있었습니다 . 이 표면 필름에서. 황은 EDS 스펙트럼에서 검출되었지만 그 양이 너무 적어 원소 맵에서 인식되지 않았습니다. 이 산화막의 구조 및 조성은 도 4 에 나타낸 엔트레인먼트 결함의 단층막과 유사하였다 .

그림 10

10분의 유지 시간 후, 얇은 (O,S)가 풍부한 상부층(약 700nm)이 예비 F-농축 필름에 나타나 그림 10 (b 및 e) 에서와 같이 다층 구조를 형성했습니다 . ). (O, S)가 풍부한 최상층의 두께는 유지 시간이 증가함에 따라 증가했습니다. Fig. 10 (c, f) 에서 보는 바와 같이 30분간 유지한 산화막도 다층구조를 가지고 있으나 (O,S)가 풍부한 최상층(약 2.5μm)의 두께가 10분 산화막의 그것. 도 10 (bc) 에 도시 된 다층 산화막 은 도 5에 도시된 샌드위치형 결함의 막과 유사한 외관을 나타냈다 .

도 10에 도시된 산화막의 상이한 구조는 커버 가스의 불화물이 AZ91 합금 용융물과의 반응으로 인해 우선적으로 소모될 것임을 나타내었다. 불화물이 고갈된 후, 잔류 커버 가스는 액체 AZ91 합금과 추가로 반응하여 산화막에 상부 (O, S)가 풍부한 층을 형성했습니다. 따라서 도 1 및 도 3에 도시된 연행 결함의 상이한 구조 및 조성 4 와 5 는 용융물과 갇힌 커버 가스 사이의 진행 중인 산화 반응 때문일 수 있습니다.

이 다층 구조는 Mg 합금 용융물에 형성된 보호 표면 필름에 관한 이전 간행물 [38 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] 에서 보고되지 않았습니다 . . 이는 이전 연구원들이 무제한의 커버 가스로 실험을 수행했기 때문에 커버 가스의 불화물이 고갈되지 않는 상황을 만들었기 때문일 수 있습니다. 따라서 엔트레인먼트 결함의 산화피막은 도 10에 도시된 산화피막과 유사한 거동특성을 가지나 [38 ,[46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] .

SF 유지 산화막와 마찬가지로 6 / 공기, SF에 형성된 산화물 막 (6) / CO 2는 또한 세포 산화 다른 유지 시간과 다른 구조를 가지고 있었다. .도 11 (a)는 AZ91 개최 산화막, 0.5 %의 커버 가스 하에서 SF 표면 용융 도시 6 / CO 2, 5 분. 이 필름은 MgF 2 로 이루어진 단층 구조를 가졌다 . 이 영화에서는 MgO의 존재를 확인할 수 없었다. 30분의 유지 시간 후, 필름은 다층 구조를 가졌다; 내부 층은 조밀하고 균일한 외관을 가지며 MgF 2 로 구성 되고 외부 층은 MgF 2 혼합물및 MgO. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 표면막과 다른 이 막에서는 황이 검출되지 않았다 . 따라서, 0.5%SF 6 /CO 2 의 커버 가스 내의 불화물 도 막 성장 과정의 초기 단계에서 우선적으로 소모되었다. SF 6 /air 에서 형성된 막과 비교하여 SF 6 /CO 2 에서 형성된 막에서 MgO 는 나중에 나타났고 황화물은 30분 이내에 나타나지 않았다. 이는 SF 6 /air 에서 필름의 형성과 진화 가 SF 6 /CO 2 보다 빠르다 는 것을 의미할 수 있습니다 . CO 2 후속적으로 용융물과 반응하여 MgO를 형성하는 반면, 황 함유 화합물은 커버 가스에 축적되어 반응하여 매우 늦은 단계에서 황화물을 형성할 수 있습니다(산화 셀에서 30분 후).

그림 11

4 . 논의

4.1 . SF 6 /air 에서 형성된 연행 결함의 진화

Outokumpu HSC Chemistry for Windows( http://www.hsc-chemistry.net/ )의 HSC 소프트웨어를 사용하여 갇힌 기체와 액체 AZ91 합금 사이에서 발생할 수 있는 반응을 탐색하는 데 필요한 열역학 계산을 수행했습니다. 계산에 대한 솔루션은 소량의 커버 가스(즉, 갇힌 기포 내의 양)와 AZ91 합금 용융물 사이의 반응 과정에서 어떤 생성물이 가장 형성될 가능성이 있는지 제안합니다.

실험에서 압력은 1기압으로, 온도는 700°C로 설정했습니다. 커버 가스의 사용량은 7 × 10으로 가정 하였다 -7  약 0.57 cm의 양으로 kg 3 (3.14 × 10 -6  0.5 % SF위한 kmol) 6 / 공기, 0.35 cm (3) (3.12 × 10 – 8  kmol) 0.5%SF 6 /CO 2 . 포획된 가스와 접촉하는 AZ91 합금 용융물의 양은 모든 반응을 완료하기에 충분한 것으로 가정되었습니다. SF 6 의 분해 생성물 은 SF 5 , SF 4 , SF 3 , SF 2 , F 2 , S(g), S 2(g) 및 F(g) [57] , [58] , [59] , [60] .

그림 12 는 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /air 사이의 반응에 대한 열역학적 계산의 평형 다이어그램을 보여줍니다 . 다이어그램에서 10 -15  kmol 미만의 반응물 및 생성물은 표시되지 않았습니다. 이는 존재 하는 SF 6 의 양 (≈ 1.57 × 10 -10  kmol) 보다 5배 적 으므로 영향을 미치지 않습니다. 실제적인 방법으로 과정을 관찰했습니다.

그림 12

이 반응 과정은 3단계로 나눌 수 있다.

1단계 : 불화물의 형성. AZ91 용융물은 SF 6 및 그 분해 생성물과 우선적으로 반응하여 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 생성 합니다. 그러나 ZnF 2 의 양 이 너무 적어서 실제적으로 검출되지  않았을 수 있습니다(  MgF 2 의 3 × 10 -10 kmol에 비해 ZnF 2 1.25 × 10 -12 kmol ). 섹션 3.1 – 3.3에 표시된 모든 산화막 . 한편, 잔류 가스에 황이 SO 2 로 축적되었다 .

2단계 : 산화물의 형성. 액체 AZ91 합금이 포획된 가스에서 사용 가능한 모든 불화물을 고갈시킨 후, Mg와의 반응으로 인해 AlF 3 및 ZnF 2 의 양이 빠르게 감소했습니다. O 2 (g) 및 SO 2 는 AZ91 용융물과 반응하여 MgO, Al 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , ZnO, ZnSO 4 및 MgSO 4 를 형성 합니다. 그러나 ZnO 및 ZnSO 4 의 양은 EDS에 의해 실제로 발견되기에는 너무 적었을 것입니다(예: 9.5 × 10 -12  kmol의 ZnO, 1.38 × 10 -14  kmol의 ZnSO 4 , 대조적으로 4.68 × 10−10  kmol의 MgF 2 , X 축의 AZ91 양 이 2.5 × 10 -9  kmol일 때). 실험 사례에서 커버 가스의 F 농도는 매우 낮고 전체 농도 f O는 훨씬 높습니다. 따라서 1단계와 2단계, 즉 불화물과 산화물의 형성은 반응 초기에 동시에 일어나 그림 1과 2와 같이 불화물과 산화물의 가수층 혼합물이 형성될 수 있다 . 4 및 10 (a). 내부 층은 산화물로 구성되어 있지만 불화물은 커버 가스에서 F 원소가 완전히 고갈된 후에 형성될 수 있습니다.

단계 1-2는 도 10 에 도시 된 다층 구조의 형성 과정을 이론적으로 검증하였다 .

산화막 내의 MgAl 2 O 4 및 Al 2 O 3 의 양은 도 4에 도시된 산화막과 일치하는 검출하기에 충분한 양이었다 . 그러나, 도 10 에 도시된 바와 같이, 산화셀에서 성장된 산화막에서는 알루미늄의 존재를 인식할 수 없었다 . 이러한 Al의 부재는 표면 필름과 AZ91 합금 용융물 사이의 다음 반응으로 인한 것일 수 있습니다.(1)

Al 2 O 3  + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700°C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl 2 O 4  = MgO + Al, △G(700°C) = -106.34 kJ/mol이는 반응물이 서로 완전히 접촉한다는 가정 하에 열역학적 계산이 수행되었기 때문에 HSC 소프트웨어로 시뮬레이션할 수 없었습니다. 그러나 실제 공정에서 AZ91 용융물과 커버 가스는 보호 표면 필름의 존재로 인해 서로 완전히 접촉할 수 없습니다.

3단계 : 황화물과 질화물의 형성. 30분의 유지 시간 후, 산화 셀의 기상 불화물 및 산화물이 고갈되어 잔류 가스와 용융 반응을 허용하여 초기 F-농축 또는 (F, O )이 풍부한 표면 필름, 따라서 그림 10 (b 및 c)에 표시된 관찰된 다층 구조를 생성합니다 . 게다가, 질소는 모든 반응이 완료될 때까지 AZ91 용융물과 반응했습니다. 도 6 에 도시 된 산화막 은 질화물 함량으로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있다. 그러나, 그 결과는 도 1 및 도 5에 도시 된 연마된 샘플에서 질화물이 검출되지 않음을 보여준다. 4 와 5, 그러나 테스트 바 파단면에서만 발견됩니다. 질화물은 다음과 같이 샘플 준비 과정에서 가수분해될 수 있습니다 [54] .(삼)

Mg 3 N 2  + 6H 2 O = 3Mg(OH) 2  + 2NH 3 ↑(4)

AlN+ 3H 2 O = Al(OH) 3  + NH 3 ↑

또한 Schmidt et al. [61] 은 Mg 3 N 2 와 AlN이 반응하여 3원 질화물(Mg 3 Al n N n+2, n=1, 2, 3…) 을 형성할 수 있음을 발견했습니다 . HSC 소프트웨어에는 삼원 질화물 데이터베이스가 포함되어 있지 않아 계산에 추가할 수 없습니다. 이 단계의 산화막은 또한 삼원 질화물을 포함할 수 있습니다.

4.2 . SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화

도 13 은 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /CO 2 사이의 열역학적 계산 결과를 보여준다 . 이 반응 과정도 세 단계로 나눌 수 있습니다.

그림 13

1단계 : 불화물의 형성. SF 6 및 그 분해 생성물은 AZ91 용융물에 의해 소비되어 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 형성했습니다 . 0.5% SF 6 /air 에서 AZ91의 반응에서와 같이 ZnF 2 의 양 이 너무 작아서 실제적으로 감지되지  않았습니다( 2.67 x 10 -10  kmol의 MgF 2 에 비해 ZnF 2 1.51 x 10 -13 kmol ). S와 같은 잔류 가스 트랩에 축적 유황 2 (g) 및 (S)의 일부분 (2) (g)가 CO와 반응하여 2 SO 형성하는 2및 CO. 이 반응 단계의 생성물은 도 11 (a)에 도시된 필름과 일치하며 , 이는 불화물만을 함유하는 단일 층 구조를 갖는다.

2단계 : 산화물의 형성. ALF 3 및 ZnF 2 MgF로 형성 용융 AZ91 마그네슘의 반응 2 , Al 및 Zn으로한다. SO 2 는 소모되기 시작하여 표면 필름에 산화물을 생성 하고 커버 가스에 S 2 (g)를 생성했습니다. 한편, CO 2 는 AZ91 용융물과 직접 반응하여 CO, MgO, ZnO 및 Al 2 O 3 를 형성 합니다. 도 1에 도시 된 산화막 9 및 11 (b)는 산소가 풍부한 층과 다층 구조로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있습니다.

커버 가스의 CO는 AZ91 용융물과 추가로 반응하여 C를 생성할 수 있습니다. 이 탄소는 온도가 감소할 때(응고 기간 동안) Mg와 추가로 반응하여 Mg 탄화물을 형성할 수 있습니다 [62] . 이것은 도 4에 도시된 산화막의 탄소 함량이 높은 이유일 수 있다 8 – 9 . Liang et al. [39] 또한 SO 2 /CO 2 로 보호된 AZ91 합금 표면 필름에서 탄소 검출을 보고했습니다 . 생성된 Al 2 O 3 는 MgO와 더 결합하여 MgAl 2 O [63]를 형성할 수 있습니다 . 섹션 4.1 에서 논의된 바와 같이, 알루미나 및 스피넬은 도 11 에 도시된 바와 같이 표면 필름에 알루미늄 부재를 야기하는 Mg와 반응할 수 있다 .

3단계 : 황화물의 형성. AZ91은 용융물 S 소비하기 시작 2 인 ZnS와 MGS 형성 갇힌 잔류 가스 (g)를. 이러한 반응은 반응 과정의 마지막 단계까지 일어나지 않았으며, 이는 Fig. 7 (c)에 나타난 결함의 S-함량 이 적은 이유일 수 있다 .

요약하면, 열역학적 계산은 AZ91 용융물이 커버 가스와 반응하여 먼저 불화물을 형성한 다음 마지막에 산화물과 황화물을 형성할 것임을 나타냅니다. 다른 반응 단계에서 산화막은 다른 구조와 조성을 가질 것입니다.

4.3 . 운반 가스가 동반 가스 소비 및 AZ91 주물의 재현성에 미치는 영향

SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화 과정은 4.1절 과 4.2  에서 제안되었습니다 . 이론적인 계산은 실제 샘플에서 발견되는 해당 산화막과 관련하여 검증되었습니다. 연행 결함 내의 대기는 Al-합금 시스템과 다른 시나리오에서 액체 Mg-합금과의 반응으로 인해 효율적으로 소모될 수 있습니다(즉, 연행된 기포의 질소가 Al-합금 용융물과 효율적으로 반응하지 않을 것입니다 [64 , 65] 그러나 일반적으로 “질소 연소”라고 하는 액체 Mg 합금에서 질소가 더 쉽게 소모될 것입니다 [66] ).

동반된 가스와 주변 액체 Mg-합금 사이의 반응은 동반된 가스를 산화막 내에서 고체 화합물(예: MgO)로 전환하여 동반 결함의 공극 부피를 감소시켜 결함(예: 공기의 동반된 가스가 주변의 액체 Mg 합금에 의해 고갈되면 용융 온도가 700 °C이고 액체 Mg 합금의 깊이가 10 cm라고 가정할 때 최종 고체 제품의 총 부피는 0.044가 됩니다. 갇힌 공기가 취한 초기 부피의 %).

연행 결함의 보이드 부피 감소와 해당 주조 특성 사이의 관계는 알루미늄 합금 주조에서 널리 연구되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 은 HIP(Hot Isostatic Pressing) 공정이 Al-합금 주물의 연행 결함이 붕괴되고 산화물 표면이 접촉하게 되었다고 보고했습니다. 주물의 피로 수명은 HIP 이후 개선되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 도 서로 접촉하고 있는 이중 산화막의 잠재적인 결합을 제안했지만 이를 뒷받침하는 직접적인 증거는 없었습니다. 이 결합 현상은 Aryafar et.al에 의해 추가로 조사되었습니다. [8], 그는 강철 튜브에서 산화물 스킨이 있는 두 개의 Al-합금 막대를 다시 녹인 다음 응고된 샘플에 대해 인장 강도 테스트를 수행했습니다. 그들은 Al-합금 봉의 산화물 스킨이 서로 강하게 결합되어 용융 유지 시간이 연장됨에 따라 더욱 강해짐을 발견했으며, 이는 이중 산화막 내 동반된 가스의 소비로 인한 잠재적인 “치유” 현상을 나타냅니다. 구조. 또한 Raidszadeh와 Griffiths [9 , 19] 는 연행 가스가 반응하는 데 더 긴 시간을 갖도록 함으로써 응고 전 용융 유지 시간을 연장함으로써 Al-합금 주물의 재현성에 대한 연행 결함의 부정적인 영향을 성공적으로 줄였습니다. 주변이 녹습니다.

앞서 언급한 연구를 고려할 때, Mg 합금 주물에서 혼입 가스의 소비는 다음 두 가지 방식으로 혼입 결함의 부정적인 영향을 감소시킬 수 있습니다.

(1) 이중 산화막의 결합 현상 . 도 5 및 도 7 에 도시 된 샌드위치형 구조 는 이중 산화막 구조의 잠재적인 결합을 나타내었다. 그러나 산화막의 결합으로 인한 강도 증가를 정량화하기 위해서는 더 많은 증거가 필요합니다.

(2) 연행 결함의 보이드 체적 감소 . 주조품의 품질에 대한 보이드 부피 감소의 긍정적인 효과는 HIP 프로세스 [67]에 의해 널리 입증되었습니다 . 섹션 4.1 – 4.2 에서 논의된 진화 과정과 같이 , 동반된 가스와 주변 AZ91 합금 용융물 사이의 지속적인 반응으로 인해 동반 결함의 산화막이 함께 성장할 수 있습니다. 최종 고체 생성물의 부피는 동반된 기체에 비해 상당히 작았다(즉, 이전에 언급된 바와 같이 0.044%).

따라서, 혼입 가스의 소모율(즉, 산화막의 성장 속도)은 AZ91 합금 주물의 품질을 향상시키는 중요한 매개변수가 될 수 있습니다. 이에 따라 산화 셀의 산화막 성장 속도를 추가로 조사했습니다.

도 14 는 상이한 커버 가스(즉, 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 ) 에서의 표면 필름 성장 속도의 비교를 보여준다 . 필름 두께 측정을 위해 각 샘플의 15개의 임의 지점을 선택했습니다. 95% 신뢰구간(95%CI)은 막두께의 변화가 가우시안 분포를 따른다는 가정하에 계산하였다. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 모든 표면막이 0.5%SF 6 /CO 2 에서 형성된 것보다 빠르게 성장함을 알 수 있다 . 다른 성장률은 0.5%SF 6 /air 의 연행 가스 소비율 이 0.5%SF 6 /CO 2 보다 더 높음 을 시사했습니다., 이는 동반된 가스의 소비에 더 유리했습니다.

그림 14

산화 셀에서 액체 AZ91 합금과 커버 가스의 접촉 면적(즉, 도가니의 크기)은 많은 양의 용융물과 가스를 고려할 때 상대적으로 작았다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로, 산화 셀 내에서 산화막 성장을 위한 유지 시간은 비교적 길었다(즉, 5-30분). 하지만, 실제 주조에 함유 된 혼입 결함은 (상대적으로 매우 적은, 즉, 수 미크론의 크기에 도시 된 바와 같이 ,도 3. – 6 및 [7]), 동반된 가스는 주변 용융물로 완전히 둘러싸여 상대적으로 큰 접촉 영역을 생성합니다. 따라서 커버 가스와 AZ91 합금 용융물의 반응 시간은 비교적 짧을 수 있습니다. 또한 실제 Mg 합금 모래 주조의 응고 시간은 몇 분일 수 있습니다(예: Guo [68] 은 직경 60mm의 Mg 합금 모래 주조가 응고되는 데 4분이 필요하다고 보고했습니다). 따라서 Mg-합금 용융주조 과정에서 포획된 동반된 가스는 특히 응고 시간이 긴 모래 주물 및 대형 주물의 경우 주변 용융물에 의해 쉽게 소모될 것으로 예상할 수 있습니다.

따라서, 동반 가스의 다른 소비율과 관련된 다른 커버 가스(0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 )가 최종 주물의 재현성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 가정을 검증하기 위해 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 에서 생산된 AZ91 주물 을 기계적 평가를 위해 테스트 막대로 가공했습니다. Weibull 분석은 선형 최소 자승(LLS) 방법과 비선형 최소 자승(비 LLS) 방법을 모두 사용하여 수행되었습니다 [69] .

그림 15 (ab)는 LLS 방법으로 얻은 UTS 및 AZ91 합금 주물의 연신율의 전통적인 2-p 선형 Weibull 플롯을 보여줍니다. 사용된 추정기는 P= (i-0.5)/N이며, 이는 모든 인기 있는 추정기 중 가장 낮은 편향을 유발하는 것으로 제안되었습니다 [69 , 70] . SF 6 /air 에서 생산된 주물 은 UTS Weibull 계수가 16.9이고 연신율 Weibull 계수가 5.0입니다. 대조적으로, SF 6 /CO 2 에서 생산된 주물의 UTS 및 연신 Weibull 계수는 각각 7.7과 2.7로, SF 6 /CO 2 에 의해 보호된 주물의 재현성이 SF 6 /air 에서 생산된 것보다 훨씬 낮음을 시사합니다. .

그림 15

또한 저자의 이전 출판물 [69] 은 선형화된 Weibull 플롯의 단점을 보여주었으며, 이는 Weibull 추정 의 더 높은 편향과 잘못된 2 중단을 유발할 수 있습니다 . 따라서 그림 15 (cd) 와 같이 Non-LLS Weibull 추정이 수행되었습니다 . SF 6 /공기주조물 의 UTS Weibull 계수 는 20.8인 반면, SF 6 /CO 2 하에서 생산된 주조물의 UTS Weibull 계수는 11.4로 낮아 재현성에서 분명한 차이를 보였다. 또한 SF 6 /air elongation(El%) 데이터 세트는 SF 6 /CO 2 의 elongation 데이터 세트보다 더 높은 Weibull 계수(모양 = 5.8)를 가졌습니다.(모양 = 3.1). 따라서 LLS 및 Non-LLS 추정 모두 SF 6 /공기 주조가 SF 6 /CO 2 주조 보다 더 높은 재현성을 갖는다고 제안했습니다 . CO 2 대신 공기를 사용 하면 혼입된 가스의 더 빠른 소비에 기여하여 결함 내의 공극 부피를 줄일 수 있다는 방법을 지원합니다 . 따라서 0.5%SF 6 /CO 2 대신 0.5%SF 6 /air를 사용 하면(동반된 가스의 소비율이 증가함) AZ91 주물의 재현성이 향상되었습니다.

그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 현재 작업에서 사용되는 주조 공정을 따랐던 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. Mg의 합금 용탕 본 작업은 탈기에 따라서, 동반 가스의 소비에 수소의 영향을 감소 (즉, 수소 잠재적 동반 가스의 고갈 억제, 동반 된 기체로 확산 될 수있다 [7 , 71 , 72] ). 대조적으로, 마그네슘 합금 주조 공장에서는 마그네슘을 주조할 때 ‘가스 문제’가 없고 따라서 인장 특성에 큰 변화가 없다고 널리 믿어지기 때문에 마그네슘 합금 용융물은 일반적으로 탈기되지 않습니다 [73] . 연구에 따르면 Mg 합금 주물의 기계적 특성에 대한 수소의 부정적인 영향 [41 ,42 , 73] , 탈기 공정은 마그네슘 합금 주조 공장에서 여전히 인기가 없습니다.

또한 현재 작업에서 모래 주형 공동은 붓기 전에 SF 6 커버 가스 로 플러싱되었습니다 [22] . 그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 이러한 방식으로 금형 캐비티를 플러싱한 것은 아닙니다. 예를 들어, Stone Foundry Ltd(영국)는 커버 가스 플러싱 대신 유황 분말을 사용했습니다. 그들의 주물 내의 동반된 가스 는 보호 가스라기 보다는 SO 2 /공기일 수 있습니다 .

따라서 본 연구의 결과는 CO 2 대신 공기를 사용 하는 것이 최종 주조의 재현성을 향상시키는 것으로 나타났지만 다른 산업용 Mg 합금 주조 공정과 관련하여 캐리어 가스의 영향을 확인하기 위해서는 여전히 추가 조사가 필요합니다.

7 . 결론

1.

AZ91 합금에 형성된 연행 결함이 관찰되었습니다. 그들의 산화막은 단층과 다층의 두 가지 유형의 구조를 가지고 있습니다. 다층 산화막은 함께 성장하여 최종 주조에서 샌드위치 같은 구조를 형성할 수 있습니다.2.

실험 결과와 이론적인 열역학적 계산은 모두 갇힌 가스의 불화물이 황을 소비하기 전에 고갈되었음을 보여주었습니다. 이중 산화막 결함의 3단계 진화 과정이 제안되었습니다. 산화막은 진화 단계에 따라 다양한 화합물 조합을 포함했습니다. SF 6 /air 에서 형성된 결함 은 SF 6 /CO 2 에서 형성된 것과 유사한 구조를 갖지만 산화막의 조성은 달랐다. 엔트레인먼트 결함의 산화막 형성 및 진화 과정은 이전에 보고된 Mg 합금 표면막(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)의 것과 달랐다 .삼.

산화막의 성장 속도는 SF하에 큰 것으로 입증되었다 (6) / SF보다 공기 6 / CO 2 손상 봉입 가스의 빠른 소비에 기여한다. AZ91 합금 주물의 재현성은 SF 6 /CO 2 대신 SF 6 /air를 사용할 때 향상되었습니다 .

감사의 말

저자는 EPSRC LiME 보조금 EP/H026177/1의 자금 지원 과 WD Griffiths 박사와 Adrian Carden(버밍엄 대학교)의 도움을 인정합니다. 주조 작업은 University of Birmingham에서 수행되었습니다.

참조
[1]
MK McNutt , SALAZAR K.
마그네슘, 화합물 및 금속, 미국 지질 조사국 및 미국 내무부
레 스톤 , 버지니아 ( 2013 )
Google 학술검색
[2]
마그네슘
화합물 및 금속, 미국 지질 조사국 및 미국 내무부
( 1996 )
Google 학술검색
[삼]
I. Ostrovsky , Y. Henn
ASTEC’07 International Conference-New Challenges in Aeronautics , Moscow ( 2007 ) , pp. 1 – 5
8월 19-22일
Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[4]
Y. Wan , B. Tang , Y. Gao , L. Tang , G. Sha , B. Zhang , N. Liang , C. Liu , S. Jiang , Z. Chen , X. Guo , Y. Zhao
액타 메이터. , 200 ( 2020 ) , 274 – 286 페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[5]
JTJ Burd , EA Moore , H. Ezzat , R. Kirchain , R. Roth
적용 에너지 , 283 ( 2021 ) , 제 116269 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[6]
AM 루이스 , JC 켈리 , 조지아주 Keoleian
적용 에너지 , 126 ( 2014 ) , pp. 13 – 20
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[7]
J. 캠벨
주물
버터워스-하이네만 , 옥스퍼드 ( 2004 )
Google 학술검색
[8]
M. Aryafar , R. Raiszadeh , A. Shalbafzadeh
J. 메이터. 과학. , 45 ( 2010 년 ) , PP. (3041) – 3051
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[9]
R. 라이자데 , WD 그리피스
메탈. 메이터. 트랜스. B-프로세스 메탈. 메이터. 프로세스. 과학. , 42 ( 2011 ) , 133 ~ 143페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[10]
R. 라이자데 , WD 그리피스
J. 합금. Compd. , 491 ( 2010 ) , 575 ~ 580 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[11]
L. Peng , G. Zeng , TC Su , H. Yasuda , K. Nogita , CM Gourlay
JOM , 71 ( 2019 ) , pp. 2235 – 2244
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[12]
S. Ganguly , AK Mondal , S. Sarkar , A. Basu , S. Kumar , C. Blawert
코로스. 과학. , 166 ( 2020 )
[13]
GE Bozchaloei , N. Varahram , P. Davami , SK 김
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 548 ( 2012 ) , 99 ~ 105페이지
Scopus에서 레코드 보기
[14]
S. 폭스 , J. 캠벨
Scr. 메이터. , 43 ( 2000 ) , PP. 881 – 886
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[15]
M. 콕스 , RA 하딩 , J. 캠벨
메이터. 과학. 기술. , 19 ( 2003 ) , 613 ~ 625페이지
Scopus에서 레코드 보기
[16]
C. Nyahumwa , NR Green , J. Campbell
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 32 ( 2001 ) , 349 ~ 358 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[17]
A. Ardekhani , R. Raiszadeh
J. 메이터. 영어 공연하다. , 21 ( 2012 ) , pp. 1352 – 1362
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[18]
X. Dai , X. Yang , J. Campbell , J. Wood
메이터. 과학. 기술. , 20 ( 2004 ) , 505 ~ 513 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[19]
EM 엘갈라드 , MF 이브라힘 , HW 도티 , FH 사무엘
필로스. 잡지. , 98 ( 2018 ) , PP. 1337 – 1359
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[20]
WD 그리피스 , NW 라이
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 38A ( 2007 ) , PP. 190 – 196
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[21]
AR Mirak , M. Divandari , SMA Boutorabi , J. 캠벨
국제 J. 캐스트 만났습니다. 해상도 , 20 ( 2007 ) , PP. 215 – 220
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[22]
C. 칭기
주조공학 연구실
Helsinki University of Technology , Espoo, Finland ( 2006 )
Google 학술검색
[23]
Y. Jia , J. Hou , H. Wang , Q. Le , Q. Lan , X. Chen , L. Bao
J. 메이터. 프로세스. 기술. , 278 ( 2020 ) , 제 116542 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[24]
S. Ouyang , G. Yang , H. Qin , S. Luo , L. Xiao , W. Jie
메이터. 과학. 영어 A , 780 ( 2020 ) , 제 139138 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[25]
에스엠. Xiong , X.-F. 왕
트랜스. 비철금속 사회 중국 , 20 ( 2010 ) , pp. 1228 – 1234
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[26]
지브이리서치
그랜드뷰 리서치
( 2018 )
미국
Google 학술검색
[27]
T. 리 , J. 데이비스
메탈. 메이터. 트랜스. , 51 ( 2020 ) , PP. 5,389 – (5400)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[28]
JF Fruehling, 미시간 대학, 1970.
Google 학술검색
[29]
S. 쿨링
제36회 세계 마그네슘 연례 회의 , 노르웨이 ( 1979 ) , pp. 54 – 57
Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[30]
S. Cashion , N. Ricketts , P. Hayes
J. 가벼운 만남. , 2 ( 2002 ) , 43 ~ 47페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[31]
S. Cashion , N. Ricketts , P. Hayes
J. 가벼운 만남. , 2 ( 2002 ) , PP. 37 – 42
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[32]
K. Aarstad , G. Tranell , G. Pettersen , TA Engh
SF6에 의해 보호되는 마그네슘의 표면을 연구하는 다양한 기술
TMS ( 2003년 )
Google 학술검색
[33]
에스엠 Xiong , X.-L. 리우
메탈. 메이터. 트랜스. , 38 ( 2007 년 ) , PP. (428) – (434)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[34]
T.-S. 시 , J.-B. Liu , P.-S. 웨이
메이터. 화학 물리. , 104 ( 2007 ) , 497 ~ 504페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[35]
G. Pettersen , E. Øvrelid , G. Tranell , J. Fenstad , H. Gjestland
메이터. 과학. 영어 , 332 ( 2002 ) , PP. (285) – (294)
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[36]
H. Bo , LB Liu , ZP Jin
J. 합금. Compd. , 490 ( 2010 ) , 318 ~ 325 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[37]
A. 미락 , C. 데이비슨 , J. 테일러
코로스. 과학. , 52 ( 2010 ) , PP. 1992 년 – 2000
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[38]
BD 리 , UH 부리 , KW 리 , GS 한강 , JW 한
메이터. 트랜스. , 54 ( 2013 ) , 66 ~ 73페이지
Scopus에서 레코드 보기
[39]
WZ Liang , Q. Gao , F. Chen , HH Liu , ZH Zhao
China Foundry , 9 ( 2012 ) , pp. 226 – 230
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[40]
UI 골드슐레거 , EY 샤피로비치
연소. 폭발 충격파 , 35 ( 1999 ) , 637 ~ 644페이지
Scopus에서 레코드 보기
[41]
A. Elsayed , SL Sin , E. Vandersluis , J. Hill , S. Ahmad , C. Ravindran , S. Amer Foundry
트랜스. 오전. 파운드리 Soc. , 120 ( 2012 ) , 423 ~ 429페이지
Scopus에서 레코드 보기
[42]
E. Zhang , GJ Wang , ZC Hu
메이터. 과학. 기술. , 26 ( 2010 ) , 1253 ~ 1258페이지
Scopus에서 레코드 보기
[43]
NR 그린 , J. 캠벨
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 173 ( 1993 ) , 261 ~ 266 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[44]
C 라일리 , MR 졸리 , NR 그린
MCWASP XII 논문집 – 주조, 용접 및 고급 Solidifcation 프로세스의 12 모델링 , 밴쿠버, 캐나다 ( 2009 )
Google 학술검색
[45]
HE Friedrich, BL Mordike, Springer, 독일, 2006.
Google 학술검색
[46]
C. Zheng , BR Qin , XB Lou
기계, 산업 및 제조 기술에 관한 2010 국제 회의 , ASME ( 2010 ) , pp. 383 – 388
2010년 미트
교차 참조Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[47]
SM Xiong , XF 왕
트랜스. 비철금속 사회 중국 , 20 ( 2010 ) , pp. 1228 – 1234
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[48]
SM Xiong , XL Liu
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 38A ( 2007 ) , PP. (428) – (434)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[49]
TS Shih , JB Liu , PS Wei
메이터. 화학 물리. , 104 ( 2007 ) , 497 ~ 504페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[50]
K. Aarstad , G. Tranell , G. Pettersen , TA Engh
매그. 기술. ( 2003 ) , PP. (5) – (10)
Scopus에서 레코드 보기
[51]
G. Pettersen , E. Ovrelid , G. Tranell , J. Fenstad , H. Gjestland
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 332 ( 2002 ) , 285 ~ 294페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[52]
XF 왕 , SM Xiong
코로스. 과학. , 66 ( 2013 ) , PP. 300 – 307
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[53]
SH Nie , SM Xiong , BC Liu
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 422 ( 2006 ) , 346 ~ 351페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[54]
C. Bauer , A. Mogessie , U. Galovsky
Zeitschrift 모피 Metallkunde , 97 ( 2006 ) , PP. (164) – (168)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[55]
QG 왕 , D. Apelian , DA Lados
J. 가벼운 만남. , 1 ( 2001 ) , PP. (73) – 84
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[56]
S. Wang , Y. Wang , Q. Ramasse , Z. Fan
메탈. 메이터. 트랜스. , 51 ( 2020 ) , PP. 2957 – 2974
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[57]
S. Hayashi , W. Minami , T. Oguchi , HJ Kim
카그. 코그. 론분슈 , 35 ( 2009 ) , 411 ~ 415페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[58]
K. 아르스타드
노르웨이 과학 기술 대학교
( 2004년 )
Google 학술검색
[59]
RL 윌킨스
J. Chem. 물리. , 51 ( 1969 ) , p. 853
-&
Scopus에서 레코드 보기
[60]
O. Kubaschewski , K. Hesselemam
무기물의 열화학적 성질
Springer-Verlag , 벨린 ( 1991 )
Google 학술검색
[61]
R. Schmidt , M. Strobele , K. Eichele , HJ Meyer
유로 J. Inorg. 화학 ( 2017 ) , PP. 2727 – 2735
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[62]
B. Hu , Y. Du , H. Xu , W. Sun , WW Zhang , D. Zhao
제이민 메탈. 분파. B-금속. , 46 ( 2010 ) , 97 ~ 103페이지
Scopus에서 레코드 보기
[63]
O. Salas , H. Ni , V. Jayaram , KC Vlach , CG Levi , R. Mehrabian
J. 메이터. 해상도 , 6 ( 1991 ) , 1964 ~ 1981페이지
Scopus에서 레코드 보기
[64]
SSS Kumari , UTS Pillai , BC 빠이
J. 합금. Compd. , 509 ( 2011 ) , pp. 2503 – 2509
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[65]
H. Scholz , P. Greil
J. 메이터. 과학. , 26 ( 1991 ) , 669 ~ 677 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[66]
P. Biedenkopf , A. Karger , M. Laukotter , W. Schneider
매그. 기술. , 2005년 ( 2005년 ) , 39 ~ 42 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[67]
HV 앳킨슨 , S. 데이비스
메탈. 메이터. 트랜스. , 31 ( 2000 ) , PP. 2981 – 3000
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[68]
EJ Guo , L. Wang , YC Feng , LP Wang , YH Chen
J. 썸. 항문. 칼로리. , 135 ( 2019 ) , PP. 2001 년 – 2008 년
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[69]
T. Li , WD Griffiths , J. Chen
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 48A ( 2017 ) , PP. 5516 – 5528
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[70]
M. Tiryakioglu , D. Hudak는
J. 메이터. 과학. , 42 ( 2007 ) , pp. 10173 – 10179
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[71]
Y. Yue , WD Griffiths , JL Fife , NR Green
제1회 3d 재료과학 국제학술대회 논문집 ( 2012 ) , pp. 131 – 136
교차 참조Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[72]
R. 라이자데 , WD 그리피스
메탈. 메이터. 트랜스. B-프로세스 메탈. 메이터. 프로세스. 과학. , 37 ( 2006 ) , PP. (865) – (871)
Scopus에서 레코드 보기
[73]
ZC Hu , EL Zhang , SY Zeng
메이터. 과학. 기술. , 24 ( 2008 ) , 1304 ~ 1308페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기

Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding

알루미늄 합금 겹침 용접 중 용접 형성, 용융 흐름 및 입자 구조에 대한 사인파 발진 레이저 빔의 영향

Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding

Lin Chen, Gaoyang Mi, Xiong Zhang, Chunming Wang
School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

Abstract

레이저 사인파 진동(사인) 용접 및 레이저 용접(SLW)에서 1.5mm 6061/5182 알루미늄 합금 박판 랩 조인트의 수치 모델이 온도 분포와 용융 흐름을 시뮬레이션하기 위해 개발되었습니다.

SLW의 일반적인 에너지 분포와 달리 레이저 빔의 사인파 진동은 에너지 분포를 크게 균질화하고 에너지 피크를 줄였습니다. 에너지 피크는 사인 용접의 양쪽에 위치하여 톱니 모양의 단면이 형성되었습니다. 이 논문은 시뮬레이션을 통해 응고 미세구조에 대한 온도 구배(G)와 응고 속도(R)의 영향을 설명했습니다.

결과는 사인 용접의 중심이 낮은 G/R로 더 넓은 영역을 가짐으로써 더 넓은 등축 결정립 영역의 형성을 촉진하고 더 큰 GR로 인해 주상 결정립이 더 가늘다는 것을 나타냅니다. 다공성 및 비관통 용접은 레이저 사인파 진동에 의해 얻어졌습니다.

그 이유는 용융 풀의 부피가 확대되고 열쇠 구멍의 부피 비율이 감소하며 용융 풀의 난류가 완만해졌기 때문이며, 이는 용융 흐름의 고속 이미징 및 시뮬레이션 결과에서 관찰되었습니다. 두 용접부의 인장시험에서 융착선을 따라 인장파괴 형태를 보였고 사인 용접부의 인장강도가 SLW 용접부보다 유의하게 우수하였습니다.

이는 등축 결정립 영역이 넓을수록 균열 경향이 감소하고 파단 위치에 근접한 입자 크기가 미세하기 때문입니다. 결함이 없고 우수한 용접은 신에너지 자동차 산업에 매우 중요합니다.

A numerical model of 1.5 mm 6061/5182 aluminum alloys thin sheets lap joints under laser sinusoidal oscillation (sine) welding and laser welding (SLW) weld was developed to simulate temperature distribution and melt flow. Unlike the common energy distribution of SLW, the sinusoidal oscillation of laser beam greatly homogenized the energy distribution and reduced the energy peak. The energy peaks were located at both sides of the sine weld, resulting in the tooth-shaped sectional formation. This paper illustrated the effect of the temperature gradient (G) and solidification rate (R) on the solidification microstructure by simulation. Results indicated that the center of the sine weld had a wider area with low G/R, promoting the formation of a wider equiaxed grain zone, and the columnar grains were slenderer because of greater GR. The porosity-free and non-penetration welds were obtained by the laser sinusoidal oscillation. The reasons were that the molten pool volume was enlarged, the volume proportion of keyhole was reduced and the turbulence in the molten pool was gentled, which was observed by the high-speed imaging and simulation results of melt flow. The tensile test of both welds showed a tensile fracture form along the fusion line, and the tensile strength of sine weld was significantly better than that of the SLW weld. This was because that the wider equiaxed grain area reduced the tendency of cracks and the finer grain size close to the fracture location. Defect-free and excellent welds are of great significance to the new energy vehicles industry.

Keywords

Laser weldingSinusoidal oscillatingEnergy distributionNumerical simulationMolten pool flowGrain structure

Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding
Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding
Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively

추가 생산용 전자빔 조사에 의한 316L 스테인리스 용융 · 응고 거동

Melting and Solidification Behavior of 316L Steel Induced by Electron-Beam Irradiation for Additive Manufacturing

付加製造用電子ビーム照射による 316L ステンレス鋼の溶融・凝固挙動

奥 川 将 行*・宮 田 雄一朗*・王     雷*・能 勢 和 史*
小 泉 雄一郎*・中 野 貴 由*
Masayuki OKUGAWA, Yuichiro MIYATA, Lei WANG, Kazufumi NOSE,
Yuichiro KOIZUMI and Takayoshi NAKANO

Abstract

적층 제조(AM) 기술은 복잡한 형상의 3D 부품을 쉽게 만들고 미세 구조 제어를 통해 재료 특성을 크게 제어할 수 있기 때문에 많은 관심을 받았습니다. PBF(Powderbed fusion) 방식의 AM 공정에서는 금속 분말을 레이저나 전자빔으로 녹이고 응고시키는 과정을 반복하여 3D 부품을 제작합니다.

일반적으로 응고 미세구조는 Hunt[Mater. 과학. 영어 65, 75(1984)]. 그러나 CET 이론이 일반 316L 스테인리스강에서도 높은 G와 R로 인해 PBF형 AM 공정에 적용될 수 있을지는 불확실하다.

본 연구에서는 미세구조와 응고 조건 간의 관계를 밝히기 위해 전자빔 조사에 의해 유도된 316L 강의 응고 미세구조를 분석하고 CtFD(Computational Thermal-Fluid Dynamics) 방법을 사용하여 고체/액체 계면에서의 응고 조건을 평가했습니다.

CET 이론과 반대로 높은 G 조건에서 등축 결정립이 종종 형성되는 것으로 밝혀졌다. CtFD 시뮬레이션은 약 400 mm s-1의 속도까지 유체 흐름이 있음을 보여 주며 수상 돌기의 파편 및 이동의 영향으로 등축 결정립이 형성됨을 시사했습니다.

Additive manufacturing(AM)technologies have attracted much attention because it enables us to build 3D parts with complicated geometry easily and control material properties significantly via the control of microstructures. In the powderbed fusion(PBF)type AM process, 3D parts are fabricated by repeating a process of melting and solidifying metal powders by laser or electron beams. In general, the solidification microstructures can be predicted from solidification conditions defined by the combination of temperature gradient G and solidification rate R on the basis of columnar-equiaxed transition(CET)theory proposed by Hunt [Mater. Sci. Eng. 65, 75(1984)]. However, it is unclear whether the CET theory can be applied to the PBF type AM process because of the high G and R, even for general 316L stainless steel. In this study, to reveal relationships between microstructures and solidification conditions, we have analyzed solidification microstructures of 316L steel induced by electronbeam irradiation and evaluated solidification conditions at the solid/liquid interface using a computational thermal-fluid dynamics (CtFD)method. It was found that equiaxed grains were often formed under high G conditions contrary to the CET theory. CtFD simulation revealed that there is a fluid flow up to a velocity of about 400 mm s-1, and suggested that equiaxed grains are formed owing to the effect of fragmentations and migrations of dendrites.

Keywords

Additive Manufacturing, 316L Stainless Steel, Powder Bed Fusion, Electron Beam Melting, Computational Thermal
Fluid Dynamics Simulation

Fig. 1 Width, height, and height differences calculated from laser microscope analysis of melt tracks formed by scanning electron beam. Fig. 2(a)Scanning electron microscope(SEM)image and(b) corresponding electron back-scattering diffraction(EBSD) IPF-map taken from the electron-beam irradiated region in P900-V100 sample. Fig. 3 Average grain size and their aspect ratio calculated from EBSD IPF-map taken from the electron-beam irradiated region.
Fig. 1 Width, height, and height differences calculated from laser microscope analysis of melt tracks formed by scanning electron beam. Fig. 2(a)Scanning electron microscope(SEM)image and(b) corresponding electron back-scattering diffraction(EBSD) IPF-map taken from the electron-beam irradiated region in P900-V100 sample. Fig. 3 Average grain size and their aspect ratio calculated from EBSD IPF-map taken from the electron-beam irradiated region.
Fig. 4 Comparison of experimental SEM image and computational thermal fluid dynamics(CtFD)simulated melt pool with a beam diameter of 700 μm and absorption rates of(a)0.3,(b)0.5, and (c)0.7. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively.
Fig. 4 Comparison of experimental SEM image and computational thermal fluid dynamics(CtFD)simulated melt pool with a beam diameter of 700 μm and absorption rates of(a)0.3,(b)0.5, and (c)0.7. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively.
Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively
Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively
Fig. 6 Depth of melt tracks calculated from experimental SEM image and CtFD simulation results.
Fig. 6 Depth of melt tracks calculated from experimental SEM image and CtFD simulation results.
Fig. 7 G-R plots of 316L steel colored by(a)aspect ratio of crystalline grains and(b)fluid velocity.
Fig. 7 G-R plots of 316L steel colored by(a)aspect ratio of crystalline grains and(b)fluid velocity.
Fig. 8 Comparison of solidification microstructure(EBSD IPF-map)of melt region formed by scanning electron beam and corresponding snap shot of CtFD simulation colored by fluid velocity
Fig. 8 Comparison of solidification microstructure(EBSD IPF-map)of melt region formed by scanning electron beam and corresponding snap shot of CtFD simulation colored by fluid velocity

References

1) M.C. Sow, T. De Terris, O. Castelnau, Z. Hamouche, F. Coste, R.
Fabbro and P. Peyre: “Influence of beam diameter on Laser Powder

Bed Fusion(L-PBF)process”, Addit. Manuf. 36(2020), 101532.
2) J.C. Simmons, X. Chen, A. Azizi, M.A. Daeumer, P.Y. Zavalij, G.
Zhou and S.N. Schiffres: “Influence of processing and microstructure
on the local and bulk thermal conductivity of selective laser melted
316L stainless steel”, Addit. Manuf. 32(2020), 100996.
3) S. Dryepondt, P. Nandwana, P. Fernandez-Zelaia and F. List:
“Microstructure and High Temperature Tensile properties of 316L
Fabricated by Laser Powder-Bed Fusion”, Addit. Manuf. 37(2020),
101723.
4) S.H. Sun, T. Ishimoto, K. Hagihara, Y. Tsutsumi, T. Hanawa and T.
Nakano: “Excellent mechanical and corrosion properties of austenitic
stainless steel with a unique crystallographic lamellar microstructure
via selective laser melting”, Scr. Mater. 159(2019), 89-93.
5) T. Ishimoto, S. Wu, Y. Ito, S.H. Sun, H. Amano and T. Nakano:
“Crystallographic orientation control of 316L austenitic stainless
steel via selective laser melting”, ISIJ Int. 60(2020), 1758-1764.
6) T. Ishimoto, K. Hagihara, K. Hisamoto, S.H. Sun and T. Nakano:
“Crystallographic texture control of beta-type Ti-15Mo-5Zr3Al alloy by selective laser melting for the development of novel
implants with a biocompatible low Young’s modulus”, Scr. Mater.
132(2017), 34-38.
7) X. Ding, Y. Koizumi, D. Wei and A. Chiba: “Effect of process
parameters on melt pool geometry and microstructure development
for electron beam melting of IN718: A systematic single bead
analysis study”, Addit. Manuf. 26(2019), 215-226.
8) K. Karayagiz, L. Johnson, R. Seede, V. Attari, B. Zhang, X. Huang,
S. Ghosh, T. Duong, I. Karaman, A. Elwany and R. Arróyave: “Finite
interface dissipation phase field modeling of Ni-Nb under additive
manufacturing conditions”, Acta Mater. 185(2020), 320-339.
9) M.M. Kirka, Y. Lee, D.A. Greeley, A. Okello, M.J. Goin, M.T.
Pearce and R.R. Dehoff: “Strategy for Texture Management in
Metals Additive Manufacturing”, JOM, 69(2017), 523-531.
10) S.S. Babu, N. Raghavan, J. Raplee, S.J. Foster, C. Frederick, M.
Haines, R. Dinwiddie, M.K. Kirka, A. Plotkowski, Y. Lee and
R.R. Dehoff: “Additive Manufacturing of Nickel Superalloys:
Opportunities for Innovation and Challenges Related to
Qualification”, Metall. Mater. Trans. A. 49(2018), 3764-3780.
11) M.R. Gotterbarm, A.M. Rausch and C. Körner: “Fabrication of
Single Crystals through a μ-Helix Grain Selection Process during
Electron Beam Metal Additive Manufacturing”, Metals, 10(2020),
313.
12) J.D.D. Hunt: “Steady state columnar and equiaxed growth of
dendrites and eutectic”, Mater. Sci. Eng. 65(1984), 75-83.
13) S. Bontha, N.W. Klingbeil, P.A. Kobryn and H.L. Fraser: “Effects of
process variables and size-scale on solidification microstructure in
beam-based fabrication of bulky 3D structures”, Mater. Sci. Eng. A.
513-514(2009), 311-318.
14) J. Gockel and J. Beuth: “Understanding Ti-6Al-4V microstructure
control in additive manufacturing via process maps”, 24th Int. SFF
Symp. – An Addit. Manuf. Conf. SFF 2013.(2013), 666-674.
15) B. Schoinochoritis, D. Chantzis and K. Salonitis: “Simulation of
metallic powder bed additive manufacturing processes with the finite
element method: A critical review”, Proc. of Instit. Mech. Eng., Part
B: J. Eng. Manuf. 231(2017), 96-117.
16)小泉雄一郎: “計算機シミュレーションを用いたAdditive
Manufacturing プロセス最適化予測”, スマートプロセス学会誌,
8-4(2019), 132-138.
17) Y. Zhao, Y. Koizumi, K. Aoyagi, D. Wei, K. Yamanaka and A. Chiba:
“Molten pool behavior and effect of fluid flow on solidification
conditions in selective electron beam melting(SEBM)of a
biomedical Co-Cr-Mo alloy”, Addit. Manuf. 26(2019), 202-214.
18) C. Tang, J.L. Tan and C.H. Wong: “A numerical investigation on
the physical mechanisms of single track defects in selective laser
melting”, Int. J. Heat Mass Transf. 126(2018), 957-968.
19) Technical data for Iron, [Online]. Available: http://periodictable.com/
Elements/026/data.html. [Accessed: 8-Feb-2021].
20) N. Raghavan, R. Dehoff, S. Pannala, S. Simunovic, M. Kirka, J.
Turner, N. Carl-son and S.S. Babu: “Numerical modeling of heattransfer and the influence of process parameters on tailoring the grain
morphology of IN718 in electron beam additive manufacturing”,
Acta Mater. 112(2016), 303-314.
21) S. Morita, Y. Miki and K. Toishi: “Introduction of Dendrite
Fragmentation to Microstructure Calculation by Cellular Automaton
Method”, Tetsu-to-Hagane. 104(2018), 559-566.
22) H. Esaka and M. Tamura: “Model Experiment Using Succinonitrile
on the Formation of Equiaxed Grains caused by Forced Convection”,
Tetsu-to-Hagane. 86(2000), 252-258.

Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).

Laser powder bed fusion of 17-4 PH stainless steel: a comparative study on the effect of heat treatment on the microstructure evolution and mechanical properties

17-4 PH 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합: 열처리가 미세조직의 진화 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 비교 연구

panelS.Saboonia, A.Chaboka, S.Fenga,e, H.Blaauwb, T.C.Pijperb,c, H.J.Yangd, Y.T.Peia
aDepartment of Advanced Production Engineering, Engineering and Technology Institute Groningen, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands
bPhilips Personal Care, Oliemolenstraat 5, 9203 ZN, Drachten, The Netherlands
cInnovation Cluster Drachten, Nipkowlaan 5, 9207 JA, Drachten, The Netherlands
dShi-changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 72 Wenhua Road, Shenyang 110016, P. R. China
eSchool of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, P.R. China

Abstract

17-4 PH (precipitation hardening) stainless steel is commonly used for the fabrication of complicated molds with conformal cooling channels using laser powder bed fusion process (L-PBF). However, their microstructure in the as-printed condition varies notably with the chemical composition of the feedstock powder, resulting in different age-hardening behavior. In the present investigation, 17-4 PH stainless steel components were fabricated by L-PBF from two different feedstock powders, and subsequently subjected to different combinations of post-process heat treatments. It was observed that the microstructure in as-printed conditions could be almost fully martensitic or ferritic, depending on the ratio of Creq/Nieq of the feedstock powder. Aging treatment at 480 °C improved the yield and ultimate tensile strengths of the as-printed components. However, specimens with martensitic structures exhibited accelerated age-hardening response compared with the ferritic specimens due to the higher lattice distortion and dislocation accumulation, resulting in the “dislocation pipe diffusion mechanism”. It was also found that the martensitic structures were highly susceptible to the formation of reverted austenite during direct aging treatment, where 19.5% of austenite phase appeared in the microstructure after 15 h of direct aging. Higher fractions of reverted austenite activates the transformation induced plasticity and improves the ductility of heat treated specimens. The results of the present study can be used to tailor the microstructure of the L-PBF printed 17-4 PH stainless steel by post-process heat treatments to achieve a good combination of mechanical properties.

17-4 PH(석출 경화) 스테인리스강은 레이저 분말 베드 융합 공정(L-PBF)을 사용하여 등각 냉각 채널이 있는 복잡한 금형 제작에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 인쇄된 상태의 미세 구조는 공급원료 분말의 화학적 조성에 따라 크게 달라지므로 시효 경화 거동이 다릅니다.

현재 조사에서 17-4 PH 스테인리스강 구성요소는 L-PBF에 의해 두 가지 다른 공급원료 분말로 제조되었으며, 이후에 다양한 조합의 후처리 열처리를 거쳤습니다. 인쇄된 상태의 미세구조는 공급원료 분말의 Creq/Nieq 비율에 따라 거의 완전히 마르텐사이트 또는 페라이트인 것으로 관찰되었습니다.

480 °C에서 노화 처리는 인쇄된 구성 요소의 수율과 극한 인장 강도를 개선했습니다. 그러나 마텐자이트 구조의 시편은 격자 변형 및 전위 축적이 높아 페라이트 시편에 비해 시효 경화 반응이 가속화되어 “전위 파이프 확산 메커니즘”이 발생합니다.

또한 마르텐사이트 구조는 직접 시효 처리 중에 복귀된 오스테나이트의 형성에 매우 민감한 것으로 밝혀졌으며, 여기서 15시간의 직접 시효 후 미세 조직에 19.5%의 오스테나이트 상이 나타났습니다.

복귀된 오스테나이트의 비율이 높을수록 변형 유도 가소성이 활성화되고 열처리된 시편의 연성이 향상됩니다. 본 연구의 결과는 기계적 특성의 우수한 조합을 달성하기 위해 후처리 열처리를 통해 L-PBF로 인쇄된 17-4 PH 스테인리스강의 미세 구조를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

Keywords

Laser powder bed fusion17-4 PH stainless steelPost-process heat treatmentAge hardeningReverted austenite

Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).

References

[1]

P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jagle

Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties

Materials Science and Engineering: A, 772 (2020), Article 138633

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[2]

Y. Sun, R.J. Hebert, M. Aindow

Effect of heat treatments on microstructural evolution of additively manufactured and wrought 17-4PH stainless steel

Mater. Des., 156 (2018), pp. 429-440

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[3]

Zemin Wang, Xulei Fang, Hui Li, Wenqing Liu

Atom Probe Tomographic Characterization of nanoscale cu-rich Precipitates in 17-4 precipitate hardened stainless steel tempered at different temperatures

Microsc. Microanal., 23 (2017), pp. 340-349

View Record in ScopusGoogle Scholar

[4]

C.N. Hsiao, C.S. Chiou, J.R. Yang

Aging reactions in a 17-4 PH stainless steel

Mater. Chem. Phys., 74 (2002), pp. 134-142

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[5]

Hamidreza Riazi, Fakhreddin Ashrafizadeh, Sayed Rahman Hosseini, Reza Ghomashchi

Influence of simultaneous aging and plasma nitriding on fatigue performance of 17-4 PH stainless steel

Mater. Sci. Eng. A, 703 (2017), pp. 262-269

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[6]

M.S. Shinde, K.M. Ashtankar

Additive manufacturing–assisted conformal cooling channels in mold manufacturing processes

Adv. Mech. Eng., 9 (2017), pp. 1-14

View Record in ScopusGoogle Scholar

[7]

A. Armillotta, R. Baraggi, S. Fasoli

SLM tooling for die casting with conformal cooling channels

Int. J. Adv. Manuf. Technol., 71 (2014), pp. 573-583

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[8]

Amar M. Kamat, Yutao Pei

An analytical method to predict and compensate for residual stress-induced deformation in overhanging regions of internal channels fabricated using powder bed fusion

Additive Manufacturing, 29 (2019), Article 100796

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[9]

K.S. Prakash, T. Nancharaih, V.V. Subba Rao

Additive Manufacturing Techniques in Manufacturing – An Overview

Materials Today: Proceedings, 5 (2018), pp. 3873-3882

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[10]

R. Singh, A. Gupta, O. Tripathi, S. Srivastava, B. Singh, A. Awasthi, S.K. Rajput, P. Sonia, P. Singhal, K.K. Saxena

Powder bed fusion process in additive manufacturing: An overview

Materials Today: Proceedings, 26 (2020), pp. 3058-3070

ArticleDownload PDFGoogle Scholar

[11]

L. Zai, Ch Zhang, Y. Wang, W. Guo, D. Wellmann, X. Tong, Y. Tian

Laser Powder Bed Fusion of Precipitation-Hardened Martensitic Stainless Steels: A Review

Metals, 10 (2020), p. 255

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[12]

H. Khalid Rafi, Deepankar Pal, Nachiket Patil, Thomas L. Starr, Brent E. Stucker

Microstructure and Mechanical Behavior of 17-4 Precipitation Hardenable Steel Processed by Selective Laser Melting

J. Mater. Eng. Perf, 23 (2014), pp. 4421-4428

Google Scholar

[13]

A. Yadollahi, N. Shamsaei, S.M. Thompson, A. Elwany, L. Bian

Effects of building orientation and heat treatment on fatigue behavior of selective laser melted 17-4 PH stainless steel

Int. J. Fatigue, 94 (2017), pp. 218-235

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[14]

M. Alnajjar, Frederic Christien, Cedric Bosch, Krzysztof Wolski

A comparative study of microstructure and hydrogen embrittlement of selective laser melted and wrought 17–4 PH stainless steel

Materials Science and Engineering: A, 785 (2020), Article 139363

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[15]

M. Alnajjar, F. Christien, K. Wolski, C. Bosch

Evidence of austenite by-passing in a stainless steel obtained from laser melting additive manufacturing

Addit. Manuf, 25 (2019), pp. 187-195

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[16]

P.D. Nezhadfar, K. Anderson-Wedge, S.R. Daniewicz, N. Phan, Sh Shao, N. Shamsaei

Improved high cycle fatigue performance of additively manufactured 17-4 PH stainless steel via in-process refining micro-/defect-structure

Additive Manufacturing, 36 (2020), Article 101604

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[17]

S. Feng, A.M. Kamat, S. Sabooni, Y. Pei

Experimental and numerical investigation of the origin of surface roughness in laser powder bed fused overhang regions

Virtual and Physical Prototyping, 16 (2021), pp. S66-S84, 10.1080/17452759.2021.1896970

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[18]

W. Liu, J. Ma, M. Mazar Atabaki, R. Pillai, B. Kumar, U. Vasudevan, H. Sreshta, R. Kovacevic

Hybrid Laser-arc Welding of 17-4 PH Martensitic Stainless Steel

Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2 (2015), pp. 74-90

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[19]

J.C. Lippold, D.J. Kotecki

Welding metallurgy and weldability of stainless steels

Wiley (2005)

Google Scholar

[20]

M. Shirdel, H. Mirzadeh, M.H. Parsa

Nano/ultrafine grained austenitic stainless steel through the formation and reversion of deformation-induced martensite: Mechanisms, microstructures, mechanical properties, and TRIP effect

Mater. Charact., 103 (2015), pp. 150-161

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[21]

S. Kou

Solidification and liquation cracking issues in welding

JOM, 55 (2003), pp. 37-42

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[22]

T.J. Lienert, J.C. Lippold

Improved Weldability Diagram for Pulsed Laser Welded Austenitic Stainless Steels

Sci. Technol. Weld. Join., 8 (2003), pp. 1-9

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[23]

Ch Qiu, M. Al Kindi, A.S. Aladawi, I. Al Hatmi

A comprehensive study on microstructure and tensile behaviour of a selectively laser melted stainless steel

Sci. Rep., 8 (2018), p. 7785

View Record in ScopusGoogle Scholar

[24]

P.A. Hooper

Melt pool temperature and cooling rates in laser powder bed fusion

Addit. Manuf, 22 (2018), pp. 548-559

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[25]

T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. Ded, W. Zhang

Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties

Prog. Mater. Sci., 92 (2018), pp. 112-224

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[26]

S. Vunnam, A. Saboo, Ch Sudbrack, T.L. Starr

Effect of powder chemical composition on the as-built microstructure of 17- 4 PH stainless steel processed by selective laser melting

Additive Manufacturing, 30 (2019), Article 100876

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[27]

L. Couturier, F. De Geuser, M. Descoins, A. Deschamps

Evolution of the microstructure of a 15-5PH martensitic stainless steel during precipitation hardening heat treatment

Mater. Des., 107 (2016), pp. 416-425

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[28]

C. Cayron, B. Artaud, L. Briottet

Reconstruction of parent grains from EBSD data

Mater. Charact., 57 (2006), pp. 386-401

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[29]

R. Bhambroo, S. Roychowdhury, V. Kain, V.S. Raja

Effect of reverted austenite on mechanical properties of precipitation hardenable 17-4 stainless steel

Mater. Sci. Eng. A, 568 (2013), pp. 127-133

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[30]

T. LeBrun, T. Nakamoto, K. Horikawa, H. Kobayashi

Effect of retained austenite on subsequent thermal processing and resultant mechanical properties of selective laser melted 17–4 PH stainless steel

Mater. Des., 81 (2015), pp. 44-53

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[31]

T.H. Hsu, Y.J. Chang, C.Y. Huang, H.W. Yen, C.P. Chen, K.K. Jen, A.Ch Yeh

Microstructure and property of a selective laser melting process induced oxide dispersion strengthened 17-4 PH stainless steel

J. Alloys. Compd., 803 (2019), pp. 30-41

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[32]

Li Wang, Chaofang Dong, Cheng Man, Decheng Kong, Kui Xiao, Xiaogang Li

Enhancing the corrosion resistance of selective laser melted 15-5 PH martensite stainless steel via heat treatment

Corrosion Science, 166 (2020), Article 108427

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[33]

H. Kimura

Precipitation Behavior and 2-step Aging of 17-4PH Stainless Steel

Tetsu-to-Hagane, 86 (2000), pp. 343-348

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[34]

G. Yeli, M.A. Auger, K. Wilford, G.D.W. Smith, P.A.J. Bagot, M.P. Moody

Sequential nucleation of phases in a 17-4PH steel: Microstructural characterisation and mechanical properties

Acta. Mater., 125 (2017), pp. 38-49

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[35]

J.B. Ferguson, Benjamin F. Schultz, Dev Venugopalan1, Hugo F. Lopez, Pradeep K. Rohatgi, Kyu Cho, Chang-Soo Kim

On the Superposition of Strengthening Mechanisms in Dispersion Strengthened Alloys and Metal-Matrix Nanocomposites: Considerations of Stress and Energy

Met. Mater. Int., 20 (2014), pp. 375-388

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[36]

H. Mirzadeh, A. Najafizadeh

Aging kinetics of 17-4 PH stainless steel

Mater. Chem. Phys., 116 (2009), pp. 119-124

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[37]

L.E. Murr, E. Martinez, J. Hernandez, Sh Collins, K.N. Amato, S.M. Gaytan, P.W. Shindo

Microstructures and Properties of 17-4 PH Stainless Steel Fabricated by Selective Laser Melting

J. Mater. Res. Technol, 1 (2012), pp. 167-177

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[38]

Y.F. Shen, L.N. Qiu, X. Sun, L. Zuo, P.K. Liaw, D. Raabe

Effects of retained austenite volume fraction, morphology, and carbon content on strength and ductility of nanostructured TRIP-assisted steels

Mater. Sci. Eng. A, 636 (2015), pp. 551-564

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

참조 : YS Lee and W. Zhang, Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by laser powder bed fusion , S2214-8604 (16) 30087-2, doi.org/10.1016/j.addma .2016.05.003 , ADDMA 86.

FLOW-3D AM 미세 구조 예측 | 열 응력 해석

미세 구조 예측

냉각 속도 및 온도 구배와 같은 FLOW-3D AM 데이터를 미세 구조 모델에 입력하여 결정 성장 및 수상 돌기 암 간격을 예측할 수 있습니다. 

레이저 파우더 베드 융합으로 제작 된 니켈 기반 초합금의 열전달, 유체 흐름 및 응고 미세 구조 모델링

오하이오 주립 대학의 연구원들은 니켈 기반 초합금의 미세 구조 진화를 예측하기 위해 용융 풀과 고체 / 액체 인터페이스의 적절한 위치에서 열 구배 및 냉각 속도 데이터를 추출했습니다.

참조 : YS Lee and W. Zhang, Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by laser powder bed fusion , S2214-8604 (16) 30087-2, doi.org/10.1016/j.addma .2016.05.003 , ADDMA 86.
참조 : YS Lee and W. Zhang, Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by laser powder bed fusion , S2214-8604 (16) 30087-2, doi.org/10.1016/j.addma .2016.05.003 , ADDMA 86.

열 응력 | Thermal Stresses

FLOW-3D AM 시뮬레이션의 결과를 ABAQUS 또는 MSC NASTRAN과 같은 FEA 소프트웨어에 입력하여 추가 열 응력 분석을 실행할 수 있습니다. 여기에서 T- 조인트의 레이저 용접 시뮬레이션 결과를 추가 응력 분석을 위해 ABAQUS로 가져 오는 방법을 볼 수 있습니다. 마찬가지로 LPBF 시뮬레이션에서 응고 된 용융 풀 데이터의 결과를 사용하여 다른 FEA 소프트웨어에서 열 응력 및 왜곡 분석을 연구 할 수 있습니다.

Thermal Stresses Analysis Fig1
Thermal Stresses Analysis Fig1
Thermal Stresses Analysis Fig2
Thermal Stresses Analysis Fig2

Thermal Stresses Case Study

Directed Energy Deposition

DED (Directed Energy Deposition)는 레이저 또는 전자 빔과 같은 에너지 소스를 사용하여 가열 및 융합되는 와이어 또는 분말을 증착하여 부품을 만드는 적층 제조 공정입니다. FLOW-3D AM 은 분말 또는 와이어 이송 속도 및 크기 특성, 레이저 출력 및 스캔 속도와 같은 공정 매개 변수를 고려하여 DED 공정을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 또한, 기판과 분말 재료의 서로 다른 합금에 대해 독립적 인 열 물리적 재료 특성을 정의하여 다중 재료 DED 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 

레이저 물리학의 구현과 열 전달, 응고, 표면 장력, 차폐 가스 효과 및 반동 압력을 포함한 압력 효과를 통해 연구원은 결과 용접 비드의 강도 및 균일성에 대한 공정 매개 변수의 영향을 정확하게 분석 할 수 있습니다. 또한 이러한 시뮬레이션을 여러 레이어로 확장하여 후속 레이어 간의 융합을 분석 할 수 있습니다. 

FLOW-3D AM

flow3d AM-product
FLOW-3D AM-product

와이어 파우더 기반 DED | Wire Powder Based DED

일부 연구자들은 부품을 만들기 위해 더 넓은 범위의 처리 조건을 사용하여 하이브리드 와이어 분말 기반 DED 시스템을 찾고 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션은 다양한 분말 및 와이어 이송 속도를 가진 하이브리드 시스템을 살펴봅니다.

와이어 기반 DED | Wire Based DED

와이어 기반 DED는 분말 기반 DED보다 처리량이 높고 낭비가 적지만 재료 구성 및 증착 방향 측면에서 유연성이 떨어집니다. FLOW-3D AM 은 와이어 기반 DED의 처리 결과를 이해하는데 유용하며 최적화 연구를 통해 빌드에 대한 와이어 이송 속도 및 직경과 같은 최상의 처리 매개 변수를 찾을 수 있습니다.

FLOW-3D AM은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대해 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다.  FLOW-3D  AM  은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

LPBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM  은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 통해 분말 크기 분포, 재료 특성, 응집 효과는 물론 롤러 또는 블레이드 움직임 및 상호 작용과 같은 기하학적 효과와 관련된 분말 확산 및 압축을 이해할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 공정 매개 변수가 후속 인쇄 공정에서 용융 풀 역학에 직접적인 영향을 미치는 패킹 밀도와 같은 분말 베드 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 정확한 이해를 제공합니다.

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치
파우더 베드 압축 결과
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

FLOW-3D AM  시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

Melting | 파우더 베드 용해

DEM 시뮬레이션에서 파우더 베드가 생성되면 STL 파일로 추출됩니다. 다음 단계는 CFD를 사용하여 레이저 용융 공정을 시뮬레이션하는 것입니다. 여기서는 레이저 빔과 파우더 베드의 상호 작용을 모델링 합니다. 이 프로세스를 정확하게 포착하기 위해 물리학에는 점성 흐름, 용융 풀 내의 레이저 반사 (광선 추적을 통해), 열 전달, 응고, 상 변화 및 기화, 반동 압력, 차폐 가스 압력 및 표면 장력이 포함됩니다. 이 모든 물리학은 이 복잡한 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 TruVOF 방법을 기반으로 개발되었습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM  압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

Multilayer | 다층 적층 제조

용융 풀 트랙이 응고되면 DEM을 사용하여 이전에 응고된 층에 새로운 분말 층의 확산을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 유사하게, 레이저 용융은 새로운 분말 층에서 수행되어 후속 층 간의 융합 조건을 분석 할 수 있습니다.

해석 진행 절차는 첫 번째 용융층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

다층 적층 적층 제조 시뮬레이션

LPBF의 키홀 링 | Keyholing in LPBF

키홀링 중 다공성은 어떻게 형성됩니까? 이것은 TU Denmark의 연구원들이 FLOW-3D AM을 사용하여 답변한 질문이었습니다. 레이저 빔의 적용으로 기판이 녹으면 기화 및 상 변화로 인한 반동 압력이 용융 풀을 압박합니다. 반동 압력으로 인한 하향 흐름과 레이저 반사로 인한 추가 레이저 에너지 흡수가 공존하면 폭주 효과가 발생하여 용융 풀이 Keyholing으로 전환됩니다. 결국, 키홀 벽을 따라 온도가 변하기 때문에 표면 장력으로 인해 벽이 뭉쳐져서 진행되는 응고 전선에 의해 갇힐 수 있는 공극이 생겨 다공성이 발생합니다. FLOW-3D AM 레이저 파우더 베드 융합 공정 모듈은 키홀링 및 다공성 형성을 시뮬레이션 하는데 필요한 모든 물리 모델을 보유하고 있습니다.

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

Scan Strategy | 스캔 전략

스캔 전략은 온도 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치기 때문에 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 FLOW-3D AM 을 사용하여 결함 형성과 응고된 금속의 미세 구조에 영향을 줄 수 있는 트랙 사이에서 발생하는 재 용융을 이해하기 위한 최적의 스캔 전략을 탐색하고 있습니다. FLOW-3D AM 은 하나 또는 여러 레이저에 대해 시간에 따른 방향 속도를 구현할 때 완전한 유연성을 제공합니다.

Beam Shaping | 빔 형성

레이저 출력 및 스캔 전략 외에도 레이저 빔 모양과 열유속 분포는 LPBF 공정에서 용융 풀 역학에 큰 영향을 미칩니다. AM 기계 제조업체는 공정 안정성 및 처리량에 대해 다중 코어 및 임의 모양의 레이저 빔 사용을 모색하고 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하면 멀티 코어 및 임의 모양의 빔 프로파일을 구현할 수 있으므로 생산량을 늘리고 부품 품질을 개선하기 위한 최상의 구성에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 영역에서 수행 된 일부 작업에 대해 자세히 알아 보려면 “The Next Frontier of Metal AM”웨비나를 시청하십시오.

Multi-material Powder Bed Fusion | 다중 재료 분말 베드 융합

이 시뮬레이션에서 스테인리스 강 및 알루미늄 분말은 FLOW-3D AM 이 용융 풀 역학을 정확하게 포착하기 위해 추적하는 독립적으로 정의 된 온도 의존 재료 특성을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 용융 풀에서 재료 혼합을 이해하는 데 도움이됩니다.

다중 재료 용접 사례 연구

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사

GM과 University of Utah의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용 하여 레이저 키홀 용접을 통한 이종 금속의 혼합을 이해했습니다. 그들은 반동 압력 및 Marangoni 대류와 관련하여 구리와 알루미늄의 혼합 농도에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 시뮬레이션을 실험 결과와 비교했으며 샘플 내의 절단 단면에서 재료 농도 사이에 좋은 일치를 발견했습니다.

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1

A survey of electromagnetic metal casting computation designs, present approaches, future possibilities, and practical issues

The European Physical Journal Plus volume 136, Article number: 704 (2021) Cite this article

Abstract

Electromagnetic metal casting (EMC) is a casting technique that uses electromagnetic energy to heat metal powders. It is a faster, cleaner, and less time-consuming operation. Solid metals create issues in electromagnetics since they reflect the electromagnetic radiation rather than consume it—electromagnetic energy processing results in sounded pieces with higher-ranking material properties and a more excellent microstructure solution. For the physical production of the electromagnetic casting process, knowledge of electromagnetic material interaction is critical. Even where the heated material is an excellent electromagnetic absorber, the total heating quality is sometimes insufficient. Numerical modelling works on finding the proper coupled effects between properties to bring out the most effective operation. The main parameters influencing the quality of output of the EMC process are: power dissipated per unit volume into the material, penetration depth of electromagnetics, complex magnetic permeability and complex dielectric permittivity. The contact mechanism and interference pattern also, in turn, determines the quality of the process. Only a few parameters, such as the environment’s temperature, the interference pattern, and the rate of metal solidification, can be controlled by AI models. Neural networks are used to achieve exact outcomes by stimulating the neurons in the human brain. Additive manufacturing (AM) is used to design mold and cores for metal casting. The models outperformed the traditional DFA optimization approach, which is susceptible to local minima. The system works only offline, so real-time analysis and corrections are not yet possible.

Korea Abstract

전자기 금속 주조 (EMC)는 전자기 에너지를 사용하여 금속 분말을 가열하는 주조 기술입니다. 더 빠르고 깨끗하며 시간이 덜 소요되는 작업입니다.

고체 금속은 전자기 복사를 소비하는 대신 반사하기 때문에 전자기학에서 문제를 일으킵니다. 전자기 에너지 처리는 더 높은 등급의 재료 특성과 더 우수한 미세 구조 솔루션을 가진 사운드 조각을 만듭니다.

전자기 주조 공정의 물리적 생산을 위해서는 전자기 물질 상호 작용에 대한 지식이 중요합니다. 가열된 물질이 우수한 전자기 흡수재인 경우에도 전체 가열 품질이 때때로 불충분합니다. 수치 모델링은 가장 효과적인 작업을 이끌어 내기 위해 속성 간의 적절한 결합 효과를 찾는데 사용됩니다.

EMC 공정의 출력 품질에 영향을 미치는 주요 매개 변수는 단위 부피당 재료로 분산되는 전력, 전자기의 침투 깊이, 복합 자기 투과성 및 복합 유전율입니다. 접촉 메커니즘과 간섭 패턴 또한 공정의 품질을 결정합니다. 환경 온도, 간섭 패턴 및 금속 응고 속도와 같은 몇 가지 매개 변수 만 AI 모델로 제어 할 수 있습니다.

신경망은 인간 뇌의 뉴런을 자극하여 정확한 결과를 얻기 위해 사용됩니다. 적층 제조 (AM)는 금속 주조용 몰드 및 코어를 설계하는 데 사용됩니다. 모델은 로컬 최소값에 영향을 받기 쉬운 기존 DFA 최적화 접근 방식을 능가했습니다. 이 시스템은 오프라인에서만 작동하므로 실시간 분석 및 수정은 아직 불가능합니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1
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electromagnetic metal casting computation designs Fig2
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electromagnetic metal casting computation designs Fig3
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electromagnetic metal casting computation designs Fig4
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electromagnetic metal casting computation designs Fig5
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electromagnetic metal casting computation designs Fig6
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electromagnetic metal casting computation designs Fig7
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electromagnetic metal casting computation designs Fig8
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electromagnetic metal casting computation designs Fig9
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References

  1. 1.J. Sun, W. Wang, Q. Yue, Review on electromagnetic-matter interaction fundamentals and efficient electromagnetic-associated heating strategies. Materials 9(4), 231 (2016). https://doi.org/10.3390/ma9040231ADS Article Google Scholar 
  2. 2.E. Ghasali, A. Fazili, M. Alizadeh, K. Shirvanimoghaddam, T. Ebadzadeh, Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al-TiC metal matrix composite prepared by conventional, electromagnetic and spark plasma sintering methods. Materials 10(11), 1255 (2017). https://doi.org/10.3390/ma10111255ADS Article Google Scholar 
  3. 3.D. Agrawal, Latest global developments in electromagnetic materials processing. Mater. Res. Innov. 14(1), 3–8 (2010). https://doi.org/10.1179/143307510×12599329342926Article Google Scholar 
  4. 4.S. Singh, P. Singh, D. Gupta, V. Jain, R. Kumar, S. Kaushal, Development and characterization of electromagnetic processed cast iron joint. Eng. Sci. Technol. Int. J. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.10.012Article Google Scholar 
  5. 5.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Electromagnetic melting and processing of metal–ceramic composite castings. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 232(7), 1235–1243 (2016). https://doi.org/10.1177/0954405416666900Article Google Scholar 
  6. 6.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Novel electromagnetic composite casting process: theory, feasibility and characterization. Mater. Des. 111, 51–59 (2016). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.071Article Google Scholar 
  7. 7.J. Lucas, J, What are electromagnetics? LiveScience. (2018). https://www.livescience.com/50259-Electromagnetics.html
  8. 8.R. Samyal, A.K. Bagha, R. Bedi, the casting of materials using electromagnetic energy: a review. Mater. Today Proc. (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.255Article Google Scholar 
  9. 9.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Processing of Ni-WC-8Co MMC casting through electromagnetic melting. Mater. Manuf. Process. (2017). https://doi.org/10.1080/10426914.2017.1291954Article Google Scholar 
  10. 10.R. Singh, S. Singh, V. Mahajan, Investigations for dimensional accuracy of investment casting process after cycle time reduction by advancements in shell moulding. Procedia Mater. Sci. 6, 859–865 (2014). https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.103Article Google Scholar 
  11. 11.R.R. Mishra, A.K. Sharma, On melting characteristics of bulk Al-7039 alloy during in-situ electromagnetic casting. Appl. Therm. Eng. 111, 660–675 (2017). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.09.122Article Google Scholar 
  12. 12.S. Zhang, 10 Different types of casting process. (2021). MachineMfg.com, https://www.machinemfg.com/types-of-casting/
  13. 13.Envirocare, Foundry health risks. (2013). https://envirocare.org/foundry-health-risks/
  14. 14.S.S. Gajmal, D.N. Raut, A review of opportunities and challenges in electromagnetic assisted casting. Recent Trends Product. Eng. 2(1) (2019)
  15. 15.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Electromagnetic-material interaction phenomena: heating mechanisms, challenges and opportunities in material processing. Compos. Part A (2015). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.10.035Article Google Scholar 
  16. 16.S. Chandrasekaran, T. Basak, S. Ramanathan, Experimental and theoretical investigation on electromagnetic melting of metals. J. Mater. Process. Technol. 211(3), 482–487 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.001Article Google Scholar 
  17. 17.C.R. Bird, J.M. Mertz, U.S. Patent No. 4655276. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 1987)
  18. 18.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Experimental investigation on in-situ electromagnetic casting of copper. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 346, 012052 (2018). https://doi.org/10.1088/1757-899x/346/1/012052Article Google Scholar 
  19. 19.V. Gangwar, S. Kumar, V. Singh, H. Singh, Effect of process parameters on hardness of AA-6063 in-situ electromagnetic casting by using taguchi method, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 804(1) (IOP Publishing, 2020), p. 012019
  20. 20.X. Ye, S. Guo, L. Yang, J. Gao, J. Peng, T. Hu, L. Wang, M. Hou, Q. Luo, New utilization approach of electromagnetic thermal energy: preparation of metallic matrix diamond tool bit by electromagnetic hot-press sintering. J. Alloy. Compd. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.183Article Google Scholar 
  21. 21.S. Das, A.K. Mukhopadhyay, S. Datta, D. Basu, Prospects of Electromagnetic processing: an overview. Bull. Mater. Sci. 32(1), 1–13 (2009). https://doi.org/10.1007/s12034-009-0001-4Article Google Scholar 
  22. 22.K.L. Glass, D.M. Ashby, U.S. Patent No. 9050656. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2015)
  23. 23.S. Verma, P. Gupta, S. Srivastava, S. Kumar, A. Anand, An overview: casting/melting of non ferrous metallic materials using domestic electromagnetic oven. J. Mater. Sci. Mech. Eng. 4(4), (2017). p-ISSN: 2393-9095; e-ISSN: 2393-9109
  24. 24.S.S. Panda, V. Singh, A. Upadhyaya, D. Agrawal, Sintering response of austenitic (316L) and ferritic (434L) stainless steel consolidated in conventional and electromagnetic furnaces. Scripta Mater. 54(12), 2179–2183 (2006). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.02.034Article Google Scholar 
  25. 25.Y. Zhang, S. Yang, S. Wang, X. Liu, L. Li, Microwave/freeze casting assisted fabrication of carbon frameworks derived from embedded upholder in tremella for superior performance supercapacitors. Energy Storage Mater. (2018). https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.006Article Google Scholar 
  26. 26.D. Thomas, P. Abhilash, M.T. Sebastian, Casting and characterization of LiMgPO4 glass free LTCC tape for electromagnetic applications. J. Eur. Ceram. Soc. 33(1), 87–93 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.08.002Article Google Scholar 
  27. 27.M.H. Awida, N. Shah, B. Warren, E. Ripley, A.E. Fathy, Modeling of an industrial Electromagnetic furnace for metal casting applications. 2008 IEEE MTT-S Int. Electromagn. Symp. Digest. (2008). https://doi.org/10.1109/mwsym.2008.4633143Article Google Scholar 
  28. 28.P.K. Loharkar, A. Ingle, S. Jhavar, Parametric review of electromagnetic-based materials processing and its applications. J. Market. Res. 8(3), 3306–3326 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.04.004Article Google Scholar 
  29. 29.E.B. Ripley, J.A. Oberhaus, WWWeb search power page-melting and heat treating metals using electromagnetic heating-the potential of electromagnetic metal processing techniques for a wide variety of metals and alloys is. Ind. Heat. 72(5), 65–70 (2005)Google Scholar 
  30. 30.J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design (Butterworth-Heinemann, 2015)Google Scholar 
  31. 31.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis, 1st edn. (PHI Learning Ltd, 2005)Google Scholar 
  32. 32.D.E. Clark, W.H. Sutton, Electromagnetic processing of materials. Annu. Rev. Mater. Sci. 26(1), 299–331 (1996)ADS Article Google Scholar 
  33. 33.A.D. Abdullin, New capabilities of software package ProCAST 2011 for modeling foundry operations. Metallurgist 56(5–6), 323–328 (2012). https://doi.org/10.1007/s11015-012-9578-8Article Google Scholar 
  34. 34.J. Ha, P. Cleary, V. Alguine, T. Nguyen, Simulation of die filling in gravity die casting using SPH and MAGMAsoft, in Proceedings of 2nd International Conference on CFD in Minerals & Process Industries (1999) pp. 423–428
  35. 35.M. Sirviö, M. Woś, Casting directly from a computer model by using advanced simulation software FLOW-3D Cast Ž. Arch. Foundry Eng. 9(1), 79–82 (2009)Google Scholar 
  36. 36.NOVACAST Systems, Nova-Solid/Flow Brochure, NOVACAST, Ronneby (2015)
  37. 37.AutoCAST-X1 Brochure, 3D Foundry Tech, Mumbai
  38. 38.EKK, Inc. Metal Casting Simulation Software and Consulting Services, CAPCAST Brochure
  39. 39.P. Muenprasertdee, Solidification modeling of iron castings using SOLIDCast (2007)
  40. 40.CasCAE, CT-CasTest Inc. Oy, Kerava
  41. 41.E. Dominguez-Tortajada, J. Monzo-Cabrera, A. Diaz-Morcillo, Uniform electric field distribution in electromagnetic heating applicators by means of genetic algorithms optimization of dielectric multilayer structures. IEEE Trans. Electromagn. Theory Tech. 55(1), 85–91 (2007). https://doi.org/10.1109/tmtt.2006.886913ADS Article Google Scholar 
  42. 42.B. Warren, M.H. Awida, A.E. Fathy, Electromagnetic heating of metals. IET Electromagn. Antennas Propag. 6(2), 196–205 (2012)Article Google Scholar 
  43. 43.S. Ashouri, M. Nili-Ahmadabadi, M. Moradi, M. Iranpour, Semi-solid microstructure evolution during reheating of aluminum A356 alloy deformed severely by ECAP. J. Alloy. Compd. 466(1–2), 67–72 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.11.010Article Google Scholar 
  44. 44.Penn State, Metal Parts Made In The Electromagnetic Oven. ScienceDaily. (1999) Retrieved May 8, 2021, from www.sciencedaily.com/releases/1999/06/990622055733.htm
  45. 45.R.R. Mishra, A.K. Sharma, A review of research trends in electromagnetic processing of metal-based materials and opportunities in electromagnetic metal casting. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 41(3), 217–255 (2016). https://doi.org/10.1080/10408436.2016.1142421ADS Article Google Scholar 
  46. 46.D.K. Ghodgaonkar, V.V. Varadan, V.K. Varadan, Free-space measurement of complex permittivity and complex permeability of magnetic materials at Electromagnetic frequencies. IEEE Trans. Instrum. Meas. 39(2), 387–394 (1990). https://doi.org/10.1109/19.52520Article Google Scholar 
  47. 47.J. Baker-Jarvis, E.J. Vanzura, W.A. Kissick, Improved technique for determining complex permittivity with the transmission/reflection method. Microw. Theory Tech. IEEE Trans. 38, 1096–1103 (1990)ADS Article Google Scholar 
  48. 48.M. Bologna, A. Petri, B. Tellini, C. Zappacosta, Effective magnetic permeability measurementin composite resonator structures. Instrum. Meas. IEEE Trans. 59, 1200–1206 (2010)Article Google Scholar 
  49. 49.B. Ravi, G.L. Datta, Metal casting–back to future, in 52nd Indian Foundry Congress, (2004)
  50. 50.D. El Khaled, N. Novas, J.A. Gazquez, F. Manzano-Agugliaro. Microwave dielectric heating: applications on metals processing. Renew. Sustain. Energy Rev. 82, 2880–2892 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.043Article Google Scholar 
  51. 51.H. Sekiguchi, Y. Mori, Steam plasma reforming using Electromagnetic discharge. Thin Solid Films 435, 44–48 (2003)ADS Article Google Scholar 
  52. 52.J. Sun, W. Wang, C. Zhao, Y. Zhang, C. Ma, Q. Yue, Study on the coupled effect of wave absorption and metal discharge generation under electromagnetic irradiation. Ind. Eng. Chem. Res. 53, 2042–2051 (2014)Article Google Scholar 
  53. 53.K.I. Rybakov, E.A. Olevsky, E.V. Krikun, Electromagnetic sintering: fundamentals and modeling. J. Am. Ceram. Soc. 96(4), 1003–1020 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.12278Article Google Scholar 
  54. 54.A.K. Shukla, A. Mondal, A. Upadhyaya, Numerical modeling of electromagnetic heating. Sci. Sinter. 42(1), 99–124 (2010)Article Google Scholar 
  55. 55.M. Chiumenti, C. Agelet de Saracibar, M. Cervera, On the numerical modeling of the thermomechanical contact for metal casting analysis. J. Heat Transf. 130(6), (2008). https://doi.org/10.1115/1.2897923Article MATH Google Scholar 
  56. 56.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis. (PHI Learning Pvt. Ltd., 2005)
  57. 57.J.H. Lee, S.D. Noh, H.-J. Kim, Y.-S. Kang, Implementation of cyber-physical production systems for quality prediction and operation control in metal casting. Sensors 18, 1428 (2018). https://doi.org/10.3390/s18051428ADS Article Google Scholar 
  58. 58.B. Aksoy, M. Koru, Estimation of casting mold interfacial heat transfer coefficient in pressure die casting process by artificial intelligence methods. Arab. J. Sci. Eng. 45, 8969–8980 (2020). https://doi.org/10.1007/s13369-020-04648-7Article Google Scholar 
  59. 59.S.S. Miriyala, V.R. Subramanian, K. Mitra, TRANSFORM-ANN for online optimization of complex industrial processes: casting process as case study. Eur. J. Oper. Res. 264(1), 294–309 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ejor.2017.05.026MathSciNet Article MATH Google Scholar 
  60. 60.J.K. Kittu, G.C.M. Patel, M. Parappagoudar, Modeling of pressure die casting process: an artificial intelligence approach. Int. J. Metalcast. (2015). https://doi.org/10.1007/s40962-015-0001-7Article Google Scholar 
  61. 61.W. Chen, B. Gutmann, C.O. Kappe, Characterization of electromagnetic-induced electric discharge phenomena in metal-solvent mixtures. ChemistryOpen 1, 39–48 (2012)Article Google Scholar 
  62. 62.J. Walker, A. Prokop, C. Lynagh, B. Vuksanovich, B. Conner, K. Rogers, J. Thiel, E. MacDonald, Real-time process monitoring of core shifts during metal casting with wireless sensing and 3D sand printing. Addit. Manuf. (2019). https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.018Article Google Scholar 
  63. 63.G.C. Manjunath Patel, A.K. Shettigar, M.B. Parappagoudar, A systematic approach to model and optimize wear behaviour of castings produced by squeeze casting process. J. Manuf. Process. 32, 199–212 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.02.004Article Google Scholar 
  64. 64.G.C. Manjunath Patel, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, An intelligent system for squeeze casting process—soft computing based approach. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 86, 3051–3065 (2016). https://doi.org/10.1007/s00170-016-8416-8Article Google Scholar 
  65. 65.M. Ferguson, R. Ak, Y.T. Lee, K.H. Law, Automatic localization of casting defects with convolutional neural networks, in 2017 IEEE International Conference on Big Data (Big Data) (Boston, MA, USA, 2017), pp. 1726–1735. https://doi.org/10.1109/BigData.2017.8258115.
  66. 66.P.K.D.V. Yarlagadda, Prediction of die casting process parameters by using an artificial neural network model for zinc alloys. Int. J. Prod. Res. 38(1), 119–139 (2000). https://doi.org/10.1080/002075400189617Article MATH Google Scholar 
  67. 67.G.C. ManjunathPatel, A.K. Shettigar, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, Back propagation genetic and recurrent neural network applications in modelling and analysis of squeeze casting process. Appl. Soft Comput. 59, 418–437 (2017). https://doi.org/10.1016/j.asoc.2017.06.018Article Google Scholar 
  68. 68.J. Zheng, Q. Wang, P. Zhao et al., Optimization of high-pressure die-casting process parameters using artificial neural network. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 44, 667–674 (2009). https://doi.org/10.1007/s00170-008-1886-6Article Google Scholar 
  69. 69.E. Mares, J. Sokolowski, Artificial intelligence-based control system for the analysis of metal casting properties. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 40, 149–154 (2010)Google Scholar 
  70. 70.K.S. Senthil, S. Muthukumaran, C. Chandrasekhar Reddy, Suitability of friction welding of tube to tube plate using an external tool process for different tube diameters—a study. Exp. Tech. 37(6), 8–14 (2013)Article Google Scholar 
  71. 71.N.K. Bhoi, H. Singh, S. Pratap, P.K. Jain, Electromagnetic material processing: a clean, green, and sustainable approach. Sustain. Eng. Prod. Manuf. Technol. (2019). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816564-5.00001-3Article Google Scholar 
  72. 72.K.S. Senthil, D.A. Daniel, An investigation of boiler grade tube and tube plate without block by using friction welding process. Mater. Today Proc. 5(2), 8567–8576 (2018)Article Google Scholar 
  73. 73.E. Hetmaniok, D. Słota, A. Zielonka, Restoration of the cooling conditions in a three-dimensional continuous casting process using artificial intelligence algorithms. Appl. Math. Modell. 39(16), 4797–4807 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.03.056Article MATH Google Scholar 
  74. 74.C.V. Kumar, S. Muthukumaran, A. Pradeep, S.S. Kumaran, Optimizational study of friction welding of steel tube to aluminum tube plate using an external tool process. Int. J. Mech. Mater. Eng. 6(2), 300–306 (2011)Google Scholar 
  75. 75.T. Adithiyaa, D. Chandramohan, T. Sathish, Optimal prediction of process parameters by GWO-KNN in stirring-squeeze casting of AA2219 reinforced metal matrix composites. Mater. Today Proc. 150, 1598 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.051Article Google Scholar 
  76. 76.B.P. Pehrson, A.F. Moore (2014). U.S. Patent No. 8708031 (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2014)
  77. 77.Liu, J., & Rynerson, M. L. (2008). U.S. Patent No. 7,461,684. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  78. 78.K. Salonitis, B. Zeng, H.A. Mehrabi, M. Jolly, The challenges for energy efficient casting processes. Procedia CIRP 40, 24–29 (2016). https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.01.043Article Google Scholar 
  79. 79.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of solidification environment on microstructure and indentation hardness of Al–Zn–Mg alloy casts developed using electromagnetic heating. Int. J. Metal Cast. 10, 1–13 (2017). https://doi.org/10.1007/s40962-017-0176-1Article Google Scholar 
  80. 80.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of susceptor and Mold material on microstructure of in-situ electromagnetic casts of Al–Zn–Mg alloy. Mater. Des. 131, 428–440 (2017). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.038Article Google Scholar 
  81. 81.S. Kaushal, S. Bohra, D. Gupta, V. Jain, On processing and characterization of Cu–Mo-based castings through electromagnetic heating. Int. J. Metalcast. (2020). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00481-8Article Google Scholar 
  82. 82.S. Nandwani, S. Vardhan, A.K. Bagha, A literature review on the exposure time of electromagnetic based welding of different materials. Mater. Today Proc. (2019). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.056Article Google Scholar 
  83. 83.F.J.B. Brum, S.C. Amico, I. Vedana, J.A. Spim, Electromagnetic dewaxing applied to the investment casting process. J. Mater. Process. Technol. 209(7), 3166–3171 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.024Article Google Scholar 
  84. 84.M.P. Reddy, R.A. Shakoor, G. Parande, V. Manakari, F. Ubaid, A.M.A. Mohamed, M. Gupta, Enhanced performance of nano-sized SiC reinforced Al metal matrix nanocomposites synthesized through electromagnetic sintering and hot extrusion techniques. Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 27(5), 606–614 (2017). https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2017.08.015Article Google Scholar 
  85. 85.V.R. Kalamkar, K. Monkova, (Eds.), Advances in Mechanical Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. (2021) https://doi.org/10.1007/978-981-15-3639-7
  86. 86.V. Bist, A.K. Sharma, P. Kumar, Development and microstructural characterisations of the lead casting using electromagnetic technology. Manager’s J. Mech. Eng. 4(4), 6 (2014). https://doi.org/10.26634/jme.4.4.2840Article Google Scholar 
  87. 87.A. Sharma, A. Chouhan, L. Pavithran, U. Chadha, S.K. Selvaraj, Implementation of LSS framework in automotive component manufacturing: a review, current scenario and future directions. Mater Today: Proc. (2021). https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2021.02.374Article Google Scholar 
Figure 6. Evolution of melt pool in the overhang region (θ = 45°, P = 100 W, v = 1000 mm/s, the streamlines are shown by arrows).

Experimental and numerical investigation of the origin of surface roughness in laser powder bed fused overhang regions

레이저 파우더 베드 융합 오버행 영역에서 표면 거칠기의 원인에 대한 실험 및 수치 조사

Shaochuan Feng,Amar M. Kamat,Soheil Sabooni &Yutao PeiPages S66-S84 | Received 18 Jan 2021, Accepted 25 Feb 2021, Published online: 10 Mar 2021

ABSTRACT

Surface roughness of laser powder bed fusion (L-PBF) printed overhang regions is a major contributor to deteriorated shape accuracy/surface quality. This study investigates the mechanisms behind the evolution of surface roughness (Ra) in overhang regions. The evolution of surface morphology is the result of a combination of border track contour, powder adhesion, warp deformation, and dross formation, which is strongly related to the overhang angle (θ). When 0° ≤ θ ≤ 15°, the overhang angle does not affect Ra significantly since only a small area of the melt pool boundaries contacts the powder bed resulting in slight powder adhesion. When 15° < θ ≤ 50°, powder adhesion is enhanced by the melt pool sinking and the increased contact area between the melt pool boundary and powder bed. When θ > 50°, large waviness of the overhang contour, adhesion of powder clusters, severe warp deformation and dross formation increase Ra sharply.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF) 프린팅 오버행 영역의 표면 거칠기는 형상 정확도 / 표면 품질 저하의 주요 원인입니다. 이 연구 는 오버행 영역에서 표면 거칠기 (Ra ) 의 진화 뒤에 있는 메커니즘을 조사합니다 . 표면 형태의 진화는 오버행 각도 ( θ ) 와 밀접한 관련이있는 경계 트랙 윤곽, 분말 접착, 뒤틀림 변형 및 드로스 형성의 조합의 결과입니다 . 0° ≤  θ  ≤ 15° 인 경우 , 용융풀 경계의 작은 영역 만 분말 베드와 접촉하여 약간의 분말 접착이 발생하기 때문에 오버행 각도가 R a에 큰 영향을 주지 않습니다 . 15° < θ 일 때  ≤ 50°, 용융 풀 싱킹 및 용융 풀 경계와 분말 베드 사이의 증가된 접촉 면적으로 분말 접착력이 향상됩니다. θ  > 50° 일 때 오버행 윤곽의 큰 파형, 분말 클러스터의 접착, 심한 휨 변형 및 드 로스 형성이 Ra 급격히 증가 합니다.

KEYWORDS: Laser powder bed fusion (L-PBF), melt pool dynamics, overhang region, shape deviation, surface roughness

1. Introduction

레이저 분말 베드 융합 (L-PBF)은 첨단 적층 제조 (AM) 기술로, 집중된 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 융합하여 슬라이스 된 3D 컴퓨터 지원에 따라 층별로 3 차원 (3D) 금속 부품을 구축합니다. 설계 (CAD) 모델 (Chatham, Long 및 Williams 2019 ; Tan, Zhu 및 Zhou 2020 ). 재료가 인쇄 층 아래에 ​​존재하는지 여부에 따라 인쇄 영역은 각각 솔리드 영역 또는 돌출 영역으로 분류 될 수 있습니다. 따라서 오버행 영역은 고체 기판이 아니라 분말 베드 바로 위에 건설되는 특수 구조입니다 (Patterson, Messimer 및 Farrington 2017). 오버행 영역은지지 구조를 포함하거나 포함하지 않고 구축 할 수 있으며, 지지대가있는 돌출 영역의 L-PBF는 지지체가 더 낮은 밀도로 구축된다는 점을 제외 하고 (Wang and Chou 2018 ) 고체 기판의 공정과 유사합니다 (따라서 기계적 강도가 낮기 때문에 L-PBF 공정 후 기계적으로 쉽게 제거 할 수 있습니다. 따라서지지 구조로 인쇄 된 오버행 영역은 L-PBF 공정 후 지지물 제거, 연삭 및 연마와 같은 추가 후 처리 단계가 필요합니다.

수평 내부 채널의 제작과 같은 일부 특정 경우에는 공정 후 지지대를 제거하기가 어려우므로 채널 상단 절반의 돌출부 영역을 지지대없이 건설해야합니다 (Hopkinson and Dickens 2000 ). 수평 내부 채널에 사용할 수없는지지 구조 외에도 내부 표면, 특히 등각 냉각 채널 (Feng, Kamat 및 Pei 2021 ) 에서 발생하는 복잡한 3D 채널 네트워크의 경우 표면 마감 프로세스를 구현하는 것도 어렵습니다 . 결과적으로 오버행 영역은 (i) 잔류 응력에 의한 변형, (ii) 계단 효과 (Kuo et al. 2020 ; Li et al. 2020 )로 인해 설계된 모양에서 벗어날 수 있습니다 .) 및 (iii) 원하지 않는 분말 소결로 인한 향상된 표면 거칠기; 여기서, 앞의 두 요소는 일반적으로 mm 길이 스케일에서 ‘매크로’편차로 분류되고 후자는 일반적으로 µm 길이 스케일에서 ‘마이크로’편차로 인식됩니다.

열 응력에 의한 변형은 오버행 영역에서 발생하는 중요한 문제입니다 (Patterson, Messimer 및 Farrington 2017 ). 국부적 인 용융 / 냉각은 용융 풀 내부 및 주변에서 큰 온도 구배를 유도하여 응고 된 층에 집중적 인 열 응력을 유발합니다. 열 응력에 의한 뒤틀림은 고체 영역을 현저하게 변형하지 않습니다. 이러한 영역은 아래의 여러 레이어에 의해 제한되기 때문입니다. 반면에 오버행 영역은 구속되지 않고 공정 중 응력 완화로 인해 상당한 변형이 발생합니다 (Kamat 및 Pei 2019 ). 더욱이 용융 깊이는 레이어 두께보다 큽니다 (이전 레이어도 재용 해되어 빌드 된 레이어간에 충분한 결합을 보장하기 때문입니다 [Yadroitsev et al. 2013 ; Kamath et al.2014 ]),응고 된 두께가 설계된 두께보다 크기 때문에형태 편차 (예 : 드 로스 [Charles et al. 2020 ; Feng et al. 2020 ])가 발생합니다. 마이크로 스케일에서 인쇄 된 표면 (R a 및 S a ∼ 10 μm)은 기계적으로 가공 된 표면보다 거칠다 (Duval-Chaneac et al. 2018 ; Wen et al. 2018 ). 이 문제는고형화 된 용융 풀의 가장자리에 부착 된 용융되지 않은 분말의 결과로 표면 거칠기 (R a )가 일반적으로 약 20 μm인 오버행 영역에서 특히 심각합니다 (Mazur et al. 2016 ; Pakkanen et al. 2016 ).

오버행 각도 ( θ , 빌드 방향과 관련하여 측정)는 오버행 영역의 뒤틀림 편향과 표면 거칠기에 영향을 미치는 중요한 매개 변수입니다 (Kamat and Pei 2019 ; Mingear et al. 2019 ). θ ∼ 45 ° 의 오버행 각도 는 일반적으로지지 구조없이 오버행 영역을 인쇄 할 수있는 임계 값으로 합의됩니다 (Pakkanen et al. 2016 ; Kadirgama et al. 2018 ). θ 일 때이 임계 값보다 크면 오버행 영역을 허용 가능한 표면 품질로 인쇄 할 수 없습니다. 오버행 각도 외에도 레이저 매개 변수 (레이저 에너지 밀도와 관련된)는 용융 풀의 모양 / 크기 및 용융 풀 역학에 영향을줌으로써 오버행 영역의 표면 거칠기에 영향을줍니다 (Wang et al. 2013 ; Mingear et al . 2019 ).

용융 풀 역학은 고체 (Shrestha 및 Chou 2018 ) 및 오버행 (Le et al. 2020 ) 영역 모두에서 수행되는 L-PBF 공정을 포함한 레이저 재료 가공의 일반적인 물리적 현상입니다 . 용융 풀 모양, 크기 및 냉각 속도는 잔류 응력으로 인한 변형과 ​​표면 거칠기에 모두 영향을 미치므로 처리 매개 변수와 표면 형태 / 품질 사이의 다리 역할을하며 용융 풀을 이해하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하여 추가 조사를 수행 할 수 있습니다. 거동과 표면 거칠기에 미치는 영향. 현재까지 고체 영역의 L-PBF 동안 용융 풀 동작을 시뮬레이션하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다. 유한 요소 방법 (FEM)과 같은 시뮬레이션 기술 (Roberts et al. 2009 ; Du et al.2019 ), 유한 차분 법 (FDM) (Wu et al. 2018 ), 전산 유체 역학 (CFD) (Lee and Zhang 2016 ), 임의의 Lagrangian-Eulerian 방법 (ALE) (Khairallah and Anderson 2014 )을 사용하여 증발 반동 압력 (Hu et al. 2018 ) 및 Marangoni 대류 (Zhang et al. 2018 ) 현상을포함하는 열 전달 (온도 장) 및 물질 전달 (용융 흐름) 프로세스. 또한 이산 요소법 (DEM)을 사용하여 무작위 분산 분말 베드를 생성했습니다 (Lee and Zhang 2016 ; Wu et al. 2018 ). 이 모델은 분말 규모의 L-PBF 공정을 시뮬레이션했습니다 (Khairallah et al. 2016) 메조 스케일 (Khairallah 및 Anderson 2014 ), 단일 트랙 (Leitz et al. 2017 )에서 다중 트랙 (Foroozmehr et al. 2016 ) 및 다중 레이어 (Huang, Khamesee 및 Toyserkani 2019 )로.

그러나 결과적인 표면 거칠기를 결정하는 오버행 영역의 용융 풀 역학은 문헌에서 거의 관심을받지 못했습니다. 솔리드 영역의 L-PBF에 대한 기존 시뮬레이션 모델이 어느 정도 참조가 될 수 있지만 오버행 영역과 솔리드 영역 간의 용융 풀 역학에는 상당한 차이가 있습니다. 오버행 영역에서 용융 금속은 분말 입자 사이의 틈새로 아래로 흘러 용융 풀이 다공성 분말 베드가 제공하는 약한 지지체 아래로 가라 앉습니다. 이것은 중력과 표면 장력의 영향이 용융 풀의 결과적인 모양 / 크기를 결정하는 데 중요하며, 결과적으로 오버행 영역의 마이크로 스케일 형태의 진화에 중요합니다. 또한 분말 입자 사이의 공극, 열 조건 (예 : 에너지 흡수,2019 ; Karimi et al. 2020 ; 노래와 영 2020 ). 표면 거칠기는 (마이크로) 형상 편차를 증가시킬뿐만 아니라 주기적 하중 동안 미세 균열의 시작 지점 역할을함으로써 기계적 강도를 저하시킵니다 (Günther et al. 2018 ). 오버행 영역의 높은 표면 거칠기는 (마이크로) 정확도 / 품질에 대한 엄격한 요구 사항이있는 부품 제조에서 L-PBF의 적용을 제한합니다.

본 연구는 실험 및 시뮬레이션 연구를 사용하여 오버행 영역 (지지물없이 제작)의 미세 형상 편차 형성 메커니즘과 표면 거칠기의 기원을 체계적이고 포괄적으로 조사합니다. 결합 된 DEM-CFD 시뮬레이션 모델은 경계 트랙 윤곽, 분말 접착 및 뒤틀림 변형의 효과를 고려하여 오버행 영역의 용융 풀 역학과 표면 형태의 형성 메커니즘을 나타 내기 위해 개발되었습니다. 표면 거칠기 R의 시뮬레이션 및 단일 요인 L-PBF 인쇄 실험을 사용하여 오버행 각도의 함수로 연구됩니다. 용융 풀의 침몰과 관련된 오버행 영역에서 분말 접착의 세 가지 메커니즘이 식별되고 자세히 설명됩니다. 마지막으로, 인쇄 된 오버행 영역에서 높은 표면 거칠기 문제를 완화 할 수 있는 잠재적 솔루션에 대해 간략하게 설명합니다.

The shape and size of the L-PBF printed samples are illustrated in Figure 1
The shape and size of the L-PBF printed samples are illustrated in Figure 1
Figure 2. Borders in the overhang region depending on the overhang angle θ
Figure 2. Borders in the overhang region depending on the overhang angle θ
Figure 3. (a) Profile of the volumetric heat source, (b) the model geometry of single-track printing on a solid substrate (unit: µm), and (c) the comparison of melt pool dimensions obtained from the experiment (right half) and simulation (left half) for a calibrated optical penetration depth of 110 µm (laser power 200 W and scan speed 800 mm/s, solidified layer thickness 30 µm, powder size 10–45 µm).
Figure 3. (a) Profile of the volumetric heat source, (b) the model geometry of single-track printing on a solid substrate (unit: µm), and (c) the comparison of melt pool dimensions obtained from the experiment (right half) and simulation (left half) for a calibrated optical penetration depth of 110 µm (laser power 200 W and scan speed 800 mm/s, solidified layer thickness 30 µm, powder size 10–45 µm).
Figure 4. The model geometry of an overhang being L-PBF processed: (a) 3D view and (b) right view.
Figure 4. The model geometry of an overhang being L-PBF processed: (a) 3D view and (b) right view.
Figure 5. The cross-sectional contour of border tracks in a 45° overhang region.
Figure 5. The cross-sectional contour of border tracks in a 45° overhang region.
Figure 6. Evolution of melt pool in the overhang region (θ = 45°, P = 100 W, v = 1000 mm/s, the streamlines are shown by arrows).
Figure 6. Evolution of melt pool in the overhang region (θ = 45°, P = 100 W, v = 1000 mm/s, the streamlines are shown by arrows).
Figure 7. The overhang contour is contributed by (a) only outer borders when θ ≤ 60° (b) both inner borders and outer borders when θ > 60°.
Figure 7. The overhang contour is contributed by (a) only outer borders when θ ≤ 60° (b) both inner borders and outer borders when θ > 60°.
Figure 8. Schematic of powder adhesion on a 45° overhang region.
Figure 8. Schematic of powder adhesion on a 45° overhang region.
Figure 9. The L-PBF printed samples with various overhang angle (a) θ = 0° (cube), (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 55° and (e) θ = 60°.
Figure 9. The L-PBF printed samples with various overhang angle (a) θ = 0° (cube), (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 55° and (e) θ = 60°.
Figure 10. Two mechanisms of powder adhesion related to the overhang angle: (a) simulation-predicted, θ = 45°; (b) simulation-predicted, θ = 60°; (c, e) optical micrographs, θ = 45°; (d, f) optical micrographs, θ = 60°. (e) and (f) are partial enlargement of (c) and (d), respectively.
Figure 10. Two mechanisms of powder adhesion related to the overhang angle: (a) simulation-predicted, θ = 45°; (b) simulation-predicted, θ = 60°; (c, e) optical micrographs, θ = 45°; (d, f) optical micrographs, θ = 60°. (e) and (f) are partial enlargement of (c) and (d), respectively.
Figure 11. Simulation-predicted surface morphology in the overhang region at different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 60° and (e) θ = 80° (Blue solid lines: simulation-predicted contour; red dashed lines: the planar profile of designed overhang region specified by the overhang angles).
Figure 11. Simulation-predicted surface morphology in the overhang region at different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 60° and (e) θ = 80° (Blue solid lines: simulation-predicted contour; red dashed lines: the planar profile of designed overhang region specified by the overhang angles).
Figure 12. Effect of overhang angle on surface roughness Ra in overhang regions
Figure 12. Effect of overhang angle on surface roughness Ra in overhang regions
Figure 13. Surface morphology of L-PBF printed overhang regions with different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45° and (d) θ = 60° (overhang border parameters: P = 100 W, v = 1000 mm/s).
Figure 13. Surface morphology of L-PBF printed overhang regions with different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45° and (d) θ = 60° (overhang border parameters: P = 100 W, v = 1000 mm/s).
Figure 14. Effect of (a) laser power (scan speed = 1000 mm/s) and (b) scan speed (lase power = 100 W) on surface roughness Ra in overhang regions (θ = 45°, laser power and scan speed referred to overhang border parameters, and the other process parameters are listed in Table 2).
Figure 14. Effect of (a) laser power (scan speed = 1000 mm/s) and (b) scan speed (lase power = 100 W) on surface roughness Ra in overhang regions (θ = 45°, laser power and scan speed referred to overhang border parameters, and the other process parameters are listed in Table 2).

References

  • Cai, Chao, Chrupcala Radoslaw, Jinliang Zhang, Qian Yan, Shifeng Wen, Bo Song, and Yusheng Shi. 2019. “In-Situ Preparation and Formation of TiB/Ti-6Al-4V Nanocomposite via Laser Additive Manufacturing: Microstructure Evolution and Tribological Behavior.” Powder Technology 342: 73–84. doi:10.1016/j.powtec.2018.09.088. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Cai, Chao, Wei Shian Tey, Jiayao Chen, Wei Zhu, Xingjian Liu, Tong Liu, Lihua Zhao, and Kun Zhou. 2021. “Comparative Study on 3D Printing of Polyamide 12 by Selective Laser Sintering and Multi Jet Fusion.” Journal of Materials Processing Technology 288 (August 2020): 116882. doi:10.1016/j.jmatprotec.2020.116882. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Cai, Chao, Xu Wu, Wan Liu, Wei Zhu, Hui Chen, Jasper Dong Qiu Chua, Chen Nan Sun, Jie Liu, Qingsong Wei, and Yusheng Shi. 2020. “Selective Laser Melting of Near-α Titanium Alloy Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V: Parameter Optimization, Heat Treatment and Mechanical Performance.” Journal of Materials Science and Technology 57: 51–64. doi:10.1016/j.jmst.2020.05.004. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Charles, Amal, Ahmed Elkaseer, Lore Thijs, and Steffen G. Scholz. 2020. “Dimensional Errors Due to Overhanging Features in Laser Powder Bed Fusion Parts Made of Ti-6Al-4V.” Applied Sciences 10 (7): 2416. doi:10.3390/app10072416. [Crossref], [Google Scholar]
  • Chatham, Camden A., Timothy E. Long, and Christopher B. Williams. 2019. “A Review of the Process Physics and Material Screening Methods for Polymer Powder Bed Fusion Additive Manufacturing.” Progress in Polymer Science 93: 68–95. doi:10.1016/j.progpolymsci.2019.03.003. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Du, Yang, Xinyu You, Fengbin Qiao, Lijie Guo, and Zhengwu Liu. 2019. “A Model for Predicting the Temperature Field during Selective Laser Melting.” Results in Physics 12 (November 2018): 52–60. doi:10.1016/j.rinp.2018.11.031. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Duval-Chaneac, M. S., S. Han, C. Claudin, F. Salvatore, J. Bajolet, and J. Rech. 2018. “Experimental Study on Finishing of Internal Laser Melting (SLM) Surface with Abrasive Flow Machining (AFM).” Precision Engineering 54 (July 2017): 1–6. doi:10.1016/j.precisioneng.2018.03.006. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Feng, Shaochuan, Shijie Chen, Amar M. Kamat, Ru Zhang, Mingji Huang, and Liangcai Hu. 2020. “Investigation on Shape Deviation of Horizontal Interior Circular Channels Fabricated by Laser Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 36 (December): 101585. doi:10.1016/j.addma.2020.101585. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Feng, Shaochuan, Chuanzhen Huang, Jun Wang, Hongtao Zhu, Peng Yao, and Zhanqiang Liu. 2017. “An Analytical Model for the Prediction of Temperature Distribution and Evolution in Hybrid Laser-Waterjet Micro-Machining.” Precision Engineering 47: 33–45. doi:10.1016/j.precisioneng.2016.07.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Feng, Shaochuan, Amar M. Kamat, and Yutao Pei. 2021. “Design and Fabrication of Conformal Cooling Channels in Molds: Review and Progress Updates.” International Journal of Heat and Mass Transfer. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121082. [Crossref], [PubMed], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Flow-3D V11.2 Documentation. 2016. Flow Science, Inc. [Crossref], [Google Scholar]
  • Foroozmehr, Ali, Mohsen Badrossamay, Ehsan Foroozmehr, and Sa’id Golabi. 2016. “Finite Element Simulation of Selective Laser Melting Process Considering Optical Penetration Depth of Laser in Powder Bed.” Materials and Design 89: 255–263. doi:10.1016/j.matdes.2015.10.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • “Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface Texture: Profile Method — Rules and Procedures for the Assessment of Surface Texture (ISO 4288).” 1996. International Organization for Standardization. https://www.iso.org/standard/2096.html. [Google Scholar]
  • Günther, Johannes, Stefan Leuders, Peter Koppa, Thomas Tröster, Sebastian Henkel, Horst Biermann, and Thomas Niendorf. 2018. “On the Effect of Internal Channels and Surface Roughness on the High-Cycle Fatigue Performance of Ti-6Al-4V Processed by SLM.” Materials & Design 143: 1–11. doi:10.1016/j.matdes.2018.01.042. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Hopkinson, Neil, and Phill Dickens. 2000. “Conformal Cooling and Heating Channels Using Laser Sintered Tools.” In Solid Freeform Fabrication Conference, 490–497. Texas. doi:10.26153/tsw/3075. [Crossref], [Google Scholar]
  • Hu, Zhiheng, Haihong Zhu, Changchun Zhang, Hu Zhang, Ting Qi, and Xiaoyan Zeng. 2018. “Contact Angle Evolution during Selective Laser Melting.” Materials and Design 139: 304–313. doi:10.1016/j.matdes.2017.11.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Hu, Cheng, Kejia Zhuang, Jian Weng, and Donglin Pu. 2019. “Three-Dimensional Analytical Modeling of Cutting Temperature for Round Insert Considering Semi-Infinite Boundary and Non-Uniform Heat Partition.” International Journal of Mechanical Sciences 155 (October 2018): 536–553. doi:10.1016/j.ijmecsci.2019.03.019. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Huang, Yuze, Mir Behrad Khamesee, and Ehsan Toyserkani. 2019. “A New Physics-Based Model for Laser Directed Energy Deposition (Powder-Fed Additive Manufacturing): From Single-Track to Multi-Track and Multi-Layer.” Optics & Laser Technology 109 (August 2018): 584–599. doi:10.1016/j.optlastec.2018.08.015. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Kadirgama, K., W. S. W. Harun, F. Tarlochan, M. Samykano, D. Ramasamy, Mohd Zaidi Azir, and H. Mehboob. 2018. “Statistical and Optimize of Lattice Structures with Selective Laser Melting (SLM) of Ti6AL4V Material.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 97 (1–4): 495–510. doi:10.1007/s00170-018-1913-1. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Kamat, Amar M, and Yutao Pei. 2019. “An Analytical Method to Predict and Compensate for Residual Stress-Induced Deformation in Overhanging Regions of Internal Channels Fabricated Using Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 29 (March): 100796. doi:10.1016/j.addma.2019.100796. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Kamath, Chandrika, Bassem El-Dasher, Gilbert F. Gallegos, Wayne E. King, and Aaron Sisto. 2014. “Density of Additively-Manufactured, 316L SS Parts Using Laser Powder-Bed Fusion at Powers up to 400 W.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 74 (1–4): 65–78. doi:10.1007/s00170-014-5954-9. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Karimi, J., C. Suryanarayana, I. Okulov, and K. G. Prashanth. 2020. “Selective Laser Melting of Ti6Al4V: Effect of Laser Re-Melting.” Materials Science and Engineering A (July): 140558. doi:10.1016/j.msea.2020.140558. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Khairallah, Saad A., and Andy Anderson. 2014. “Mesoscopic Simulation Model of Selective Laser Melting of Stainless Steel Powder.” Journal of Materials Processing Technology 214 (11): 2627–2636. doi:10.1016/j.jmatprotec.2014.06.001. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Khairallah, Saad A., Andrew T. Anderson, Alexander Rubenchik, and Wayne E. King. 2016. “Laser Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing: Physics of Complex Melt Flow and Formation Mechanisms of Pores, Spatter, and Denudation Zones.” Edited by Adedeji B. Badiru, Vhance V. Valencia, and David Liu. Acta Materialia 108 (April): 36–45. doi:10.1016/j.actamat.2016.02.014. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Kuo, C. N., C. K. Chua, P. C. Peng, Y. W. Chen, S. L. Sing, S. Huang, and Y. L. Su. 2020. “Microstructure Evolution and Mechanical Property Response via 3D Printing Parameter Development of Al–Sc Alloy.” Virtual and Physical Prototyping 15 (1): 120–129. doi:10.1080/17452759.2019.1698967. [Taylor & Francis Online], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Le, K. Q., C. H. Wong, K. H. G. Chua, C. Tang, and H. Du. 2020. “Discontinuity of Overhanging Melt Track in Selective Laser Melting Process.” International Journal of Heat and Mass Transfer 162 (December): 120284. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120284. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Lee, Y. S., and W. Zhang. 2016. “Modeling of Heat Transfer, Fluid Flow and Solidification Microstructure of Nickel-Base Superalloy Fabricated by Laser Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 12: 178–188. doi:10.1016/j.addma.2016.05.003. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Leitz, K. H., P. Singer, A. Plankensteiner, B. Tabernig, H. Kestler, and L. S. Sigl. 2017. “Multi-Physical Simulation of Selective Laser Melting.” Metal Powder Report 72 (5): 331–338. doi:10.1016/j.mprp.2016.04.004. [Crossref], [Google Scholar]
  • Li, Jian, Jing Hu, Yi Zhu, Xiaowen Yu, Mengfei Yu, and Huayong Yang. 2020. “Surface Roughness Control of Root Analogue Dental Implants Fabricated Using Selective Laser Melting.” Additive Manufacturing 34 (September 2019): 101283. doi:10.1016/j.addma.2020.101283. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Li, Yingli, Kun Zhou, Pengfei Tan, Shu Beng Tor, Chee Kai Chua, and Kah Fai Leong. 2018. “Modeling Temperature and Residual Stress Fields in Selective Laser Melting.” International Journal of Mechanical Sciences 136 (February): 24–35. doi:10.1016/j.ijmecsci.2017.12.001. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Mazur, MacIej, Martin Leary, Matthew McMillan, Joe Elambasseril, and Milan Brandt. 2016. “SLM Additive Manufacture of H13 Tool Steel with Conformal Cooling and Structural Lattices.” Rapid Prototyping Journal 22 (3): 504–518. doi:10.1108/RPJ-06-2014-0075. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Mingear, Jacob, Bing Zhang, Darren Hartl, and Alaa Elwany. 2019. “Effect of Process Parameters and Electropolishing on the Surface Roughness of Interior Channels in Additively Manufactured Nickel-Titanium Shape Memory Alloy Actuators.” Additive Manufacturing 27 (October 2018): 565–575. doi:10.1016/j.addma.2019.03.027. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Pakkanen, Jukka, Flaviana Calignano, Francesco Trevisan, Massimo Lorusso, Elisa Paola Ambrosio, Diego Manfredi, and Paolo Fino. 2016. “Study of Internal Channel Surface Roughnesses Manufactured by Selective Laser Melting in Aluminum and Titanium Alloys.” Metallurgical and Materials Transactions A 47 (8): 3837–3844. doi:10.1007/s11661-016-3478-7. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Patterson, Albert E., Sherri L. Messimer, and Phillip A. Farrington. 2017. “Overhanging Features and the SLM/DMLS Residual Stresses Problem: Review and Future Research Need.” Technologies 5 (4): 15. doi:10.3390/technologies5020015. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Roberts, I. A., C. J. Wang, R. Esterlein, M. Stanford, and D. J. Mynors. 2009. “A Three-Dimensional Finite Element Analysis of the Temperature Field during Laser Melting of Metal Powders in Additive Layer Manufacturing.” International Journal of Machine Tools and Manufacture 49 (12–13): 916–923. doi:10.1016/j.ijmachtools.2009.07.004. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Shrestha, Subin, and Kevin Chou. 2018. “Computational Analysis of Thermo-Fluid Dynamics with Metallic Powder in SLM.” In CFD Modeling and Simulation in Materials Processing 2018, edited by Laurentiu Nastac, Koulis Pericleous, Adrian S. Sabau, Lifeng Zhang, and Brian G. Thomas, 85–95. Cham, Switzerland: Springer Nature. doi:10.1007/978-3-319-72059-3_9. [Crossref], [Google Scholar]
  • Sing, S. L., and W. Y. Yeong. 2020. “Laser Powder Bed Fusion for Metal Additive Manufacturing: Perspectives on Recent Developments.” Virtual and Physical Prototyping 15 (3): 359–370. doi:10.1080/17452759.2020.1779999. [Taylor & Francis Online], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Šmilauer, Václav, Emanuele Catalano, Bruno Chareyre, Sergei Dorofeenko, Jérôme Duriez, Nolan Dyck, Jan Eliáš, et al. 2015. Yade Documentation. 2nd ed. The Yade Project. doi:10.5281/zenodo.34073. [Crossref], [Google Scholar]
  • Tan, Pengfei, Fei Shen, Biao Li, and Kun Zhou. 2019. “A Thermo-Metallurgical-Mechanical Model for Selective Laser Melting of Ti6Al4V.” Materials & Design 168 (April): 107642. doi:10.1016/j.matdes.2019.107642. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Tan, Lisa Jiaying, Wei Zhu, and Kun Zhou. 2020. “Recent Progress on Polymer Materials for Additive Manufacturing.” Advanced Functional Materials 30 (43): 1–54. doi:10.1002/adfm.202003062. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Wang, Xiaoqing, and Kevin Chou. 2018. “Effect of Support Structures on Ti-6Al-4V Overhang Parts Fabricated by Powder Bed Fusion Electron Beam Additive Manufacturing.” Journal of Materials Processing Technology 257 (February): 65–78. doi:10.1016/j.jmatprotec.2018.02.038. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Wang, Di, Yongqiang Yang, Ziheng Yi, and Xubin Su. 2013. “Research on the Fabricating Quality Optimization of the Overhanging Surface in SLM Process.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 65 (9–12): 1471–1484. doi:10.1007/s00170-012-4271-4. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Wen, Peng, Maximilian Voshage, Lucas Jauer, Yanzhe Chen, Yu Qin, Reinhart Poprawe, and Johannes Henrich Schleifenbaum. 2018. “Laser Additive Manufacturing of Zn Metal Parts for Biodegradable Applications: Processing, Formation Quality and Mechanical Properties.” Materials and Design 155: 36–45. doi:10.1016/j.matdes.2018.05.057. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Wu, Yu-che, Cheng-hung San, Chih-hsiang Chang, Huey-jiuan Lin, Raed Marwan, Shuhei Baba, and Weng-Sing Hwang. 2018. “Numerical Modeling of Melt-Pool Behavior in Selective Laser Melting with Random Powder Distribution and Experimental Validation.” Journal of Materials Processing Technology 254 (November 2017): 72–78. doi:10.1016/j.jmatprotec.2017.11.032. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Yadroitsev, I., P. Krakhmalev, I. Yadroitsava, S. Johansson, and I. Smurov. 2013. “Energy Input Effect on Morphology and Microstructure of Selective Laser Melting Single Track from Metallic Powder.” Journal of Materials Processing Technology 213 (4): 606–613. doi:10.1016/j.jmatprotec.2012.11.014. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Yu, Wenhui, Swee Leong Sing, Chee Kai Chua, and Xuelei Tian. 2019. “Influence of Re-Melting on Surface Roughness and Porosity of AlSi10Mg Parts Fabricated by Selective Laser Melting.” Journal of Alloys and Compounds 792: 574–581. doi:10.1016/j.jallcom.2019.04.017. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
  • Zhang, Dongyun, Pudan Zhang, Zhen Liu, Zhe Feng, Chengjie Wang, and Yanwu Guo. 2018. “Thermofluid Field of Molten Pool and Its Effects during Selective Laser Melting (SLM) of Inconel 718 Alloy.” Additive Manufacturing 21 (100): 567–578. doi:10.1016/j.addma.2018.03.031. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Simulating Porosity Factors

다공성 요인 시뮬레이션

Simulating Porosity Factors

https://www.foundrymag.com/issues-and-ideas/article/21926214/simulating-porosity-factors
Pamela Waterman

수치 모델링 도구는 일반적이지만 원인을 파악하기가 너무 어렵 기 때문에 코어 가스 블로우 결함을 거의 이해하지 못합니다. FLOW-3D 소프트웨어는 코어 가스 흐름을 모델링하여 더 나은 품질의 주조로 이어집니다.

파운드리는 첫 번째 시험에서 주조 품질을 달성하기 위해 많은 선행 엔지니어링을 수행해야합니다. 최근 몇 년 동안 금속 흐름, 응고, 미세 구조 진화 및 잔류 응력 모델링을위한 수치 도구가 보편화되었습니다.

그러나 아직 완전히 해결되지 않은 주조 결함 중 하나는 일반적인 코어 가스 블로우 결함입니다. 이 문제의 물리학은 금속, 코어 및 바인더 간의 복잡한 상호 작용을 포함하며 해결되기 전에 많은 주물을 스크랩 할 수 있습니다. 대부분의 경우, 문제는 더 높은 타설 온도를 사용하고 영향을받는 영역에 더 많은 벽 스톡을 추가함으로써 단순히 관리되지만 완전히 해결되지는 않습니다.

그러나 부품 설계가 복잡할수록 제조 문제가 발생할 가능성이 커집니다. 내부 세부 사항이 필요한 주조 조각의 경우 화학적으로 결합 된 모래 코어를 “인쇄”하여 모양을 만들고 금형 내부에 배치해야 합니다. 코어는 부품의 궁극적 인 기능에 중요한 내부 모양을 형성하며 제조 공정의 각 단계는 설계에 제약을 가합니다. 다양한 요구 사항이 코어 송풍 공정, 취급, 조립 및 가스 배출에 적용됩니다. 코어 디자인의 기술은 코어를 가열하는 동안 모양을 유지할 수 있을 만큼 견고하게 만드는 것과 부품이 냉각되었을 때 모래를 제거 할 수 있을 만큼 접착력이 끊어지는 것 사이의 미세한 균형입니다.

최적의 분해 설계

계획된 코어 분해의 메커니즘은 고체에서 가스로의 열 변환이지만 금형 설계는 그 가스가 코어 프린트를 통해 빠져 나갈 수 있도록해야합니다. 그렇지 않으면 금속이 기포를 가두어 모공을 형성 할 수 있습니다. 기껏해야 다공성은 표면 가공으로 밝혀집니다. 최악의 경우 부품이 더 아래쪽에서 실패합니다.

과거에 재료 및 주조 엔지니어가 코어 가스 기포로 인한 다공성 결함 문제를 발견하면 바인더 함량 감소, 코어 환기 증가, 코어 코팅 또는 베이킹과 같은 일련의 표준 문제 해결 작업을 수행했습니다. 미리 코어. 가스가 따라가는 경로를 볼 수 없었기 때문에 하나의 금형을 완료하는 데 종종 몇 주가 걸리는 긴 인출 공정이었습니다. 그리고 다른 부분에 문제가있을 때마다 반복해야했습니다.

이 처리 타임 라인을 압축해야하는 시장 주도적 요구는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 개발을 촉발했습니다. 설계와 제조 모두에 유용한 컴퓨터 기반 모델링을 통해 엔지니어는 실제 부품 비용이나 낭비없이 다양한 접근 방식을 테스트 할 수 있습니다. 파운드리가 특히 환기 설계에 시뮬레이션을 적용 할 수 있도록 Flow Science 는 최근 FLOW-3D 주조 해석 기능에 코어 가스 모델링을 추가했습니다.

흐름에 따라

FLOW-3D는 유체가 공기, 물, 용융 금속 또는 가스인지 여부에 관계없이 광범위한 일시적인 유체 흐름 프로세스에 대한 통찰력을 제공하는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 패키지입니다. 다른 CFD 패키지와 비교할 때 움직이는 유체 표면을 모델링하고 추적하는 방식으로 인해 특히 정확합니다.

코어 가스 흐름에 CFD 방법을 적용하는 것은 어려운 일입니다. 수지 기반 바인더의 화학적 복잡성으로 인해 모래 코어 열 분해 후 가스가 흐르는 위치와 방식을 이해하는 것은 복잡한 과정입니다. 그러나 Flow Science는 여러 그룹과 협력하여 실험 데이터를 얻고 시뮬레이션 된 모델의 결과와 비교했습니다. 이 회사는 General Motors, Graham-White Manufacturing Co. 및 AlchemCast에서 코어 가스 유량 정보를 수집하여 알루미늄, 철 및 강철과 함께 사용되는 모래 수지 코어에 대한 실제 데이터를 얻었습니다.

GM Powertrain의 주조 분석 엔지니어 인 David Goettsch 박사는 15 년 동안 금속 주조의 충진 및 응고 분석에 FLOW-3D를 사용해 왔습니다. 새로운 코어 가스 모델은 설계 단계에서 재킷 코어 벤팅을 최적화하는 데 매우 유용했습니다. 코어 프린트에 대한 다른 모든 요구 사항이있는 기존 코어 박스에 벤트 트랙을 구현하는 것은 매우 어렵습니다. “코어 가스 배출에 대한 사전 분석 작업을 통해 시작하는 동안 높은 불량률을 줄일 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “아마도 프로세스 기회가 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 그 지점에 도달하려면 테스트 기간이 오래 걸릴 수 있습니다.”

흐름 매개 변수 정의

도에 따라 금속 헤드 압력이 동일한 값에 도달하기 전에 가스 압력이 최고조에 달하여 가스가 거품을 형성 할 수 있습니다. 게이트 설계의 약간의 변경은 주입 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있으므로 금속 압력이 더 빨리 생성되고 가스를 먼저 밀어 낼 수 있지만 물리적 시행 착오 접근 방식은 시간이 걸립니다. 가상 모델을 사용하여 지오메트리를 변경하는 방법을 식별하는 것은 코어 가스 시뮬레이션 소프트웨어 개발의 주요 목표였습니다.

Flow Science의 개발자는 바인더 분해 가스 공급원, 모래의 섬도, 무게 비율에 따른 바인더의 양, 작동 온도 및 코어의 물리적 투과성과 같은 프로세스 별 매개 변수와 흐름이면의 물리학을 결합했습니다. 이 모든 값은 샌드 쉘 바인더 및 폴리 우레탄 콜드 박스 바인더 (PUCB)의 산업 보정 샘플을 사용하여 검증되었습니다.

FLOW-3D 분석은 일정한 조성의 이상 기체를 가정하고 전체 바인더 분해의 최악의 시나리오를 취합니다. 타설하는 동안 코어 내에서 조건이 변화함에 따라 소프트웨어는 가스 압력의 변화, 가스 유동장의 기하학적 구조, 결합제 열화 영역 발생 및 금속으로의 가스 분사 가능한 표면 위치를 계산합니다. 모든 데이터는 사후 처리에 사용할 수 있습니다. 사용자는 가스 흐름을 쉽게 시각화하고 확대하고 특정 값을 얻기 위해 포인트를 클릭 할 수 있습니다.

이제 FLOW-3D v9.4에서 사용할 수있는 코어 가스 모델을 통해 Goettsch는 다양한 삽입 및 배출 위치를 시도하고 글로벌 진단을받을 수 있습니다. 가스 발생량, 가스 발생 위치, 금속 전면이 잡히기 전에 유출 된 가스량 확인 그것까지. “실제로 문제의 근본 원인을 확인할 수있을 때 매우 좋습니다.”라고 그는 말합니다. “이러한 시각화는 실제 현상이 무엇을하고 있는지에 대한 작은 창을 확보하는 데 유용합니다.”

멀티 코어 문제 Graham-White Manufacturing의 또 다른 숙련 된 파운드리 엔지니어 인 Elizabeth Ryder는 가스 다공성이 항상 조사하기 어려웠다는 의견을 반영합니다. 그녀는“특히 다중 코어의 경우 어떤 코어가 문제의 원인인지 파악하기가 어려웠습니다. 전체 시스템을 다루려고했습니다.”

1,700 개의 부품을 지속적으로 생산하고 있으며 그중 일부는 연간 10,000 개의 부품을 생산하는 Graham-White는 시뮬레이션을 통해 제조 프로세스를 개선하는 데 매우 만족했습니다. 얇은 벽 부품은 코어 대 금속 비율이 높고 가스가 많이 발생하는 특별한 문제입니다.

Graham-White는 레이저 스캐닝으로 생성 된 회색 철 부품 (약 34 인치)의 3D 모델을 사용하여 평가를 위해 현재 벤팅 설계를 제공했습니다. 이 게이팅 디자인은 수평으로 분할 된 몰드에서 패턴 플레이트 당 4 개의 인상으로 구성되었으며 각 인상에는 각 코어에 대한 통풍구가 있습니다. 중앙 스프 루를 통해 2 초 이내에 각 금형을 채울 수 있습니다.

FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 채움 률을 확인했지만 하나의 코어에 환기가 충분하지 않은 것으로 나타났습니다. Graham-White는 코어에 더 깊은 구멍을 뚫어 기존 통풍구를 통해 더 많은 가스를 전달하기 시작했습니다. 새로운 벤팅 설계로 접근 방식을 전환 한 후이 회사는 코어 블로우 스크랩이 약 30 % 감소했습니다.

또한 Flow Science 분석을 기반으로 엔지니어링 그룹은 문제가 있는 코어에 대한 추가 변경 사항을 평가하여 각 부품에 대한 추가 환기를 통해 두 부분으로 나눕니다. Ryder는 FLOW-3D 결과가 설계 초점을 좁히는데 도움이 되었고, 어떤 코어 (멀티 코어 설계)가 범인인지, 심지어 코어의 어느 영역이 문제의 원인인지 즉시 제로화 할 수 있었습니다. “미리 컴퓨터에서 더 많은 일을 할수록 더 좋습니다.”라고 그녀는 말합니다. “모든 것은 시간 절약으로 귀결됩니다.”

Where to go from here

파운드리 스크랩을 줄이고 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 자신의 핵심 인쇄 디자인의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. Flow Science의 FLOW-3D CFD 분석 패키지의 새로운 코어 가스 모델은 중요한 다공성 계수를 시뮬레이션하여 설계자가 첫 번째 주조 전에 다양한 벤팅 설계를 평가하는 데 도움이 되기 때문에 중요합니다. 추가 재료 및 충진 방향에 대한 코어 가스 모델을 검증하는 개발이 계속됩니다.

Fig. 12. Comparison of simulation results with experimental data for a flow rate of water = Ql=15 ml/hr and a flow rate of air = Qg =3 ml/hr.

Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method

Abstract

This paper demonstrates that the Volume of Fluid (TruVOF) method in FLOW-3D (a general purpose CFD software) is an effective tool for studying droplet dynamics and mixing in microfluidic devices. The first example studied is a T-junction where flow patterns for both droplet generation and passive mixing are analyzed. The second example studied is a co-flowing device where the formation and breakup of bubbles is simulated. The effect of viscosity on bubble formation is also analyzed. For a T-junction the bubble size is corroborated with experimental data. Both the bubble size and frequency are studied and corroborated with experimental data for a co-flowing device. The third example studied is the electrowetting phenomenon observed in a small water droplet resting on a dielectric material. The steady-state contact angle is plotted against the voltage applied. The results are compared with both the Young-Lippmann curve and experimental results. 

이 논문은 FLOW-3D (범용 CFD 소프트웨어)의 유체 부피 (TruVOF) 방법이 미세 유체 장치에서 액적 역학 및 혼합을 연구하는데 효과적인 도구임을 보여줍니다.

연구된 첫 번째 예는 액적 생성 및 수동 혼합에 대한 흐름 패턴이 분석되는 T- 접합입니다. 연구된 두 번째 예는 기포의 형성 및 분해가 시뮬레이션 되는 동시 유동 장치입니다.

기포 형성에 대한 점도의 영향도 분석됩니다. T 접합의 경우 기포 크기는 실험 데이터로 확증됩니다. 기포 크기와 빈도 모두 공동 유동 장치에 대한 실험 데이터로 연구되고 확증됩니다.

연구된 세 번째 예는 유전 물질 위에 놓인 작은 물방울에서 관찰 된 전기 습윤 현상입니다. 정상 상태 접촉각은 적용된 전압에 대해 플롯됩니다. 결과는 Young-Lippmann 곡선 및 실험 결과와 비교됩니다.

Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 1
Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 1
Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 2
Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 2

References

Formation of bubbles in a simple co-flowing micro-channel

SaveAlertResearch FeedFormation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up.

SaveAlertResearch FeedCreating, transporting, cutting, and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation for digital microfluidic circuits,

SaveAlertResearch FeedFLOW DEVELOPMENT OF CO-FLOWING STREAMS IN RECTANGULAR MICRO-CHANNELS

SaveAlertResearch FeedA microfluidic system for controlling reaction networks in time.

SaveAlertResearch FeedElectrowetting: from basics to applications

SaveAlertResearch FeedVolume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries

Figure 1. Cross-sectional dimensions of a V-groove channel

Modeling Open Surface Microfluidics

개방형 표면 미세 유체 모델링

Open surface microfluidic systems are becoming increasingly popular in the fields of biology, biotechnology, medicine, point-of-care (POC) and home care systems. The design of such systems usually involves fluid being transported by capillary forces. Capillarity can enhance fluid transport for small volumes of fluid and can provide a reliable alternative to micro-scale pumping mechanisms. Advantages of capillary systems include:

  • Low cost due to easy and fast fabrication
  • User friendliness due to the simplicity of their design
  • Increased portability ensured by the capillary actuation of fluids
  • Enhanced accessibility caused by the open-surface nature of their design
  • Complete elimination of air bubbles guaranteed by the uniformly moving fluid front

For these reasons, open capillary systems are the preferred design option for various POC systems.

개방형 표면 미세 유체 시스템은 생물학, 생명 공학, 의학, POC (Point-of-Care) 및 홈 케어 시스템 분야에서 점점 인기를 얻고 있습니다. 이러한 시스템의 설계에는 일반적으로 모세관 힘에 의해 유체가 운반됩니다. 모세관은 소량의 유체에 대한 유체 수송을 향상시킬 수 있으며 마이크로 규모 펌핑 메커니즘에 대한 신뢰할 수있는 대안을 제공 할 수 있습니다. 모세관 시스템의 장점은 다음과 같습니다.

  • 쉽고 빠른 제작으로 인한 저렴한 비용
  • 디자인의 단순성으로 인한 사용자 편의성
  • 유체의 모세관 작동으로 인한 휴대 성 향상
  • 디자인의 개방형 특성으로 인한 접근성 향상
  • 균일하게 움직이는 유체 전면으로 보장되는 기포의 완전한 제거

이러한 이유로 개방형 모세관 시스템은 다양한 POC 시스템에서 선호되는 설계 옵션입니다.

모세관 흐름의 시작 조건

V 홈 치수
그림 1. V 홈 채널의 단면 치수 : W = 150 μm, h1 = 300 μm, h2 = 1200 μm, α = 14.5ο.

University at Buffalo와 University of Grenoble의 연구원들의 최근 논문에서 마이크로 그루브가 잠재적으로 모세관 효과를 향상시킬 수있는 방법을 보여주었습니다 [1]. 이 논문의 결과를 바탕으로, FLOW-3D를 사용하여 평행 한 플레이트로 대체 된 좁은 V- 홈 마이크로 채널 내부 유체의 자발적 모세관 흐름 (SCF)에 대한 사례 연구를 논의 할 것  입니다. 모세관 흐름의 시작에 대한 특정 조건이 충족되면 혈류를 모니터링하기위한 POC 시스템의 설계를 위해 전혈과 같은 점성 유체를 사용해도 큰 유체 속도를 얻을 수 있습니다.

모세관 흐름의 조건은 Gibbs 자유 에너지의 최소화를 기반으로 한 정적 접근 방식을 사용하여 이론적으로 설정할 수 있습니다. 보다 구체적으로, 입구 압력이 0 일 때 모세관 흐름이 시작되는 조건은 다음과 같습니다.

(수식 1)           pF/pW < cos⁡ θ

여기서  θ  는 영 접촉각이고  F  및  W  는 각각 유동의 임의 단면에서 자유 및 습식 둘레입니다. 그림 1에 표시된 것과 같은 반각 α 를 갖는 V- 홈 마이크로 채널의  경우 몇 가지 수학적 조작 후 eq. 1은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.

(수식 2)         sin α = cos⁡ θ

우리의 경우  α  ≈ 14.5 ο 가 있으므로 모세관 흐름의 조건은  θ  <75.5 o 입니다.

FLOW-3D 에서 시뮬레이션

정적 접근 방식이 SCF의 시작에 관한 중요한 정보를 제공하지만 수치 접근 방식은 현장 진료 장치에서 유동 역학을 연구하는 데 더 적합합니다. 접촉각이 37 °  이고 전혈의 유체 특성 을 갖는 V- 홈 마이크로 채널에 대해 CFD 분석을 수행했습니다 . 혈액의 점도는 거의 일정하기 때문에 흐름 체제는 뉴턴으로 간주됩니다 [1]. 유체 운동이 모세관 효과에 의해서만 발생하도록 모든 경계와 계산 영역 전체에 균일 한 주변 압력이 적용되었습니다. 시뮬레이션은 처음 4mm의 유체 이동을 포함하는 초기 시뮬레이션과 4mm에서 8mm의 유체 이동을 예측하는 재시작 시뮬레이션의 두 부분으로 나뉩니다.

결과 및 검증

처음 8mm 이동에 대한 유동 역학은 그림 2에 나와 있습니다.이 그림은 세 가지 다른 시간에 슬롯에서 전진 인터페이스의 모양을 보여줍니다. 필라멘트 (Concus-Finn 필라멘트)의 점진적인 확장은 주 흐름보다 앞서 볼 수 있습니다.

모세관 흐름 시뮬레이션
그림 2. 세 가지 다른 시간에서 FLOW-3D를 사용하여 진행하는 모세관 흐름의 동적 계산 : (a) 0.04, (b) 0.07 및 (c) 0.11 초와 삽입물 (i1), (i2) 및 (i3) Concus-Finn 필라멘트의 진화 [1].

분석, 수치 및 실험 결과 간의 비교는 그림 3에 나와 있습니다. 수치 예측과 실험 간에는 탁월한 일치가 있습니다. 분석 솔루션도 플롯되었지만 채널 하단에있는 Concus – Finn 필라멘트의 효과가 고려되지 않았기 때문에 수치 및 실험 결과에 대한 유효한 비교를 나타내지 않을 수 있습니다.

모세관 흐름 검증
그림 3. (A) 시간의 함수로서 채널의 속도. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도. (B) 시간의 함수로서 액체 전면의 원점으로부터의 거리. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도 [1].

전혈 이외에도 식용 색소로 착색 한 물과 점성이 높은 알기 네이트 용액을 포함하여 장치가 고점도 유체를 이동시킬 수있는 가능성을 테스트하는 등 다양한 유체를 연구했습니다. 혈액과 같은 고점도 액체는 1 초 이내에 이동할 수 있습니다 (아래 애니메이션 참조).https://www.youtube.com/embed/v4OYoHStJ1w?controls=1&rel=0&playsinline=0&modestbranding=0&autoplay=0&enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fwww.flow3d.com&widgetid=1

사례 연구는 상대적으로 큰 점도 (물의 4 배)를 갖는 전혈의 경우 최대 7.5cm / s의 속도를 달성했음을 보여줍니다. 실험 결과 및  FLOW-3D  예측에 따라 전체 채널은 0.2 초 이내에 혈액으로 채워졌습니다. FLOW-3D  시뮬레이션 결과는 실험 관찰 결과와 매우 일치하며, V-groove 내부의 거리에 따라 속도가 감소하지만 장치의 전체 길이에 걸쳐 중요 함을 나타냅니다.

참고 문헌

  1. Berthier, J., K. Brakke, E. P. Furlani, I. H. Karampelas, and G. Delapierre. “Open-surface microfluidics.” In Proceedings of the Nanotech International Conference, pp. 15-19. 2014.
  2. Hirt, Cyril W., and Billy D. Nichols. “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries.” Journal of computational physics 39, no. 1 (1981): 201-225.
  3. Rajaratnam, N., and M. R. Chamani. “Energy loss at drops.” Journal of Hydraulic Research 33, no. 3 (1995): 373-384.
Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles

Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles

Xiang Wang  Lin-Jie Zhang  Jie Ning  Sen Li  Liang-Liang Zhang  Jian Long
State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

Received 22 January 2021, Revised 6 April 2021, Accepted 6 May 2021, Available online 2 June 2021.

Abstract

Ti-6Al-4V alloys mad by additive manufacturing (AM) with slower cooling rate (e. g., direct energy deposition (DED)) generally have the problem of severe coarsening of α phase. This study presents a method to refine the microstructure of the primary β phase formed during the solid–liquid transformation, microstructures formed during the β → α + β transformation, and recrystallized microstructures formed during the repeated heating cycles encountered in AM processes. This is accomplished by the in situ precipitation of nano-sized dispersed high-melting-point yttria Y2O3 particles. The addition of micron-sized particles with high melting points can refine primary crystallized grains and transformed grains corresponding to the secondary phase in Ti-6Al-4V alloys. In addition, they can effectively inhibit the recrystallization and growth of prior-deposited metal grains. The microstructural and tensile properties of laser additive manufactured with filler wire Ti-6Al-4V components with different amounts of Y2O3 (0, 0.12, and 0.22 wt%) were investigated. The refining effect of Y2O3 was significant and the tensile strength of Ti-6Al-4V containing 0.22 wt% Y2O3 in the longitudinal and transverse directions was greater than that of Ti-6Al-4V by approximately 12% and 9%, respectively. Concurrently, there was no loss in the elongation of the material in either direction. The strategy of using micron-sized refractory particles to control phase transformation (primary crystallization, solid-state phase transformation, and recrystallization) can be applied to the AM of different metals, in which microstructures are susceptible to coarsening.

Korea Abstract

더 느린 냉각 속도 (예를 들어, 직접 에너지 증착 (DED))를 가진 적층 제조 (AM)에 의해 미친 Ti-6Al-4V 합금은 일반적으로 α상의 심한 조 대화 문제가 있습니다. 이 연구는 고체-액체 변환 중에 형성된 1 차 β상의 미세 구조, β → α + β 변환 중에 형성된 미세 구조, AM 공정에서 발생하는 반복되는 가열주기 동안 형성된 재결정 화 된 미세 구조를 정제하는 방법을 제시합니다.

이는 나노 크기의 분산 된 고 융점이 트리아 Y2O3 입자의 현장 침전에 의해 달성됩니다. 녹는 점이 높은 미크론 크기의 입자를 추가하면 Ti-6Al-4V 합금의 2 차 상에 해당하는 1 차 결정 입자 및 변형 된 입자를 정제 할 수 있습니다. 또한 사전에 증착 된 금속 입자의 재결정 화 및 성장을 효과적으로 억제 할 수 있습니다.

Y2O3 (0, 0.12, 0.22 wt %)의 양이 다른 필러 와이어 Ti-6Al-4V 성분으로 제조 된 레이저 첨가제의 미세 구조 및 인장 특성을 조사했습니다. Y2O3의 정제 효과는 유의미했으며, Y2O3 0.22 wt %를 세로 및 가로 방향으로 포함하는 Ti-6Al-4V의 인장 강도는 Ti-6Al-4V보다 각각 약 12 ​​% 및 9 % 더 컸습니다.

동시에 어느 방향으로도 재료의 연신율에 손실이 없었습니다. 미크론 크기의 내화 입자를 사용하여 상 변환 (1 차 결정화, 고체 상 변환 및 재결정 화)을 제어하는 ​​전략은 미세 구조가 거칠어지기 쉬운 다양한 금속의 AM에 적용될 수 있습니다.

Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles
Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles
Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles Fig1
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Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles Fig7
Hierarchical grain refinement during the laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloys by the addition of micron-sized refractory particles Fig7

Keywords

Grain hierarchical refinement, Yttria, Solidification microstructures, Solid phase transition microstructures, Recrystallization microstructures

A new dynamic masking technique for time resolved PIV analysis

A new dynamic masking technique for time resolved PIV analysis

시간 분해 PIV 분석을위한 새로운 동적 마스킹 기술

물체 가시성을 허용하기 위해 형광 코팅과 결합 된 새로운 프리웨어 레이 캐스팅 도구

Journal of Visualization ( 2021 ) 이 기사 인용

Abstract

Time resolved PIV encompassing moving and/or deformable objects interfering with the light source requires the employment of dynamic masking (DM). A few DM techniques have been recently developed, mainly in microfluidics and multiphase flows fields. Most of them require ad-hoc design of the experimental setup, and may spoil the accuracy of the resulting PIV analysis. A new DM technique is here presented which envisages, along with a dedicated masking algorithm, the employment of fluorescent coating to allow for accurate tracking of the object. We show results from measurements obtained through a validated PIV setup demonstrating the need to include a DM step even for objects featuring limited displacements. We compare the proposed algorithm with both a no-masking and a static masking solution. In the framework of developing low cost, flexible and accurate PIV setups, the proposed algorithm is made available through a freeware application able to generate masks to be used by an existing, freeware PIV analysis package.

광원을 방해하는 이동 또는 변형 가능한 물체를 포함하는 시간 해결 PIV는 동적 마스킹 (DM)을 사용해야 합니다. 주로 미세 유체 및 다상 흐름 분야에서 몇 가지 DM 기술이 최근 개발되었습니다. 대부분은 실험 설정의 임시 설계가 필요하며 결과 PIV 분석의 정확도를 떨어 뜨릴 수 있습니다. 여기에는 전용 마스킹 알고리즘과 함께 형광 코팅을 사용하여 물체를 정확하게 추적 할 수있는 새로운 DM 기술이 제시되어 있습니다. 제한된 변위를 특징으로 하는 물체에 대해서도 DM 단계를 포함해야 하는 필요성을 보여주는 검증 된 PIV 설정을 통해 얻은 측정 결과를 보여줍니다. 제안 된 알고리즘을 no-masking 및 static masking 솔루션과 비교합니다. 저비용, 유연하고 정확한 PIV 설정 개발 프레임 워크에서 제안 된 알고리즘은 기존 프리웨어 PIV 분석 패키지에서 사용할 마스크를 생성 할 수 있는 프리웨어 애플리케이션을 통해 사용할 수 있습니다.

Keywords

  • Time resolved PIV, Dynamics masking, Image processing, Vibration inducers, Fluorescent coating

그래픽 개요

소개

PIV (입자 영상 속도계)의 사용은 70 년대 후반 (Archbold 및 Ennos 1972 )이 반점 계측의 확장 (Barker and Fourney 1977 ) 으로 도입된 이래 실험 유체 역학에서 중심적인 역할을 했습니다 . PIV 기술의 기본 아이디어는 유체에 주입된 입자의 속도를 측정하여 유동장을 재구성하는 것입니다. 입자의 크기와 밀도는 확실하게 선택되고 유동을 만족스럽게 따르게 됩니다.

흐름은 레이저 / LED 소스를 통해 조명되고 입자에 의해 산란 된 빛은 추적을 허용합니다. 독자는 리뷰 작품 Grant ( 1997 ), Westerweel et al. ( 2013 년)에 대한 자세한 설명을 참조하십시오. 기본 2D 기술은 고유한 설정으로 발전했으며, 가장 진보 된 것은 단일 / 다중 평면 입체 PIV (Prasad 2000 ) 및 체적 / 단층 PIV (Scarano 2013 )입니다. 광범위한 유동장의 비 침습적 측정이 필요한 산업 및 연구 응용 분야에서 광범위하게 사용되었습니다.

조사된 유동장이 단단한 서있는 경계의 영향을 받는 경우 정적 마스킹 (SM) 접근 방식을 사용하여 PIV 분석을 수행하는 영역에서 솔리드 객체와 그림자가 차지하는 영역을 빼기 위해 주의를 기울여야 합니다. 실제로 이러한 영역에서는 파종 입자를 식별 할 수 없으므로 유속 재구성을 수행 할 수 없습니다. 제대로 처리되지 않으면 이 마스킹 단계는 잘못된 예측으로 이어질 수 있으며, 불행히도 그림자 영역 경계의 근접성에 국한되지 않습니다.

PIV 기술은 획득 프레임 속도를 관심있는 시간 척도로 조정하여 정상 상태 또는 시간 변화 흐름에 적용 할 수 있습니다. 시간의 가변성이 고체 물체의 위치 / 모양과 관련된 경우 이미지를 동적으로 마스킹하기 위해 추가 노력이 필요합니다. 고체 물체뿐만 아니라 다른 유체 단계도 가려야한다는 점에 유의해야합니다 (Foeth et al. 2006). 

이 프로세스는 고체 물체의 움직임이 선험적으로 알려진 경우 비교적 쉬우므로 SM 알고리즘에 대한 최소한의 수정이 목적에 부합 할 수 있습니다. 그러나 고체 물체의 위치 및 / 또는 모양이 알려지지 않은 방식으로 시간에 따라 변할 경우 물체를 동적으로 추적 할 수 있는 마스킹 기술이 필요합니다. PIV 분석을위한 동적 마스킹 (DM) 접근 방식은 현재 상당한 주목을 받고 있습니다 (Sanchis and Jensen 2011 , Masullo 및 Theunissen 2017 , Anders et al. 2019 ) . 시간 분해 PIV 시스템의 확산 덕분에 고속 카메라의 가용성이 높아집니다. 

DM 기술의 주요 발전은 마이크로 PIV 분야에서 비롯됩니다 (Lindken et al. 2009) 마이크로 및 나노 스위 머 (Ergin et al. 2015 ) 및 다상 흐름 (Brücker 2000 , Khalitov 및 Longmire 2002 ) 주변의 유동장을 조사 하려면 정확하고 유연한 알고리즘이 필요합니다. DM 기술은 상용 PIV 분석 소프트웨어 패키지 (TSI Instruments 2014 , DantecDynamics 2018 )에 포함되어 있습니다. 최근 개발 (Vennemann 및 Rösgen 2020 )은 신경망 자동 마스킹 기술의 적용을 예상하지만, 네트워크를 훈련하려면 합성 데이터 세트를 생성해야합니다.

많은 알고리즘은 이미지 처리 기술을 사용하여 개체를 추적하며, 대부분 사용자는 획득 한 이미지에서 추적 할 개체를 강조 표시 할 수있는 임시 실험 설정을 개발해야합니다. 따라서 실험 설정의 설계는 알고리즘의 최종 정확도에 영향을줍니다.

몇 가지 해결책을 구상 할 수 있습니다. 다음에서는 간단한 2D PIV 설정을 참조하지만 대부분의 고려 사항은 더 복잡한 설정으로 확장 할 수 있습니다. PIV 설정에서 객체를 쉽고 정확하게 추적 할 수 있도록 렌더링하는 가장 간단한 방법은 일반적으로 PIV 레이저 시트에 대략 수직 인 카메라를 향한 반사를 최대화하는 방향을 가리키는 추가 광원을 사용하여 조명하는 것입니다. 이 순진한 솔루션과 관련된 주요 문제는 PIV의 ROI (관심 영역)를 비추 지 않고는 광원을 움직이는 물체에만 겨냥하는 것이 사실상 불가능하여 시딩에 의해 산란 된 레이저 광 사이의 명암비를 감소 시킨다는 것입니다. 입자와 어두운 배경.

카메라의 프레임 속도가 높을수록 센서에 닿는 빛의 양이 적다는 사실로 인해 상황이 가혹 해집니다. 고체 물체의 움직임과 유동 입자가 모두 사용 된 설정의 획득 속도에 비해 충분히 느리다면, 가능한 해결책은 레이저 펄스 쌍 사이에 단일 확산 광 샷을 삽입하는 것입니다 (반드시 대칭 삽입은 아님). 그리고 카메라 샷을 둘 모두에 동기화합니다. 각 레이저 커플에서 물체의 위치는 확산 광에 의해 생성 된 이전 샷과 다음 샷의 두 위치를 보간하여 결정될 수 있습니다. 이 접근 방식에는 레이저, 카메라 및 빛을 제어 할 수있는 동기화 장치가 필요합니다.

이 문제에 대한 해결책이 제안되었으며 유체 인터페이스 (Foeth et al. 2006 ; Dussol et al. 2016 ) 의 밝은 반사를 활용 하여 이미지에서 많은 양의 산란 레이저 광을 획득 할 수 있습니다. 고체 표면에는 효과를 높이기 위해 반사 코팅이 제공 될 수 있습니다. 그런 다음 물체는 비정상적으로 큰 입자로 식별되고 경계를 쉽게 추적 할 수 있습니다. 이 솔루션의 단점은 물체 표면에서 산란 된 빛이 레이저 시트에 있지 않은 많은 시딩 입자를 비추어 PIV 분석의 정확도를 점진적으로 저하 시킨다는 것입니다.

위의 접근 방식의 개선은 다른 파장 의 두 번째 동일 평면 레이저 시트 (Driscoll et al. 2003 )를 사용합니다. 첫 번째 레이저 파장을 중심으로 한 좁은 반사 대역. 전체 설정은 매우 비쌀 수 있습니다. 파장 방출의 차이를 이용하여 설정을 저렴하게 만들 수 있습니다. 서로 다른 필터가 장착 된 두 대의 카메라를 적용하면 인터페이스로부터의 반사와 독립적으로 형광 시드 입자를 식별 할 수 있습니다 (Pedocchi et al. 2008 ).

객체의 변위가 작을 때 기본 솔루션은 실제 시간에 따라 변하는 음영 영역에 가장 근접한 하나의 정적 마스크를 추출하는 것입니다. 일반적인 경험 법칙은 예상되는 음영 영역보다 약간 더 크게 마스크를 그려 분석에 포함 된 조명 영역의 양을 단순화하고 최소화하는 것 사이의 최상의 균형을 찾는 것입니다.

본 논문에서는 PIV 분석을위한 DM 문제에 대한 새로운 실험적 접근법을 제안합니다. 우리의 방법은 형광 페인팅을 사용하여 물체를 쉽게 추적 할 수 있도록 하는 기술과 시변 마스크를 생성 할 수있는 특정 오픈 소스 알고리즘을 포함합니다. 이 접근법은 레이저 광에 불투명 한 물체의 큰 변위를 허용함으로써 효과적인 것으로 입증되었습니다. 

우리의 방법인 NM (no-masking)과 SM (static masking) 접근 방식을 비교합니다. 우리의 접근 방식의 타당성을 입증하는 것 외에도 이 백서는 마스킹 단계가 정확한 결과를 얻기 위해 가장 중요하다는 것을 확인합니다. 실제로 물체의 변위가 무시할 수 없는 경우 DM에 대한 리조트는 필수이며 SM 접근 방식은 음영 처리 된 영역의 주변 환경에 국한되지 않는 부정확성을 유발합니다. 

논문의 구조는 다음과 같습니다. 먼저 형광 코팅 기술과 마스킹 소프트웨어를 설명하는 제안된 접근법의 근거를 소개합니다. 그런 다음 PIV 설정에 대한 설명 후 두 벤치 마크 사례를 통해 전체 PIV 체인 분석의 신뢰성을 평가합니다. 그런 다음 제안 된 DM 방법의 결과를 NM 및 SM 솔루션과 비교합니다. 마지막으로 몇 가지 결론이 도출됩니다.

행동 양식

제안 된 DM 기술은 PIV 분석을 위해 캡처 한 동일한 이미지에서 쉽고 정확한 추적 성을 허용하기 위해 움직이는 물체 표면의 형광 코팅을 구상합니다. 물체가 가시화되면 특정 알고리즘이 물체 추적을 수행하고 레이저 위치가 알려지면 (그림 1 참조  ) 음영 영역의 마스킹을 수행합니다.

형광 코팅

코팅은 구조적 매트릭스 에 시판되는 형광 분말 (fluorescein (Taniguchi and Lindsey 2018 ; Taniguchi et al. 2018 )) 의 분산액으로 구성됩니다 . 단단한 물체의 경우 매트릭스는 폴리 에스터 / 에폭시 (대상 재료와의 화학적 호환성에 따라) 투명 수지 일 수 있습니다. 변형 가능한 물체의 경우 매트릭스는 투명한 실리콘 고무로 만들 수 있습니다. 형광 코팅 된 물체는 실행 중에 지속적으로 빛을 방출하기 위해 실험 전에 충분히 오랫동안 조명을 비춰 야합니다. 우리는 4W LED 소스 (그림 2 에서 볼 수 있음)에 20 초 긴 노출이  실험 실행 (몇 초)의 짧은 기간 동안 일관된 형광 방출을 제공하기에 충분하다는 것을 발견했습니다.

우리 실험에서 물체와 입자 크기 사이의 상당한 차이를 감안할 때 전자를 식별하는 것은 간단합니다. 그림  3 은 씨 뿌리기 입자와 물체 모양이 서로 다른 세 번에 겹쳐진 모습을 보여줍니다 (색상은 다른 순간을 나타냄).

대신, 이러한 크기 기반 분류가 가능하지 않은 경우 입자와 물체의 파장을 분리해야합니다. 이러한 분리는 시드 입자에 의해 산란 된 빛과 현저하게 다른 파장에서 방출되는 형광 코팅을 선택하여 달성 할 수 있습니다. 또는 레이저에서 멀리 떨어진 대역에서 방출되는 형광 입자를 이용하는 것 (Pedocchi et al. 2008 ). 두 경우 모두 컬러 이미지 획득의 채널 분리 또는 멀티 카메라 설정의 애드혹 필터링은 물체 식별을 크게 촉진 할 수 있습니다. 우리의 경우에는 그러한 파장 분리를 달성 할 필요가 없습니다. 실제로 형광 코팅의 방출 스펙트럼의 피크는 540nm입니다 (Taniguchi and Lindsey 2018 ; Taniguchi et al. 2018), 사용 된 레이저의 532 nm에 매우 가깝습니다.

마스킹 소프트웨어

DM 용으로 개발 된 알고리즘 은 무료 PIV 분석 패키지 PIVlab (Thielicke 2020 , Thielicke 및 Stamhuis 2014 ) 과 함께 작동하도록 고안된 오픈 소스 프리웨어 GUI 기반 도구 (Prestininzi 및 Lombardi 2021 )입니다. 이것은 세 단계의 순차적 실행으로 구성됩니다 (그림 1 에서 a–b–c라고 함 ). 첫 번째 단계 (a)는 장면에서 레이저 위치를 찾는 데 사용됩니다 (즉, 소스의 좌표를 계산합니다. 장애물에 부딪히는 빛); 두 번째 항목 (b)은 개체 위치를 추적하고 각 프레임의 음영 영역을 계산합니다. 세 번째 항목 (c)은 추적 된 개체 영역과 음영 처리 된 개체 영역을 PIV 알고리즘을위한 단일 마스크로 병합합니다.

각 단계에 대한 자세한 내용은 다음과 같습니다.

  1. (ㅏ)레이저 위치는 프레임 (즉, 획득 한 프레임의 시야 (FOV)) 내에서 가시적 일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 전자의 경우 사용자는 GUI에서 레이저 소스를 클릭하여 찾기 만하면됩니다. 후자의 경우, 사용자는 음영 영역의 경계에 속하는 두 개의 세그먼트 (두 쌍의 점)를 그리도록 요청받습니다. 그러면 FOV 외부에있는 레이저 위치가 두 선의 교차점으로 계산됩니다. 세그먼트로 구성됩니다. 개체 그림자는 ROI 프레임 상자에 도달하는 것으로 간주됩니다.
  2. (비)레이저 위치가 알려지면 물체 추적은 다음과 같이 수행됩니다. 각 프레임의 하나의 채널 (이 경우 RGB 색상 공간이 사용되기 때문에 녹색 채널이지만 GUI는 선호하는 채널을 지정할 수 있음)은 다음과 같습니다. 로컬 적응 임계 값을 사용하여 이진화 됨 (Bradley and Roth 2007), 후자는 이웃 주변의 로컬 평균 강도를 사용하여 각 픽셀에 대해 계산됩니다. 그런 다음 입자와 물체로 구성된 이진 이미지가 영역으로 변환됩니다. 우리 실험에 존재하는 유일한 장애물은 모든 입자에 비해 더 큰 크기를 기준으로 식별됩니다. 다른 전략은 이전에 논의되었습니다. 그런 다음 장애물 영역의 경계 다각형은 사용자 정의 포인트 밀도로 결정됩니다. 여기에서는 그림자 결정을 위해 광선 투사 (RC) 접근 방식을 채택했습니다. RC는 컴퓨터 그래픽을 기반으로하는 “경 운송 모델링”의 틀에 속합니다. 수치 적으로 정확한 그림자를 제공하기 때문에 여기에서 선택됩니다. 정확도는 떨어지지 만 주로 RC의 계산 부하를 줄이는 것을 목표로하는 몇 가지 다른 방법이 개발되었습니다.2015 ), 여기서 간략히 회상합니다. 각 프레임 (명확성을 위해 여기에 색인화되지 않음)에 대해 광선아르 자형나는 j아르 자형나는제이레이저 위치 L 에서 i 번째 정점 으로 캐스트됩니다.피나는 j피나는제이의 J 오브젝트의 경계 다각형 일; 목표는피나는 j피나는제이 하위 집합에 속 ㅏ제이ㅏ제이 레이저에 의해 직접 조명되는 경계 정점의 피나는 j피나는제이 에 추가됩니다 ㅏ제이ㅏ제이 만약 아르 자형나는 j아르 자형나는제이 적어도 한쪽을 교차 에스k j에스케이제이( j 번째 개체 경계 다각형 의 모든면에 걸쳐있는 k )피나는 j피나는제이 (그것이 교차로 큐나는 j k큐나는제이케이 레이저 위치와 정점 사이에 있지 않습니다. 피나는 j피나는제이). 두 개의 광선, 즉ρ1ρ1 과 ρ2ρ2추가면을 가로 지르지 않는는 저장됩니다.
  3. (씨)일단 정점 세트, 즉 ㅏ제이ㅏ제이 레이저에 의해 직접 비춰지고 식별되었으며 ROI 프레임 상자의 음영 부분은 후자와 교차하여 결정됩니다. ρ1ρ1 과 ρ2ρ2. 두 교차점은 다음에 추가됩니다.ㅏ제이ㅏ제이. 점으로 둘러싸인 영역ㅏ제이ㅏ제이 마침내 마스크로 변환됩니다.

레이저 소스가 여러 개인 경우 각각에 RC 알고리즘을 적용해야하며 음영 영역의 결합이 수행됩니다. 레이 캐스팅 절차의 의사 코드는 Alg에보고됩니다. 1.

그림
그림 1
그림 1

DM 검증

이 섹션에서는 제안 된 DM으로 수행 된 PIV 측정과 두 가지 다른 접근 방식, 즉 no-masking (NM)과 static masking (SM) 간의 비교를 제시합니다.

그림 2
그림 2
그림 3
그림 3

실험 설정

진동 유도기 (VI)의 성능을 분석하기 위해 PIV 설정을 설계하고 현재 DM 기술을 개발했습니다 (Curatolo et al. 2019 , 2020 ). 후자는 비 맥동 ​​유체 흐름에서 역류에 배치 된 캔틸레버의 규칙적이고 넓은 진동을 유도 할 수있는 윙렛입니다. 이러한 VI는 캔틸레버의 끝에 장착되며 (그림 2 참조   ) 진동 운동의 어느 지점에서든 캔틸레버의 중립 구성을 향해 양력을 생성 할 수있는 두 개의 오목한 날개가 있습니다.

VI는 캔틸레버 표면에 장착 된 압전 패치를 사용하여 고정 유체 흐름에서 기계적 에너지 추출을 향상시킬 수 있습니다. 그림 2 에서 강조된 날개의 전체 측면 가장자리는  Sect에 설명 된 사양에 따라 형광 페인트로 코팅되어 있습니다. 2.1 . 실험은 Roma Tre University 공학부 수력 학 실험실의 자유 표면 채널에서 수행됩니다. 10.8cm 길이의 캔틸레버는 채널의 중심선에 배치되고 상류로 향하며 수직-세로 평면에서 진동합니다. 세라믹 페 로브 스카이 트 (PZT) 압전 패치 (7××캔틸레버의 윗면에는 Physik Instrumente (PI)에서 만든 3cm)가 부착되어 있습니다. 흐름 유도 진동 하에서 변형으로 인해 AC 전압 차이를 제공합니다. VI 왼쪽 날개의 수직 중앙면에있는 2D 속도 필드는 수제 수중 PIV 장비를 통해 얻었습니다.각주1 연속파, 저비용, 저전력 (150mW), 녹색 (532nm) 레이저 빔이 2mm 두께의 부채꼴 시트에 퍼집니다.120∘120∘그림 2 와 같이 VI의 한쪽 날개를 절반으로 교차 합니다. 물은 평균 직경이 100 인 폴리 아미드 입자로 시드됩니다.μμm 및 1016 Kg / m의 밀도삼삼. 레이저 소스는 VI의 15cm 위쪽 (자유 표면 아래 약 4cm)과 VI의 하류 5cm에 경사지게 배치됩니다.5∘5∘상류. 위의 설정은 주로 날개의 후류를 조사하기 위해 고안되었습니다. 날개의 상류면과 하류 부분의 일부는 레이저 시트에 직접 맞지 않습니다. 레이저 시트에 수직으로 촬영하는 고속 상용 카메라 (Sony RX100 M5)를 사용하여 동영상을 촬영합니다. 후자는 1920의 프레임 크기로 500fps의 높은 프레임 속도 모드로 기록됩니다.×× 1080px, 나중에 더 작은 655로 잘림 ××이미지 분석 중에 분석 할 850px ROI. 시간 해결, 프리웨어, 오픈 소스, MatLab 용 PIV 분석 도구가 사용됩니다 (Thielicke and Stamhuis 2014 ). 이 도구는 질의 영역 (IA) 변형 (우리의 경우 64×× 64, 32 ×× 32 및 26 ××26). 각 패스에서 각 IA의 경계와 모서리에서 추가 변위 정보를 얻기 위해 인접한 IA 사이에 50 %의 중첩이 허용됩니다. 첫 번째 통과 후, 입자 변위 정보가 보간되어 IA의 모든 픽셀의 변위를 도출하고 그에 따라 변형됩니다.

시딩 입자 수 밀도는 첫 번째 패스에서 IA 당 약 5입니다. Keane과 Adrian ( 1992 )에 따르면 이러한 밀도 값은 95 % 유효한 탐지 확률을 보장합니다. IA는 프레임 커플 내에서 입자의 충분한 영구성을 보장하기 위해 크기가 조정됩니다. 분석 된 유동 역학은 0.4 ~ 0.7m / s 범위의 유동 속도를 특징으로합니다. 따라서 입자는 권장 최소값 인 2 프레임 (Keane and Adrian 1992 ) 보다 큰 약 3-4 프레임의 세 번째 패스 IA에 나타납니다 .

PIV 체인 분석 평가

사용 된 PIV 알고리즘의 정확성은 이전에 문헌에서 광범위하게 평가되었습니다 (예 : Guérin et al. ( 2020 ), Vennemann and Rösgen ( 2020 ), Mohammadshahi et al. ( 2020 ), Narayan et al. ( 2020 )). 그러나 PIV 측정의 물리적 일관성을 보장하기 위해 두 가지 벤치 마크 사례가 여기에 나와 있습니다.

첫 번째는 Sect에 설명 된 동일한 PIV 설정을 통해 측정 된 세로 유속의 수직 프로파일을 비교합니다. 3.1 분석 기준 용액이있는 실험 채널에서. 후자는 플로팅 트레이서로 수행되는 PTV (입자 추적 속도계) 측정을 통해 보정되었습니다. 분석 속도 프로파일은 Eq. 1 (Keulegan 1938 ).u ( z) =유∗[5.75 로그(지δ) +8.5];유(지)=유∗[5.75로그⁡(지δ)+8.5];(1)

여기서 u 는 수평 유속 성분, z 는 수직 좌표,δδ 침대 거칠기 및 V∗V∗ 균일 한 흐름 공식에 의해 주어진 것으로 가정되는 마찰 속도, 즉 유∗= U/ C유∗=유/씨; U 는 깊이 평균 유속이고 C 는 다음 과 같이 주어진 마찰 계수입니다.씨= 5.75로그( 13.3에프R / δ)씨=5.75로그⁡(13.3에프아르 자형/δ), R = 0.2아르 자형=0.2 m은 유압 반경이고 에프= 0.92에프=0.92유한 폭 채널의 형상 계수. 그림  4 는 4 초의 시간 창에 걸쳐 순간 값을 평균화하여 얻은 분석 프로필과 PIV 측정 간의 비교를 보여줍니다. 국부적 인 변동은 대략 0.5 초의 시간 척도에서 진화하는 것으로 밝혀졌습니다. PTV 결과에 가장 적합하면 다음과 같은 값이 산출됩니다.δ= 1δ=1cm, 베드 거칠기의 경우 Eq. 1 , 실험 채널 침대 표면의 실제 조건과 호환됩니다. VI의 휴지 구성 위치에서 유속의 분석 값은 그림에서 검은 색 십자가로 표시됩니다. 비교는 놀라운 일치를 보여 주므로 실험 설정과 PIV 알고리즘의 조합이 분석 된 설정에 대해 신뢰할 수있는 것으로 간주 될 수 있음을 증명합니다.

두 번째 벤치 마크는 VI 뒷면에 재 부착 된 흐름의 양을 비교합니다. 실제로 이러한 장치의 높은 캠버를 고려할 때 흐름은 하류 표면에서 분리되어 결국 다시 연결됩니다. 첨부 흐름을 나타내는 표면의 양 (Curatolo 외. 발견 2020 ) 흥미로운 압전 패치 (즉, 효율이 큰 경우에 더 빠르게 진동이 유발되는 것이다)에서 VI의 효율과 상관된다. 여기에서는 PIV 분석을 통해 측정 된 진동의 상사 점에서 재 부착 된 흐름의 길이를 CFD (전산 유체 역학) 상용 코드 FLOW-3D® (Flow Science 2019 )로 예측 한 길이와 비교하여 RANS를 해결합니다. 결합 식 (비어 스톡스 레이놀즈 평균) 케이 -ϵϵ구조화 된 그리드의 난류 폐쇄 (시뮬레이션을 위해 1mm 간격이 선택됨). 다운 스트림 측면의 흐름은 이러한 높은 캠버 VI를 위해 여러 위치에서 분리 및 재 부착됩니다. 이 벤치 마크에서 비교 된 양은 VI의 앞쪽 가장자리와 가장 가까운 흐름 재 부착 위치 사이의 호 길이입니다. 그림 5를 참조  하면 CFD 모델에 의해 예측 된 호의 길이는 측정 된 호의 길이보다 10 % 더 큽니다. 이 작업에 제시된 DM 기술을 사용하는 PIV 분석은 물리적으로 건전한 측정을 제공하는 것으로 입증됩니다. 후류의 유체 역학에 대한 자세한 분석과 VI의 전반적인 효율성과의 상관 관계는 현재 진행 중이며 향후 작업의 대상이 될 것입니다.

그림 4
그림 4
그림 5
그림 5

결과

그림 6을 참조하여  순간 유속 장의 관점에서 세 가지 접근법의 결과를 비교합니다. 선택한 순간은 진동의 상사 점에 해당합니다.

제안 된 DM (그림 6 의 패널 a  )은 부드러운 유동장을 생성하여 후류에서 일관된 소용돌이 구조를 나타냅니다.

NM 접근법 (그림 6 의 패널 b1  )도 후류의 와류 구조를 정확하게 예측하지만 음영 영역에서 대부분 부정확 한 값을 산출합니다. 또한 비교에서 합리적인 기준을 추론 할 수 없기 때문에 획득 한 유동장 의 사후 필터링이 실현 가능하지 않다는 것이 분명합니다 . 실제로 유속은 그림 6 의 패널 c1에서 볼 수 있듯이 가장 큰 오류가 생성되는 위치에서도 “합리적인”크기를 갖습니다. , DM 및 NM 접근 방식으로 얻은 속도 필드 간의 차이가 표시됩니다. 더욱이 후류에서 발생하는 매우 불안정한 소용돌이 운동이 이러한 위치에 가깝게 이동하기 때문에 그럴듯한 흐름 방향을 가정하더라도 필터링 기준을 공식화 할 수 없습니다. 모델러가 그러한 부정확성을 알고 있었다하더라도 NM 접근법은 “합리적”이지만 여전히 날개의 내부 현과 그 바로 아래에있는 유동장의 대부분은 부정확합니다. 이러한 행동은 매우 오해의 소지가 있습니다.

그림 6 의 패널 b2는  SM 접근법으로 얻은 유속 장을 보여주고 패널 c2는 SM과 DM 접근법으로 얻은 결과 간의 차이를 보여줍니다. SM 접근법은 NM 대응 물에 비해 전반적으로 더 나은 정확도를 명확하게 보여 주지만, 이는 레이저 소스의 위치가 진동 중에 음영 영역이 많이 움직이지 않기 때문입니다 (그림 3 참조). 한 번의 진동 동안 VI가 경험 한 최대 변위를 육안으로 검사합니다. 즉, 분석 된 사례의 경우 정적 마스크를 그리기위한 중립 구성을 선택하면 NM 접근 방식보다 낮은 오류를 얻을 수 있습니다. 더 큰 물체 변위를 포함하는 실험 설정은 NM이 일관되게 더 정확해질 수 있기 때문에 NM보다 SM의 우월성은 일반화 될 수 없음을 강조하고 싶습니다.

그림  6 은 분석 된 접근법에 의해 생성 된 차이를 철저히 보여 주지만 결과에 대한보다 정량적 인 평가를 제공하기 위해 오류의 빈도 분포를 계산했습니다. 그림 7 에서 이러한 분포를  살펴보면 SM 접근법이 NM보다 전체적인 예측이 더 우수하고 SM 분포가 더 정점에 있음을 확인합니다. 그럼에도 불구하고 SM은 여전히 ​​비정상적인 강도의 스파이크를 생성합니다. 분포의 꼬리로 표시되는 이러한 값은 정적 마스크 범위의 과대 평가 (왼쪽 꼬리) 및 과소 평가 (오른쪽 꼬리)에 연결됩니다. 그러나 주파수의 크기는 고려되는 경우에 SM과 NM의 적용 가능성을 배제하여 DM에 대한 리조트를 의무적으로 만듭니다.

그림 6
그림 6
그림 7
그림 7

결론

이 작업에서는 PIV 분석 도구에 DM (Dynamic Masking) 모듈을 제공하기위한 새로운 실험 기법을 제시합니다. 동적 마스킹은 유체 흐름에 잠긴 불투명 이동 / 변형 가능한 물체를 포함하는 시간 해결 PIV 설정에서 필요한 단계입니다. 마스킹 알고리즘과 함께 형광 코팅을 사용하여 물체를 정확하게 추적 할 수 있습니다. 우리는 제안 된 DM과 두 가지 다른 접근 방식, 즉 no-masking (NM)과 static masking (SM)을 비교하여 자체적으로 설계된 저비용 PIV 설정을 통해 수행 된 측정을 제시합니다. 분석 된 유동 역학은 고체 물체의 제한된 변위를 포함하지만 정량적 비교는 DM 기술을 채택해야하는 필수 필요성을 보여줍니다. 여기에서 정확성이 입증 된 현재의 실험적 접근 방식은

메모

  1. 1.실험 데이터 세트는 PIV 분석의 복제를 허용하기 위해 요청시 제공됩니다.

참고 문헌

  1. Anders S, Noto D, Seilmayer M, Eckert S (2019) 스펙트럼 랜덤 마스킹 : 다상 흐름에서 piv를위한 새로운 동적 마스킹 기술. Experim 유체 60 (4) : 1–6 Google 학술 검색 
  2. Archbold E, Ennos A (1972) 이중 노출 레이저 사진에서 변위 측정. Optica Acta Int J Opt 19 (4) : 253–271 Google 학술 검색 
  3. Barker D, Fourney M (1977) 얼룩 패턴으로 유체 속도 측정. Opt Lett 1 (4) : 135–137 Google 학술 검색 
  4. Bradley D, Roth G (2007) 적분 이미지를 사용한 적응 형 임계 값. J 그래프 도구 12 (2) : 13–21 Google 학술 검색 
  5. Brücker C (2000) Piv의 다상 흐름. 입자 이미지 유속계 및 관련 기술, 강의 시리즈, p 1
  6. Case N (2015) 시력 및 조명. GitHub 저장소. https://github.com/ncase/sight-and-light
  7. Curatolo M, La Rosa M, Prestininzi P (2019) 바이 모르 프 압전 캔틸레버의 굽힘에서 평면 상태 가정의 타당성. J Intell Mater Syst Struct 30 (10) : 1508–1517 Google 학술 검색 
  8. Curatolo M, Lombardi V, Prestininzi P (2020) 얇은 압전 캔틸레버의 유동 유도 진동 향상 : 실험 분석. In : River Flow 2020— 유체 유압에 관한 국제 회의 절차
  9. DantecDynamics : DynamicStudio 6.4 (2018) https://www.dantecdynamics.com/dynamicstudio-6-4-release-with-new-dynamic-masking-add-on/
  10. Driscoll K, Sick V, Gray C (2003) 고밀도 연료 ​​스프레이에서 동시 공기 / 연료 위상 piv 측정. Experim 유체 35 (1) : 112–115 Google 학술 검색 
  11. Dussol D, Druault P, Mallat B, Delacroix S, Germain G (2016) 불안정한 인터페이스, 거품 및 움직이는 구조를 포함하는 piv 이미지에 대한 자동 동적 마스크 추출. Comptes Rendus Mécanique 344 (7) : 464–478 Google 학술 검색 
  12. Ergin F, Watz B, Wadhwa N (2015) 장거리 micropiv를 사용하여 작은 평영 수영 선수 주변의 픽셀 정확도 동적 마스킹 및 흐름 측정. 에서 : 입자 이미지 유속계 -PIV15에 관한 제 11 회 국제 심포지엄. 캘리포니아 주 산타 바바라, 9 월, 14 ~ 16 쪽
  13. Flow Science I (2019) FLOW-3D, 버전 12.0. 산타페, NM https://www.flow3d.com/
  14. Foeth EJ, Van Doorne C, Van Terwisga T, Wieneke B (2006) 시간은 3d 시트 캐비테이션의 piv 및 유동 시각화를 해결했습니다. Experim 유체 40 (4) : 503–513 Google 학술 검색 
  15. Grant I (1997) 입자 이미지 속도 측정 : 리뷰. Proc Inst Mech Eng CJ Mech Eng Sci 211 (1) : 55–76 Google 학술 검색 
  16. Guérin A, Derr J, Du Pont SC, Berhanu M (2020) 흐르는 물막에 의해 생성 된 Streamwise 용해 패턴. Phys Rev Lett 125 (19) : 194502 Google 학술 검색 
  17. Keane RD, Adrian RJ (1992) piv 이미지의 상호 상관 분석 이론. Appl Sci Res 49 (3) : 191–215 Google 학술 검색 
  18. Keulegan GH (1938) 열린 수로에서 난류의 법칙, vol. 21. 미국 표준 국 (National Bureau of Standards)
  19. Khalitov D, Longmire EK (2002) 2 개 매개 변수 위상 차별에 의한 동시 2 상 piv. Experim 유체 32 (2) : 252–268 Google 학술 검색 
  20. Lindken R, Rossi M, Große S, Westerweel J (2009) 미세 입자 영상 속도계 (piv) : 최근 개발, 응용 및 지침. 랩 칩 9 (17) : 2551–2567 Google 학술 검색 
  21. Masullo A, Theunissen R (2017) 픽셀 강도 통계를 기반으로 한 piv 이미지 분석을위한 자동화 된 마스크 생성. Experim 유체 58 (6) : 70 Google 학술 검색 
  22. Mohammadshahi S, Samsam-Khayani H, Cai T, Kim KC (2020) 수로에서 진동하는 제트의 흐름 특성과 열 전달에 대한 실험 및 수치 연구. Int J 열 유체 흐름 86 : 108701 Google 학술 검색 
  23. Narayan S, Moravec DB, Dallas AJ, Dutcher CS (2020) 4 채널 미세 유체 유체 역학 트랩에서 물방울 모양 이완. Phys Rev Fluids 5 (11) : 113603 Google 학술 검색 
  24. Pedocchi F, Martin JE, García MH (2008) 입자 이미지 속도계를 사용하는 대규모 실험을위한 저렴한 형광 입자. Experim 유체 45 (1) : 183–186 Google 학술 검색 
  25. Prasad AK (2000) 입체 입자 영상 유속계. Experim 유체 29 (2) : 103–116 Google 학술 검색 
  26. Prestininzi P, Lombardi V (2021) DM @ PIV. https://it.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/75398-dm-piv . MATLAB Central 파일 교환. 2021 년 5 월 6 일 확인
  27. Sanchis A, Jensen A (2011) 자유 표면 흐름에서 라돈 변환을 사용한 piv 이미지의 동적 마스킹. Experim 유체 51 (4) : 871–880 Google 학술 검색 
  28. Scarano F (2013) Tomographic piv : 원리와 실행. Meas Sci Technol 24 (1)
  29. Taniguchi M, Lindsey JS (2018) photochemcad에 사용하기위한> 300 개의 일반적인 화합물의 흡수 및 형광 스펙트럼 데이터베이스. Photochem Photobiol 94 (2) : 290–327 Google 학술 검색 
  30. Taniguchi M, Du H, Lindsey JS (2018) Photochemcad 3 : 다중 스펙트럼 데이터베이스를 사용한 광 물리 계산을위한 다양한 모듈. Photochem Photobiol 94 (2) : 277–289 Google 학술 검색 
  31. Thielicke W (2020) PIVlab (2020). https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool . MATLAB Central 파일 교환. 5 월 8 일 확인
  32. Thielicke W, Stamhuis E (2014) PIVlab-matlab의 사용자 친화적이고 저렴하며 정확한 디지털 입자 이미지 속도계를 지향합니다. J Open Res Softw 2 (1)
  33. TSI Instruments (2014) PIV 이미지에 대한 동적 마스킹. TSI Incorporated 애플리케이션 노트 PIV-018
  34. Vennemann B, Rösgen T (2020) 컨볼 루션 오토 인코더를 사용하는 입자 이미지 속도 측정을위한 동적 마스킹 기술. Experim 유체 61 (7) : 1–11 Google 학술 검색 
  35. Westerweel J, Elsinga GE, Adrian RJ (2013) 복잡하고 난류 흐름에 대한 입자 이미지 유속계. Ann Rev Fluid Mech 45 (1) : 409–436. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-120710-101204MathSciNet  수학 Google 학술 검색 

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자금

CRUI-CARE 계약에 따라 Università degli Studi Roma Tre가 제공하는 오픈 액세스 자금.

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제휴

  1. 이탈리아 Roma, Università Roma Tre 공학과Valentina Lombardi, Michele La Rocca, Pietro Prestininzi

교신 저자

Valentina Lombardi에 대한 서신 .

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Lombardi, V., Rocca, ML & Prestininzi, P. 시간 분해 PIV 분석을위한 새로운 동적 마스킹 기술. J Vis (2021). https://doi.org/10.1007/s12650-021-00756-0

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Dam-Break Flows: Comparison between Flow-3D, MIKE 3 FM, and Analytical Solutions with Experimental Data

Dam-Break Flows: Comparison between Flow-3D, MIKE 3 FM, and Analytical Solutions with Experimental Data

by Hui Hu,Jianfeng Zhang andTao Li *
State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, School of Water Resources and Hydropower, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China
*Author to whom correspondence should be addressed.
Appl. Sci.20188(12), 2456; https://doi.org/10.3390/app8122456Received: 14 October 2018 /
Revised: 20 November 2018 / Accepted: 29 November 2018 / Published: 2 December 2018

Abstract

The objective of this study was to evaluate the applicability of a flow model with different numbers of spatial dimensions in a hydraulic features solution, with parameters such a free surface profile, water depth variations, and averaged velocity evolution in a dam-break under dry and wet bed conditions with different tailwater depths. Two similar three-dimensional (3D) hydrodynamic models (Flow-3D and MIKE 3 FM) were studied in a dam-break simulation by performing a comparison with published experimental data and the one-dimensional (1D) analytical solution. The results indicate that the Flow-3D model better captures the free surface profile of wavefronts for dry and wet beds than other methods. The MIKE 3 FM model also replicated the free surface profiles well, but it underestimated them during the initial stage under wet-bed conditions. However, it provided a better approach to the measurements over time. Measured and simulated water depth variations and velocity variations demonstrate that both of the 3D models predict the dam-break flow with a reasonable estimation and a root mean square error (RMSE) lower than 0.04, while the MIKE 3 FM had a small memory footprint and the computational time of this model was 24 times faster than that of the Flow-3D. Therefore, the MIKE 3 FM model is recommended for computations involving real-life dam-break problems in large domains, leaving the Flow-3D model for fine calculations in which knowledge of the 3D flow structure is required. The 1D analytical solution was only effective for the dam-break wave propagations along the initially dry bed, and its applicability was fairly limited. 

Keywords: dam breakFlow-3DMIKE 3 FM1D Ritter’s analytical solution

이 연구의 목적은 자유 표면 프로파일, 수심 변화 및 건식 및 댐 파괴에서 평균 속도 변화와 같은 매개 변수를 사용하여 유압 기능 솔루션에서 서로 다른 수의 공간 치수를 가진 유동 모델의 적용 가능성을 평가하는 것이었습니다.

테일 워터 깊이가 다른 습식베드 조건. 2 개의 유사한 3 차원 (3D) 유체 역학 모델 (Flow-3D 및 MIKE 3 FM)이 게시된 실험 데이터와 1 차원 (1D) 분석 솔루션과의 비교를 수행하여 댐 브레이크 시뮬레이션에서 연구되었습니다.

결과는 FLOW-3D 모델이 다른 방법보다 건식 및 습식 베드에 대한 파면의 자유 표면 프로파일을 더 잘 포착함을 나타냅니다. MIKE 3 FM 모델도 자유 표면 프로파일을 잘 복제했지만, 습식 조건에서 초기 단계에서 과소 평가했습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 측정에 더 나은 접근 방식을 제공했습니다.

측정 및 시뮬레이션 된 수심 변화와 속도 변화는 두 3D 모델 모두 합리적인 추정치와 0.04보다 낮은 RMSE (root mean square error)로 댐 브레이크 흐름을 예측하는 반면 MIKE 3 FM은 메모리 공간이 적고 이 모델의 계산 시간은 Flow-3D보다 24 배 더 빠릅니다.

따라서 MIKE 3 FM 모델은 대규모 도메인의 실제 댐 브레이크 문제와 관련된 계산에 권장되며 3D 흐름 구조에 대한 지식이 필요한 미세 계산을 위해 Flow-3D 모델을 남겨 둡니다. 1D 분석 솔루션은 초기 건조 층을 따라 전파되는 댐 파괴에만 효과적이었으며 그 적용 가능성은 상당히 제한적이었습니다.

1. Introduction

저수지에 저장된 물의 통제되지 않은 방류[1]로 인해 댐 붕괴와 그로 인해 하류에서 발생할 수 있는 잠재적 홍수로 인해 큰 자연 위험이 발생한다. 이러한 영향을 최대한 완화하기 위해서는 홍수[2]로 인한 위험을 관리하고 감소시키기 위해 홍수의 시간적 및 공간적 진화를 모두 포착하여 댐 붕괴 파동의 움직임을 예측하고 댐 붕괴 파동의 전파 과정 효과를 다운스트림[3]으로 예측하는 것이 중요하다. 

그러나 이러한 수량을 예측하는 것은 어려운 일이며, 댐 붕괴 홍수의 움직임을 정확하게 시뮬레이션하고 유동장에 대한 유용한 정보를 제공하기 위한 적절한 모델을 선택하는 것은 그러므로 필수적인 단계[4]이다.

적절한 수학적 및 수치적 모델의 선택은 댐 붕괴 홍수 분석에서 매우 중요한 것으로 나타났다.분석적 해결책에서 행해진 댐 붕괴 흐름에 대한 연구는 100여 년 전에 시작되었다. 

리터[5]는 먼저 건조한 침대 위에 1D de 생베넌트 방정식의 초기 분석 솔루션을 도출했고, 드레슬러[6,7]와 휘담[8]은 마찰저항의 영향을 받은 파동학을 연구했으며, 스토커[9]는 젖은 침대를 위한 1D 댐 붕괴 문제에 리터의 솔루션을 확장했다. 

마샬과 멩데즈[10]는 고두노프가 가스 역학의 오일러 방정식을 위해 개발한 방법론[11]을 적용하여 젖은 침대 조건에서 리만 문제를 해결하기 위한 일반적인 절차를 고안했다. Toro [12]는 습식 및 건식 침대 조건을 모두 해결하기 위해 완전한 1D 정밀 리만 용해제를 실시했다. 

Chanson [13]은 특성 방법을 사용하여 갑작스러운 댐 붕괴로 인한 홍수에 대한 간단한 분석 솔루션을 연구했다. 그러나 이러한 분석 솔루션은 특히 댐 붕괴 초기 단계에서 젖은 침대의 정확한 결과를 도출하지 못했다[14,15].과거 연구의 발전은 이른바 댐 붕괴 홍수 문제 해결을 위한 여러 수치 모델[16]을 제공했으며, 헥-라스, DAMBRK, MIK 11 등과 같은 1차원 모델을 댐 붕괴 홍수를 모델링하는 데 사용하였다.

[17 2차원(2D) 깊이 평균 방정식도 댐 붕괴 흐름 문제를 시뮬레이션하는 데 널리 사용되어 왔으며[18,19,20,21,22] 그 결과 얕은 물 방정식(SWE)이 유체 흐름을 나타내는 데 적합하다는 것을 알 수 있다. 그러나, 경우에 따라 2D 수치해결기가 제공하는 해결책이 특히 근거리 분야에서 실험과 일관되지 않을 수 있다[23,24]. 더욱이, 1차원 및 2차원 모델은 3차원 현상에 대한 일부 세부사항을 포착하는 데 한계가 있다.

[25]. RANS(Reynolds-averageed Navier-Stok크스 방정식)에 기초한 여러 3차원(3D) 모델이 얕은 물 모델의 일부 단점을 극복하기 위해 적용되었으며, 댐 붕괴 초기 단계에서의 복잡한 흐름의 실제 동작을 이해하기 위해 사용되었다 [26,27,28]장애물이나 바닥 실에 대한 파장의 충격으로 인한 튜디 댐 붕괴 흐름 [19,29] 및 근거리 영역의 난류 댐 붕괴 흐름 거동 [4] 최근 상용화된 수치 모델 중 잘 알려진 유체 방식(VOF) 기반 CFD 모델링 소프트웨어 FLOW-3D는 컴퓨터 기술의 진보에 따른 계산력 증가로 인해 불안정한 자유 표면 흐름을 분석하는 데 널리 사용되고 있다. 

이 소프트웨어는 유한 차이 근사치를 사용하여 RANS 방정식에 대한 수치 해결책을 계산하며, 자유 표면을 추적하기 위해 VOF를 사용한다 [30,31]; 댐 붕괴 흐름을 모델링하는 데 성공적으로 사용되었다 [32,33].그러나, 2D 얕은 물 모델을 사용하여 포착할 수 없는 공간과 시간에 걸친 댐 붕괴 흐름의 특정한 유압적 특성이 있다. 

실생활 현장 척도 시뮬레이션을 위한 완전한 3D Navier-Stokes 방정식의 적용은 더 높은 계산 비용[34]을 가지고 있으며, 원하는 결과는 얕은 물 모델[35]보다 더 정확한 결과를 산출하지 못할 수 있다. 따라서, 본 논문은 3D 모델의 기능과 그 계산 효율을 평가하기 위해 댐 붕괴 흐름 시뮬레이션을 위한 단순화된 3D 모델-MIKE 3 FM을 시도한다. 

MIK 3 모델은 자연 용수 분지의 여러 유체 역학 시뮬레이션 조사에 적용되었다. 보치 외 연구진이 사용해 왔다. [36], 니콜라오스 및 게오르기오스 [37], 고얄과 라토드[38] 등 현장 연구에서 유체역학 시뮬레이션을 위한 것이다. 이러한 저자들의 상당한 연구에도 불구하고, MIK 3 FM을 이용한 댐 붕괴의 모델링에 관한 연구는 거의 없었다. 

또한 댐 붕괴 홍수 전파 문제를 해결하기 위한 3D 얕은 물과 완전한 3D RANS 모델의 성능을 비교한 연구도 아직 보고되지 않았다. 이 공백을 메우기 위해 현재 연구의 주요 목표는 댐 붕괴 흐름을 시뮬레이션하기 위한 단순화된 3D SWE, 상세 RANS 모델 및 분석 솔루션을 평가하여 댐 붕괴 문제에 대한 정확도와 적용 가능성을 평가하는 것이다.실제 댐 붕괴 문제를 해결하기 위해 유체역학 시뮬레이션을 시도하기 전에 수치 모델을 검증할 필요가 있다. 

일련의 실험 벤치마크를 사용하여 수치 모델을 확인하는 것은 용인된 관행이다. 현장 데이터 확보가 어려워 최근 몇 년 동안 제한된 측정 데이터를 취득했다. 

본 논문은 Ozmen-Cagatay와 Kocaman[30] 및 Khankandi 외 연구진이 제안한 두 가지 테스트 사례에 의해 제안된 검증에서 인용한 것이다. [39] 오즈멘-카가테이와 코카만[30]이 수행한 첫 번째 실험에서, 다른 미숫물 수위에 걸쳐 초기 단계 동안 댐 붕괴 홍수파가 발생했으며, 자유 지표면 프로파일의 측정치를 제공했다. Ozmen-Cagatay와 Kocaman[30]은 초기 단계에서 Flow-3D 소프트웨어가 포함된 2D SWE와 3D RANS의 숫자 솔루션에 의해 계산된 자유 표면 프로필만 비교했다. 

Khankandi 등이 고안한 두 번째 실험 동안. [39], 이 실험의 측정은 홍수 전파를 시뮬레이션하고 측정된 데이터를 제공하는 것을 목적으로 하는 수치 모델을 검증하기 위해 사용되었으며, 말기 동안의 자유 표면 프로필, 수위의 시간 진화 및 속도 변화를 포함한다. Khankandi 등의 연구. [39] 주로 실험 조사에 초점을 맞추었으며, 초기 단계에서는 리터의 솔루션과의 수위만을 언급하고 있다.

경계 조건(상류 및 하류 모두 무한 채널 길이를 갖는 1D 분석 솔루션에서는 실험 결과를 리터와 비교하는 것이 타당하지 않기 때문이다(건조 be)d) 또는 스토커(웨트 베드) 솔루션은 벽의 반사가 깊이 프로파일에 영향을 미쳤을 때, 그리고 참조 [39]의 실험에 대한 수치 시뮬레이션과의 추가 비교가 불량할 때. 이 논문은 이러한 문제를 직접 겨냥하여 전체 댐 붕괴 과정에서의 자유 표면 프로필, 수심 변화 및 속도 변화에 대한 완전한 비교 연구를 제시한다. 

여기서 댐 붕괴파의 수치 시뮬레이션은 초기에 건조하고 습한 직사각형 채널을 가진 유한 저장소의 순간 댐 붕괴에 대해 두 개의 3D 모델을 사용하여 개발된다.본 논문은 다음과 같이 정리되어 있다. 두 모델에 대한 통치 방정식은 숫자 체계를 설명하기 전에 먼저 도입된다. 

일반적인 단순화된 시험 사례는 3D 수치 모델과 1D 분석 솔루션을 사용하여 시뮬레이션했다. 모델 결과와 이들이 실험실 실험과 비교하는 방법이 논의되고, 서로 다른 수심비에서 시간에 따른 유압 요소의 변동에 대한 시뮬레이션 결과가 결론을 도출하기 전에 제시된다.

2. Materials and Methods

2.1. Data

첫째, 수평 건조 및 습식 침상에 대한 초기 댐 붕괴 단계 동안의 자유 표면 프로필 측정은 Ozmen-Cagatay와 Kocaman에 의해 수행되었다[30]. 이 시험 동안, 매끄럽고 직사각형의 수평 채널은 그림 1에서 표시한 대로 너비 0.30m, 높이 0.30m, 길이 8.9m이었다. 

채널은 채널 입구에서 4.65m 떨어진 수직 플레이트(담) 즉, 저장소의 길이 L0=4.65mL0에 의해 분리되었다., 및 다운스트림 채널 L1=4.25 mL1. m저수지는 댐의 좌측에 위치하고 처음에는 침수된 것으로 간주되었다; 저수지의 초기 상류 수심 h0 0.25m로 일정했다.

오른쪽의 초기 수심 h1h1 건식침대의 경우 0m, 습식침대의 경우 0.025m, 0.1m이므로 수심비 α=h1/h0α으로 세 가지 상황이 있었다. 0, 0.1, 0.4의 습식침대 조건은 플룸 끝에 낮은 보를 사용함으로써 만들어졌다. 물 표면 프로필은 3개의 고속 디지털 카메라(50프레임/s)를 사용하여 초기에 관찰되었으며, 계측 측정의 정확도는 참고문헌 [30]에서 입증되었다. In the following section, the corresponding numerical results refer to positions x = −1 m (P1), −0.5 m (P2), −0.2 m (P3), +0.2 m (P4), +0.5 m (P5), +1 m (P6), +2 m (P7), and +2.85 m (P8), where the origin of the coordinate system x = 0 is at the dam site. 3수심비 ααα 0, 0.1, 0.4의 경우 x,yx의 경우 좌표는 h0.으로 정규화된다.

<중략> ……

Figure 1. Schematic view of the experimental conditions by Ozmen-Cagatay and Kocaman [30]: (a) α = 0; (b) α = 0.1; and (c) α = 0.4.
Figure 1. Schematic view of the experimental conditions by Ozmen-Cagatay and Kocaman [30]: (a) α = 0; (b) α = 0.1; and (c) α = 0.4.

Figure 2. Schematic view of the experimental conditions by Khankandi et al. [39]: (a) α = 0 and (b) α = 0.2.
Figure 2. Schematic view of the experimental conditions by Khankandi et al. [39]: (a) α = 0 and (b) α = 0.2.
Figure 3. Typical profiles of the dam-break flow regimes for Stoker’s analytical solution [9]: Wet-bed downstream
Figure 3. Typical profiles of the dam-break flow regimes for Stoker’s analytical solution [9]: Wet-bed downstream
Figure 4. Sensitivity analysis of the numerical simulation using Flow-3D for the different mesh sizes of the experiments in Reference [30].
Figure 4. Sensitivity analysis of the numerical simulation using Flow-3D for the different mesh sizes of the experiments in Reference [30].
Figure 5. Sensitivity analysis of the numerical simulation using MIKE 3 FM for the different mesh sizes of the experiments in Reference [30].
Figure 5. Sensitivity analysis of the numerical simulation using MIKE 3 FM for the different mesh sizes of the experiments in Reference [30].
Figure 6. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for dry-bed (α=0). The experimental data are from Reference [30].
Figure 6. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for dry-bed (α=0). The experimental data are from Reference [30].
Figure 7. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for a wet-bed (α = 0.1). The experimental data are from Reference [30].
Figure 7. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for a wet-bed (α = 0.1). The experimental data are from Reference [30].
Figure 8. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for the wet-bed (α = 0.4). The experimental data are from Reference [30].
Figure 8. Comparison between observed and simulated free surface profiles at dimensionless times T = t(g/h0)1/2 and for the wet-bed (α = 0.4). The experimental data are from Reference [30].
Figure 9. Experimental and numerical comparison of free surface profiles h/h0(x/h0) during late stages at various dimensionless times T after the failure in the dry-bed by Khankandi et al. [39].
Figure 9. Experimental and numerical comparison of free surface profiles h/h0(x/h0) during late stages at various dimensionless times T after the failure in the dry-bed by Khankandi et al. [39].

Table 2. RMSE values for the free surface profiles observed by Khankandi et al. [39].

Table 2. RMSE values for the free surface profiles observed by Khankandi et al. [39].
Table 2. RMSE values for the free surface profiles observed by Khankandi et al. [39].
Figure 10. Measured and computed water level hydrograph at various positions for dry-bed by Khankandi et al. [39]: (a) G1 (−0.5 m); (b) G2 (−0.1 m); (c) G3 (0.1 m); (d) G4 (0.8 m); (e) G6 (1.2 m); (f) G8 (5.5 m).
Figure 10. Measured and computed water level hydrograph at various positions for dry-bed by Khankandi et al. [39]: (a) G1 (−0.5 m); (b) G2 (−0.1 m); (c) G3 (0.1 m); (d) G4 (0.8 m); (e) G6 (1.2 m); (f) G8 (5.5 m).
Figure 11. Measured and computed water level hydrographs at various positions for the wet-bed by Khankandi et al. [39]: (a) G1 (−0.5 m); (b) G2 (−0.1 m); (c) G4 (0.8 m); and (d) G5 (1.0 m).
Figure 11. Measured and computed water level hydrographs at various positions for the wet-bed by Khankandi et al. [39]: (a) G1 (−0.5 m); (b) G2 (−0.1 m); (c) G4 (0.8 m); and (d) G5 (1.0 m).

Table 3. RMSE values for the water depth variations observed by Khankandi et al. [39] at the late stage.

Table 3. RMSE values for the water depth variations observed by Khankandi et al. [39] at the late stage.
Table 3. RMSE values for the water depth variations observed by Khankandi et al. [39] at the late stage.
Figure 13. Comparison of simulated velocity profiles at various locations upstream and downstream of the dam at t = 0.8 s, 2 s, and 5 s for water depth ratios α = 0.1 by Ozmen-Cagatay and Kocaman [30]: (a) P1(−1 m); (b) P3 (+0.2 m); (c) P5 (+1 m); and (d) P6 (+2 m).
Figure 13. Comparison of simulated velocity profiles at various locations upstream and downstream of the dam at t = 0.8 s, 2 s, and 5 s for water depth ratios α = 0.1 by Ozmen-Cagatay and Kocaman [30]: (a) P1(−1 m); (b) P3 (+0.2 m); (c) P5 (+1 m); and (d) P6 (+2 m).
Table 5. The required computational time for the two models to address dam break flows in all cases
Table 5. The required computational time for the two models to address dam break flows in all cases

References

  1. Gallegos, H.A.; Schubert, J.E.; Sanders, B.F. Two-dimensional high-resolution modeling of urban dam-break flooding: A case study of Baldwin Hills, California. Adv. Water Resour. 200932, 1323–1335. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Kim, K.S. A Mesh-Free Particle Method for Simulation of Mobile-Bed Behavior Induced by Dam Break. Appl. Sci. 20188, 1070. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Robb, D.M.; Vasquez, J.A. Numerical simulation of dam-break flows using depth-averaged hydrodynamic and three-dimensional CFD models. In Proceedings of the Canadian Society for Civil Engineering Hydrotechnical Conference, Québec, QC, Canada, 21–24 July 2015. [Google Scholar]
  4. LaRocque, L.A.; Imran, J.; Chaudhry, M.H. 3D numerical simulation of partial breach dam-break flow using the LES and k-ε. J. Hydraul. Res. 201351, 145–157. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Ritter, A. Die Fortpflanzung der Wasserwellen (The propagation of water waves). Z. Ver. Dtsch. Ing. 189236, 947–954. [Google Scholar]
  6. Dressler, R.F. Hydraulic resistance effect upon the dam-break functions. J. Res. Nat. Bur. Stand. 195249, 217–225. [Google Scholar] [CrossRef]
  7. Dressler, R.F. Comparison of theories and experiments for the hydraulic dam-break wave. Int. Assoc. Sci. Hydrol. 195438, 319–328. [Google Scholar]
  8. Whitham, G.B. The effects of hydraulic resistance in the dam-break problem. Proc. R. Soc. Lond. 1955227A, 399–407. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Stoker, J.J. Water Waves: The Mathematical Theory with Applications; Wiley and Sons: New York, NY, USA, 1957; ISBN 0-471-57034-6. [Google Scholar]
  10. Marshall, G.; Méndez, R. Computational Aspects of the Random Choice Method for Shallow Water Equations. J. Comput. Phys. 198139, 1–21. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Godunov, S.K. Finite Difference Methods for the Computation of Discontinuous Solutions of the Equations of Fluid Dynamics. Math. Sb. 195947, 271–306. [Google Scholar]
  12. Toro, E.F. Shock-Capturing Methods for Free-Surface Shallow Flows; Wiley and Sons Ltd.: New York, NY, USA, 2001. [Google Scholar]
  13. Chanson, H. Application of the method of characteristics to the dam break wave problem. J. Hydraul. Res. 200947, 41–49. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
  14. Cagatay, H.; Kocaman, S. Experimental Study of Tail Water Level Effects on Dam-Break Flood Wave Propagation; 2008 Kubaba Congress Department and Travel Services: Ankara, Turkey, 2008; pp. 635–644. [Google Scholar]
  15. Stansby, P.K.; Chegini, A.; Barnes, T.C.D. The initial stages of dam-break flow. J. Fluid Mech. 1998374, 407–424. [Google Scholar] [CrossRef]
  16. Soares-Frazao, S.; Zech, Y. Dam Break in Channels with 90° Bend. J. Hydraul. Eng. 2002128, 956–968. [