Ni-Mo-Fe 합금 안테나 부품의 금형 단조에 대한 FEM 모델링 및 실험적 연구

FEM MODELLING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIE FORGING OF Ni-Mo-Fe ALLOY ANTENNA COMPONENTS

Ni-Mo-Fe 합금은 우수한 자기적 특성과 내식성을 갖추고 있어 안테나 부품 제조에 널리 사용되지만, 주조 상태에서는 기공과 미세 수축과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 이러한 결함은 구조적 무결성을 저해하므로, 이를 제거하고 기계적 성질을 개선하기 위한 열간 단조 공정 설계가 필수적입니다. 본 연구는 QForm 소프트웨어를 활용한 FEM 수치 시뮬레이션과 실제 산업 현장에서의 단조 시험을 결합하여 최적의 공정 매개변수를 도출하는 것을 목표로 합니다. 연구 과정에서는 변형률 및 응력 분포를 분석하여 주조 결함의 폐쇄 메커니즘을 규명하였습니다. 또한, 단조된 시편의 경도, 충격 강도, 미세 조직을 분석하여 시뮬레이션 결과의 타당성을 검증하였습니다. 실험 결과, 단조 공정을 통해 기공이 없는 균일한 미세 조직을 얻을 수 있었으며, 이는 안테나 부품으로서 요구되는 강도와 소성 특성을 충족합니다. 본 논문은 수치 해석과 실증 시험의 통합적 접근을 통해 특수 합금의 제조 공정 최적화에 기여합니다. 이러한 연구 결과는 통신 장비 및 정밀 측정 기기용 연자성 부품 생산에 직접적으로 적용될 수 있는 실용적인 가치를 지닙니다.

메타데이터 및 키워드

Fig. 1 Ni-Mo-Fe material after forging with improperly selected parameters
Fig. 1 Ni-Mo-Fe material after forging with improperly selected parameters

논문 메타데이터

  • Industry: 통신, 금속 공학
  • Material: Ni-Mo-Fe 합금 (니켈-몰리브덴-철)
  • Process: 열간 금형 단조, FEM 수치 시뮬레이션
  • System: 안테나 구조물
  • Objective: 주조 결함을 제거하고 안테나 부품에 적합한 기계적 특성을 확보하기 위한 열간 단조 공정 설계 및 검증

핵심 키워드

  • Ni-Mo-Fe 합금
  • 금형 단조
  • 수치 시뮬레이션
  • 미세 조직
  • 기계적 특성

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 QForm3D를 이용한 FEM 시뮬레이션으로 공정 매개변수를 설계하고, 이를 산업용 해머 단조 시험을 통해 검증한 후, 최종 제품의 기계적 및 미세 조직적 특성을 분석하는 체계로 구성되었습니다.

방법 개요

1100°C 가열 조건에서 QForm3D 소프트웨어를 통한 3D 열역학적 해석을 수행하였으며, 실제 Wolbrom 단조 공장에서 MPM 2000 해머를 사용하여 실증 시험을 완료했습니다.

주요 결과

단조 후 코어 경도는 약 171 HB, 플래시 인접부는 184 HB를 기록했으며, 평균 충격 강도는 872 kJ/m^2, 항복 강도는 326 MPa로 측정되었습니다. 특히 FEM에서 예측된 압축 응력 분포가 주조 결함인 기공을 효과적으로 제거했음이 확인되었습니다.

산업적 활용 가능성

통신용 안테나 부품, 무선 공학 장치, 정밀 측정 기기 및 전력 처리용 연자성 부품 제조에 적용 가능합니다.

한계와 유의점

본 결과는 특정 Ni-Mo-Fe 합금 조성 및 테스트된 단조 조건에 국한되며, 결함 제거 효율을 더욱 높이기 위한 다양한 공정 변수에 대한 추가 연구가 필요합니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: FEM MODELLING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIE FORGING OF Ni-Mo-Fe ALLOY ANTENNA COMPONENTS
  • Author: M. WOJTASZEK, P. CHYŁA, T. ŚLEBODA, A. ŁUKASZEK-SOŁEK, S. BEDNAREK
  • Year: 2012
  • Journal: ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS
  • DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

2. 초록

본 연구는 Ni-Mo-Fe 합금의 특정 요소에 대한 열간 단조 공정 설계에 중점을 두었습니다.

연구에는 수치적 FEM 시뮬레이션, 산업 조건에서의 테스트 및 실험실 테스트가 포함되었습니다.

선택된 단조품의 열간 단조에 대한 수치적 FEM 시뮬레이션은 QForm 소프트웨어를 사용하여 준비 및 수행되었습니다.

연구 결과, FEM 수치 해석에서 가정되고 산업 조건에서 검증된 분석 합금의 단조 매개변수를 통해 부피 내에서 상당히 균일한 미세 조직을 가진 양질의 제품을 생산할 수 있음을 보여주었습니다.

얻어진 제품에서 기공이나 미세 수축의 징후는 관찰되지 않았으며, 이는 조사된 재료에 대한 단조 매개변수의 선택이 원료 부피에 존재하는 주조 결함을 제거할 수 있음을 의미합니다.

3. 방법론

FEM 시뮬레이션: QForm3D 소프트웨어를 사용하여 3D 열역학적 금속 성형 시뮬레이션을 수행하였으며, 유효 변형률과 평균 응력 분포를 분석했습니다. 원료 온도 1100°C, 유지 시간 35분, 금형 온도 300°C, 마찰 계수 0.4 등의 조건이 적용되었습니다.

산업 실증 시험: Wolbrom 단조 공장에서 Ø 30×210 mm 주조 바를 사용하여 FEM 분석에서 도출된 매개변수로 실제 단조를 수행했습니다. MPM 2000 해머를 이용한 단일 공정으로 진행되었으며, 초기 조사를 위해 플래시는 제거하지 않았습니다.

재료 특성 평가: 브리넬 경도 시험, 샤르피 충격 시험(U-노치), 일축 압축 시험 및 금속 조직 검사를 포함한 포괄적인 실험실 테스트를 실시했습니다. 압축 시험은 상온에서 1 s^-1의 변형률 속도로 진행되어 탄성 계수와 항복 강도를 측정했습니다.

4. 결과 및 분석

경도 분포 분석: 경도 값은 코어 부분에서 약 171 HB로 균일하게 나타났으며, 플래시 근처의 가장자리로 갈수록 증가하여 최대 184±4.57 HB를 기록했습니다. 이는 FEM 시뮬레이션에서 예측된 원주 영역의 높은 유효 변형률 분포와 일치하는 결과입니다.

기계적 특성 결과: 단조된 합금은 872±27 kJ/m^2의 높은 평균 충격 강도를 보였으며, 탄성 계수는 118±30 GPa, 항복 강도(Rp0.2)는 326±20 MPa로 측정되었습니다. 압축 시험 중 시편에 균열이 발생하지 않아 우수한 연성을 입증했습니다.

미세 조직 검사: SEM-EDS 분석을 통해 Ni 76.0%, Mo 8.8%, Fe 11.1% 등의 화학 조성을 확인했습니다. 금속 조직 관찰 결과, 주조재에서 흔히 발견되는 기공이나 미세 수축이 제거된 미세하고 균일한 조직이 전 부피에 걸쳐 형성되었음을 확인했습니다.

Fig. 3 Numerically generated model of a forging with a flash
Fig. 3 Numerically generated model of a forging with a flash
Figure 10: 1200°C에서 단조된 Ni-Mo-Fe 합금의 미세 조직. 여러 영역(A-F)에서 기공이 없는 균일한 조직의 시각적 증거를 제시합니다. 6. 참고문헌 M. Plaza, L. Perez, M.C. Sanchez. (2007). Reducing the losses in sintered permalloy by addition of ferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.06.024 P. Skubisz, A. Łukaszek-Sołek, J. Kowalski, J. Sińczak. (2008). Closing the internal discontinuities of ingots in open die forging. Steel Research International.
Figure 10: 1200°C에서 단조된 Ni-Mo-Fe 합금의 미세 조직. 여러 영역(A-F)에서 기공이 없는 균일한 조직의 시각적 증거를 제시합니다. 6. 참고문헌 M. Plaza, L. Perez, M.C. Sanchez. (2007). Reducing the losses in sintered permalloy by addition of ferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.06.024 P. Skubisz, A. Łukaszek-Sołek, J. Kowalski, J. Sińczak. (2008). Closing the internal discontinuities of ingots in open die forging. Steel Research International.
Fig. 12 Distribution of elements within the randomly selected region on the fracture sur
Fig. 12 Distribution of elements within the randomly selected region on the fracture sur

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 1: 조사된 합금의 화학 성분. 주조성 및 누설 방지성 개선을 위한 Si 및 Mn 첨가 내용을 포함합니다.
  • Figure 4: 단조품의 특징적인 단면에서의 유효 변형률 분포. 원주 및 플래시 영역에서 최대 3.75의 높은 변형률이 발생함을 보여줍니다.
  • Figure 5: 단조품의 특징적인 단면에서의 평균 응력 분포(MPa). 주조 결함 폐쇄를 촉진하는 압축 응력이 지배적임을 확인합니다.
  • Table 2: 일축 압축 시험 매개변수 및 결정된 합금 특성. 탄성 계수(E) 및 항복 강도(Rp0.2) 등 정량적 기계적 데이터를 제공합니다.
  • Figure 10: 1200°C에서 단조된 Ni-Mo-Fe 합금의 미세 조직. 여러 영역(A-F)에서 기공이 없는 균일한 조직의 시각적 증거를 제시합니다.

6. 참고문헌

  • M. Plaza, L. Perez, M.C. Sanchez. (2007). Reducing the losses in sintered permalloy by addition of ferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.06.024
  • P. Skubisz, A. Łukaszek-Sołek, J. Kowalski, J. Sińczak. (2008). Closing the internal discontinuities of ingots in open die forging. Steel Research International.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: Ni-Mo-Fe 합금에 실리콘(Si)과 망간(Mn)을 첨가한 주요 목적은 무엇입니까?

실리콘과 망간은 합금의 주조성(castability)을 높이고 금형의 누설 방지성(leakproofness)을 개선하기 위해 도입되었습니다. 이는 주조 공정 중 발생할 수 있는 결함을 최소화하고 후속 단조 공정을 위한 양질의 원료를 확보하는 데 기여합니다.

Q: 단조 내의 평균 응력 분포가 최종 제품의 품질에 어떻게 기여했습니까?

FEM 시뮬레이션 결과, 단조 부피 내에서 압축 응력이 지배적으로 나타났습니다. 이러한 압축 응력은 원료인 주조재 내부에 존재하는 미세 수축(micro-shrinkages) 및 기공과 같은 불연속적인 결함들을 압착하여 폐쇄(closing)시키는 역할을 함으로써 제품의 건전성을 높였습니다.

Q: 단조된 Ni-Mo-Fe 합금의 평균 충격 강도는 얼마입니까?

실험실 테스트 결과, 단조된 합금의 평균 충격 강도는 872±27 kJ/m^2로 측정되었습니다. 이는 해당 합금이 안테나 부품으로서 외부 충격에 견딜 수 있는 충분한 인성을 확보했음을 의미합니다.

Q: 단조 공정 중 가열 및 유지 조건은 어떻게 설정되었습니까?

원료(feedstock)는 1100°C의 온도로 가열되었으며, 균일한 온도 분포를 위해 해당 온도에서 35분 동안 유지되었습니다. 이러한 열처리는 재료의 변형 저항을 낮추고 단조성을 최적화하기 위한 조치입니다.

Q: 단조품의 경도 분포는 어떤 경향을 보였습니까?

경도 값은 코어 부분에서 약 171 HB로 균일하게 나타났으나, 플래시(flash)에 인접한 가장자리 지역에서는 최대 184±4.57 HB까지 증가했습니다. 이는 해당 지역에서 유효 변형률이 가장 높게 발생한다는 FEM 시뮬레이션 결과와 일치하는 경향입니다.

Q: 사용된 FEM 시뮬레이션 소프트웨어와 주요 분석 항목은 무엇입니까?

본 연구에서는 유한요소법(FEM) 기반의 상용 소프트웨어인 QForm3D가 사용되었습니다. 주요 분석 항목은 재료의 유동 특성을 파악하기 위한 유효 변형률(effective strain) 분포와 결함 제거 메커니즘을 이해하기 위한 평균 응력(mean stress) 분포였습니다.

결론

본 연구는 Ni-Mo-Fe 합금 안테나 부품 제조를 위한 열간 금형 단조 공정을 성공적으로 설계하고 검증하였습니다. FEM 시뮬레이션을 통해 도출된 공정 매개변수는 산업 실증 시험에서 그 타당성이 입증되었으며, 이를 통해 주조 결함인 기공과 미세 수축을 완전히 제거하고 균일한 미세 조직을 가진 고품질 단조품을 생산할 수 있었습니다.

결과적으로 확보된 경도, 충격 강도, 항복 강도 등의 기계적 특성은 가혹한 환경에서 사용되는 안테나 부품의 요구 사양을 충족합니다. 본 연구는 수치 해석과 산업 현장 시험의 통합적 접근이 특수 합금의 공정 최적화 및 결함 제어에 얼마나 효과적인지를 보여주며, 향후 유사한 연자성 합금의 제조 공정 설계에 중요한 지침을 제공합니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: M. WOJTASZEK, P. CHYŁA, T. ŚLEBODA, A. ŁUKASZEK-SOŁEK, S. BEDNAREK (2012). FEM MODELLING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIE FORGING OF Ni-Mo-Fe ALLOY ANTENNA COMPONENTS. ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS.

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

Technical Review Resources for Engineers:

▶ 논문에 명시되지 않음
기술 검토 및 적용 가능성 문의

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고압 다이캐스팅 알루미늄 합금의 열전도도 및 주조 특성에 미치는 합금 원소의 영향

Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting Characteristics of Aluminum Alloys in High Pressure Die Casting

고압 다이캐스팅은 복잡한 형상과 정밀한 치수의 부품을 높은 생산성으로 제조할 수 있는 대표적인 정밀 주조 공법입니다. 최근 전자기기 및 자동차 부품의 고성능화에 따라 기기에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위한 방열 부품의 중요성이 증대되고 있으며, 이는 제품의 효율과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 높은 열전도도를 가진 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 개발이 절실히 요구되는 상황입니다. 기존의 ALDC12와 같은 표준 다이캐스팅 합금은 주조성은 우수하나 열전도도가 낮고, 전신재 합금은 열전도도는 높으나 주조성이 떨어지는 한계가 있습니다. 본 연구에서는 알루미늄 합금에 첨가되는 Si, Fe, Cu, Mg, Mn 등의 원소들이 열전도도, 유동성 및 기계적 성질에 미치는 영향을 체계적으로 평가하였습니다. 연구 결과, Mn은 열전도도를 가장 크게 저하시키는 원소로 확인되었으며, Si 함량은 유동성과 응고 균열 저항성에 결정적인 역할을 함을 밝혀냈습니다. 최종적으로 열전도도와 주조성을 동시에 만족하는 Al-1wt%Cu-0.6wt%Fe-2wt%Si 최적 합금 조성을 도출하고 실제 부품 제작을 통해 검증하였습니다. 이 연구는 고성능 방열 부품 제조를 위한 합금 설계 지침을 제공하며 산업적 활용 가치가 매우 높습니다.

메타데이터 및 키워드

Figure 1: 첨가 원소에 따른 합금의 열적 특성 변화; (a) 열확산율, (b) 비열, (c) 밀도, (d) 열전도도. Mn이 열전도도 저하에 미치는 영향이 가장 큼을 시각적으로 보여줍니다.
Figure 1: 첨가 원소에 따른 합금의 열적 특성 변화; (a) 열확산율, (b) 비열, (c) 밀도, (d) 열전도도. Mn이 열전도도 저하에 미치는 영향이 가장 큼을 시각적으로 보여줍니다.

논문 메타데이터

  • Industry: 자동차, 전자 (Automotive, Electronics)
  • Material: 알루미늄 합금 (Al-Cu-Fe-Si 계)
  • Process: 고압 다이캐스팅 (High Pressure Die Casting, HPDC)
  • System: 방열 및 열 관리 시스템 (Heat dissipation / Thermal management)
  • Objective: 합금 원소(Si, Fe, Cu, Mg, Mn) 최적화를 통한 다이캐스팅용 고열전도 알루미늄 합금 개발

핵심 키워드

  • thermal conductivity
  • heat sink
  • die-casting
  • radiation of heat
  • aluminum alloy
  • fluidity

핵심 요약

연구 구조

다양한 합금 원소의 첨가량에 따른 열적, 기계적, 주조 특성 변화를 실험적으로 분석하고, 이를 바탕으로 최적의 조성을 도출하여 실제 자동차 오디오 히트싱크 부품에 적용 및 검증하는 구조로 진행되었습니다.

방법 개요

순수 Al 용해 후 합금 원소를 0.2~2.0 wt% 범위로 첨가하여 25종의 실험 합금을 제조하였으며, Laser Flash Analysis(LFA)를 통한 열전도도 측정, ASTM E8M 기반 인장 시험, 사행 금형을 이용한 유동성 평가를 수행하였습니다.

주요 결과

Mn은 열전도도를 가장 심각하게 저하시키는 원소이며, Cu는 1 wt% 이상 첨가 시 100 MPa 이상의 인장 강도를 보장합니다. Si 함량이 2 wt%일 때 ALDC12 대비 약 85%의 유동성을 확보하며 응고 시 발생하는 입계 균열을 방지할 수 있음을 확인하였습니다.

산업적 활용 가능성

카 오디오 히트싱크, 자동차 전자제어장치(ECU) 하우징, LED 조명 방열판 등 고생산성과 고방열 특성이 동시에 요구되는 부품 제조에 직접 적용 가능합니다.

한계와 유의점

Si 함량이 2 wt% 미만으로 낮아질 경우 응고 수축에 의한 입계 균열 발생 위험이 급격히 증가하므로 엄격한 조성 관리가 필요합니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting Characteristics of Aluminum Alloys in High Pressure Die Casting
  • Author: Cheol-Woo Kim, Young-Chan Kim, Jung-Han Kim, Jae-Ik Cho, and Min-Suk Oh
  • Year: 2018
  • Journal: Korean Journal of Metals and Materials
  • DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

2. 초록

고압 다이캐스팅은 정밀 주조 방법 중 하나입니다.

결과에 따르면 Mn은 알루미늄 합금의 열전도도를 현저하게 저하시키는 것으로 나타났습니다.

Cu 함량이 증가함에 따라 주조 알루미늄 합금의 인장 강도가 증가하였으며, 1 wt%의 Cu는 주조 알루미늄의 최소 기계적 성질을 보장함을 보여주었습니다.

Si 함량이 증가함에 따라 합금의 유동 길이는 비례하여 증가하였습니다.

Al-1 wt%Cu-0.6 wt%Fe-2 wt%Si 다이캐스팅 합금의 최적 조성을 사용하여 표면 균열 없이 방열 부품을 성공적으로 제조하였으며, 2 wt% 미만의 Si 조성에서는 합금의 응고 수축으로 인한 입계 균열이 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.

3. 방법론

합금 제조 및 용해: 순수 Al을 SiC 도가니에서 780°C로 용해한 후 Si, Mg, Cu, Fe, Mn 등의 합금 원소를 0.2~2.0 wt% 범위로 정밀하게 첨가하였습니다. 용탕 내 가스 제거를 위해 Ar 가스를 이용한 탈가스 처리를 15분간 수행하고 20분간 안정화 과정을 거쳤습니다.

열적 및 기계적 특성 평가: Laser Flash Analysis(LFA 477, Netzsch) 장비를 사용하여 열확산율을 측정하고 비열 및 밀도를 곱하여 열전도도를 산출하였습니다. 기계적 성질은 ASTM E8M 규격에 따라 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하여 강도와 연신율을 평가하였습니다.

주조성 및 시제작 평가: 사행(Serpentine) 금형을 사용하여 60 MPa의 주조 압력 조건에서 유동 길이를 측정하였습니다. 도출된 최적 조성을 바탕으로 실제 카 오디오 히트싱크 부품을 다이캐스팅하여 표면 결함 및 균열 발생 여부를 육안 및 미세조직 관찰을 통해 검증하였습니다.

4. 결과 및 분석

합금 원소별 열전도도 영향 분석: 모든 첨가 원소는 순수 알루미늄의 열전도도를 감소시키는 경향을 보였으나, 그 정도는 원소별로 상이했습니다. 특히 Mn은 자체 열전도도가 7.81 W/m·K로 매우 낮아 소량 첨가만으로도 합금의 열전도도를 급격히 떨어뜨리는 주원인으로 분석되었습니다. 반면 Si와 Cu는 상대적으로 완만한 감소세를 보였습니다.

기계적 강도 및 유동성 상관관계: Cu 함량이 증가함에 따라 Al2Cu 석출상 형성에 의해 인장 강도가 선형적으로 증가하였으며, 1 wt% Cu 첨가 시 약 100 MPa 이상의 강도를 확보하여 기계 가공에 필요한 최소 조건을 만족했습니다. 유동성은 Si 함량에 비례하여 증가하였으며, 2 wt% Si 조건에서 표준 합금인 ALDC12의 약 85% 수준인 773.2 mm의 유동 길이를 기록했습니다.

응고 균열 메커니즘 규명: Si 함량이 2 wt% 미만인 합금으로 제작된 부품에서는 표면 균열이 관찰되었습니다. 이는 응고 과정에서의 수축을 보충할 잔류 액상이 부족하여 발생하는 입계 균열(Intergranular cracking)로 확인되었으며, Si 함량을 2 wt%로 유지함으로써 이러한 결함을 완전히 제거할 수 있었습니다.

Fig. 5 SEM image and (b) EDS results of Al alloy with 2 wt% Cu
Fig. 5 SEM image and (b) EDS results of Al alloy with 2 wt% Cu
Figure 7: 다이캐스팅 유동성 시험 결과; (a) 시편 개략도, (b) 유동 길이 측정값. Si 함량 증가에 따른 유동성 향상 추이를 ALDC12와 비교하여 나타냅니다.
Figure 7: 다이캐스팅 유동성 시험 결과; (a) 시편 개략도, (b) 유동 길이 측정값. Si 함량 증가에 따른 유동성 향상 추이를 ALDC12와 비교하여 나타냅니다.
Fig. 9 Die cast heat sink component (car audio heat sink)
Fig. 9 Die cast heat sink component (car audio heat sink)

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 1: 다양한 금속 첨가제가 포함된 알루미늄 합금의 화학 조성(wt%). 각 원소의 영향을 독립적으로 평가하기 위한 실험 설계의 기초 자료입니다.
  • Figure 1: 첨가 원소에 따른 합금의 열적 특성 변화; (a) 열확산율, (b) 비열, (c) 밀도, (d) 열전도도. Mn이 열전도도 저하에 미치는 영향이 가장 큼을 시각적으로 보여줍니다.
  • Figure 7: 다이캐스팅 유동성 시험 결과; (a) 시편 개략도, (b) 유동 길이 측정값. Si 함량 증가에 따른 유동성 향상 추이를 ALDC12와 비교하여 나타냅니다.
  • Figure 10: 다양한 합금 조성으로 주조된 카 오디오 히트싱크 부품; (a) 1.5 wt% Si 적용 시 균열 발생, (b) 2.0 wt% Si 적용 시 건전한 부품 확보, (c) 표준 ALDC12 부품. 2.0 wt% Si가 균열 방지의 임계점임을 입증합니다.

6. 참고문헌

  • K. P. Keller. (1998). IEEE. 10.1109/ITHERM
  • J. R. Davis. (2001). ASM. 10.1361/autb
  • H. J. Kim, C. M. Cho, and C. Y. Jeong. (2009). J.KFS. 29, 169

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 본 연구에서 Mn이 열전도도에 가장 부정적인 영향을 미치는 원소로 지목된 이유는 무엇입니까?

실험 결과 Mn 첨가 시 열확산율과 열전도도가 가장 급격하게 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 Mn 자체의 고유 열전도도가 약 7.81 W/m·K로 순수 알루미늄(234 W/m·K)에 비해 매우 낮기 때문이며, 알루미늄 기질 내에서 고용체 형성을 통해 전자 산란을 유발하여 열 전달 효율을 크게 떨어뜨리기 때문입니다.

Q: 최적 합금 설계에서 Si 함량을 2 wt%로 설정한 결정적인 이유는 무엇입니까?

Si 함량이 2 wt% 미만일 경우, 다이캐스팅 공정 중 응고 수축이 발생할 때 이를 메워줄 액상 합금이 부족하여 입계 균열(Intergranular cracking)이 발생하기 때문입니다. 실험을 통해 2 wt% Si를 첨가했을 때 유동성이 ALDC12의 85% 수준까지 확보되면서도 표면 균열이 없는 건전한 부품을 제조할 수 있음을 확인하였습니다.

Q: 개발된 Al-1wt%Cu-0.6wt%Fe-2wt%Si 합금의 열전도도는 기존 ALDC12와 비교해 어느 정도 수준입니까?

개발된 최적 합금의 열전도도는 약 172.7 W/m·K로 측정되었습니다. 이는 기존에 널리 사용되는 다이캐스팅 합금인 ALDC12의 열전도도(약 108.4 W/m·K)와 비교했을 때 약 60% 이상 향상된 수치이며, 순수 알루미늄의 약 74% 수준에 해당합니다.

Q: Cu를 1 wt% 첨가하는 것이 기계적 성질 측면에서 어떤 이점을 제공합니까?

Cu는 알루미늄 합금 내에서 Al2Cu 석출물을 형성하여 기계적 강도를 높이는 역할을 합니다. 본 연구에서는 1 wt%의 Cu를 첨가함으로써 인장 강도를 100 MPa 이상으로 확보하였는데, 이는 주조 후 후가공(Machining) 공정에서 부품의 형태를 유지하고 구조적 신뢰성을 보장하기 위한 최소한의 기계적 성질을 만족시키는 수치입니다.

Q: Fe 성분이 0.6 wt% 포함된 이유는 무엇이며, 다이캐스팅 공정에서 어떤 역할을 합니까?

Fe는 고압 다이캐스팅 공정에서 알루미늄 용탕이 강철 금형 표면에 달라붙는 금형 소착(Die soldering) 현상을 방지하기 위해 첨가됩니다. 본 연구에서는 열전도도 저하를 최소화하면서도 원활한 이형성을 확보하기 위해 Fe 함량을 0.6 wt%로 최적화하여 적용하였습니다.

Q: 유동성 시험에서 사용된 조건과 그 결과의 산업적 의미는 무엇입니까?

시험은 60 MPa의 압력과 0.75~1.0 m/sec의 사출 속도 조건에서 사행 금형을 사용하여 수행되었습니다. 2 wt% Si 합금이 ALDC12 대비 85%의 유동 길이를 보였다는 것은, 비록 표준 합금보다는 유동성이 낮지만 적절한 공정 제어를 통해 복잡한 형상의 방열 핀(Fin) 구조를 충분히 성형할 수 있음을 의미합니다.

결론

본 연구를 통해 고압 다이캐스팅 공정에 적합하면서도 기존 ALDC12 대비 열전도도가 60% 이상 향상된 Al-1wt%Cu-0.6wt%Fe-2wt%Si 합금을 성공적으로 개발하였습니다. 이 합금은 172.7 W/m·K의 높은 열전도도와 100 MPa 이상의 인장 강도, 그리고 13% 이상의 우수한 연신율을 동시에 확보하여 고성능 방열 부품 소재로서의 우수성을 입증하였습니다.

공학적 관점에서 이번 연구는 합금 원소의 개별적 영향을 정량화하여 열전도도와 주조성 사이의 트레이드오프(Trade-off) 관계를 최적화했다는 데 큰 의의가 있습니다. 특히 Si 함량 2 wt%가 응고 균열 방지의 임계점임을 밝혀낸 것은 향후 고열전도 알루미늄 합금 설계 및 양산 공정 관리에 있어 중요한 지침이 될 것입니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: Cheol-Woo Kim, Young-Chan Kim, Jung-Han Kim, Jae-Ik Cho, and Min-Suk Oh (2018). Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting Characteristics of Aluminum Alloys in High Pressure Die Casting. Korean Journal of Metals and Materials.

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

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기술 검토 및 적용 가능성 문의

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Fig. 1 Round bar aluminum die cast test piece

이미지 기반 유한요소해석을 이용한 알루미늄 다이캐스트 합금의 피로 균열 발생 예측

Estimating Fatigue Crack Initiation of Aluminum Die Cast Alloy using Image Based Finite Element Analysis

알루미늄 다이캐스트 합금은 우수한 성형성과 경량성 덕분에 자동차 산업의 엔진 및 구조 부품 제조에 널리 사용되는 핵심 소재입니다. 그러나 고압 다이캐스팅 공정의 특성상 제품 내부에 미세한 가스 기공(gas pores)이 불가피하게 발생하며, 이러한 기공들은 응력 집중원으로 작용하여 피로 균열이 시작되는 주요 지점이 됩니다. 본 연구는 X-ray CT 이미지를 활용하여 이러한 불규칙한 형상의 기공을 메조 스케일(meso-scale)에서 정밀하게 모델링하고, 이를 기반으로 이미지 기반 유한요소해석(FEA)을 수행하여 응력 분포를 정량적으로 평가하는 방법론을 제시합니다. 연구의 핵심 기여는 실제 파단면의 균열 발생 위치와 해석상의 최대 주응력 지점을 비교하여 예측 모델의 신뢰성을 검증한 데 있습니다. 이를 통해 무작위로 보이는 균열 발생 위치가 기공의 기하학적 구조와 밀접한 관련이 있음을 입증하였습니다. 본 방법론은 다이캐스트 부품의 비파괴적인 피로 수명 예측 및 품질 관리에 있어 중요한 공학적 도구를 제공하며, 결과적으로 자동차 부품의 설계 최적화와 안전성 향상에 크게 기여할 수 있는 실무적 가치를 지닙니다.

 Fig. 1 Round bar aluminum die cast test piece
Fig. 1 Round bar aluminum die cast test piece

논문 메타데이터

  • Industry: Automotive
  • Material: Aluminum Die Cast Alloy (Al-Si casting alloys)
  • Process: High pressure die casting
  • System: X-ray CT and Image Based Finite Element Analysis
  • Objective: 가스 기공 주변의 높은 응력 집중 영역을 식별하여 피로 균열 발생 위치를 예측함

핵심 키워드

  • X-ray CT
  • Fatigue
  • Finite Element
  • Die Cast
  • Gas Pore
  • Aluminum Alloy

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 X-ray CT 촬영을 통한 기공 데이터 추출, 3D 메조 스케일 모델링, 정적 탄성 응력 해석, 그리고 실제 피로 시험을 통한 검증 단계로 구성된 통합적 분석 아키텍처를 채택하였습니다.

방법 개요

VOXELCON 소프트웨어를 사용하여 CT 이미지로부터 복셀 기반의 3차원 형상을 재구성하고, 10절점 사면체 요소를 적용하여 정밀한 유한요소 모델을 생성한 후 정적 인장 하중 조건에서 해석을 수행하였습니다.

주요 결과

10 MPa의 인장 하중 하에서 최대 주응력 39.97 MPa와 응력 집중 계수 3.997이 확인되었습니다. 해석을 통해 예측된 파단 위치(바닥에서 6.84 cm)는 실제 시험편의 파단 범위(5~7.6 cm)와 정확히 일치하여 모델의 예측 성능을 입증하였습니다.

산업적 활용 가능성

자동차 엔진 및 구조용 다이캐스트 부품의 피로 균열 취약 지점을 비파괴적으로 예측하고, 주조 공정 설계를 최적화하여 부품의 신뢰성을 높이는 데 활용될 수 있습니다.

한계와 유의점

응력 계산 결과가 요소 크기(본 연구에서는 300 µm 사용)에 민감하게 반응하므로, 미세 기공이 밀집된 영역에서는 더욱 세밀한 메쉬 분할이 요구됩니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Estimating Fatigue Crack Initiation of Aluminum Die Cast Alloy using Image Based Finite Element Analysis
  • Author: Sujit BIDHAR, Nobuhiro YOSHIKAWA
  • Year: 2010
  • Journal: The Japan Society of Mechanical Engineers
  • DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

2. 초록

본 연구에서는 알루미늄 다이캐스트 합금 내 불규칙한 형상의 가스 기공을 메조 스케일로 표면 모델링하기 위해 X-ray CT 이미지를 사용하였으며, 이어서 균열 발생 지점을 평가하기 위한 이미지 기반 유한요소해석을 수행하였습니다.

해석을 통해 발견된 최대 주응력의 위치와 실제 파단면에서의 균열 발생 위치 사이에 양호한 일치가 확인되었습니다.

우리는 메조 스케일 이미지 기반 유한요소법이 알루미늄 다이캐스트 합금의 피로 수명 예측에 유망한 방법이라고 결론지었습니다.

3. 방법론

이미지 기반 유한요소 모델링: 알루미늄 다이캐스트 피로 시험편의 X-ray CT 이미지로부터 가스 기공의 3차원 표면 모델을 구축하였습니다. VOXELCON 소프트웨어를 사용하여 재구성을 수행하였으며, 10절점 사면체 요소를 사용하였습니다. 최소 요소 크기는 300 µm이며, 총 198,922개의 요소와 251,520개의 노드로 모델을 구성하여 기공의 복잡한 기하학적 형상을 정밀하게 모사하였습니다.

정적 탄성 응력 해석: 전체 시험편에 대해 3차원 정적 탄성 응력 해석을 수행하였습니다. 시험편의 바닥면을 고정하고 상단면에 10 MPa의 균일한 인장 응력을 가하였습니다. 재료의 영률(Young’s modulus)은 76 GPa, 포아송 비(Poisson’s ratio)는 0.3으로 설정하여 해석을 진행하였으며, 이를 통해 기공 주변의 응력 집중 현상을 정량화하였습니다.

피로 시험 및 검증: 해석 결과와 실제 파단 위치를 비교하기 위해 동일한 시험편에 대해 피로 시험을 실시하였습니다. 응력 진폭 80 MPa 조건에서 파단이 발생할 때까지 시험을 지속하였습니다. 시험 후 파단면 분석(Fractography)을 통해 실제 균열이 시작된 기공의 위치를 확인하고, 이를 FEA에서 예측된 최대 응력 지점과 대조하여 방법론의 타당성을 검증하였습니다.

4. 결과 및 분석

최대 주응력 및 집중 현상 분석: 해석 결과, 특정 가스 기공 주변에서 최대 주응력 39.97 MPa가 발생하였으며, 이는 가해진 하중 대비 약 3.997의 응력 집중 계수를 나타냅니다. 예측된 파단 위치는 시험편 바닥에서 6.84 cm 지점으로 확인되었으며, 이는 실제 시험편이 파단된 물리적 범위인 5 cm에서 7.6 cm 사이와 정확히 일치하는 결과입니다.

파단면 비교 및 검증: 피로 시험 후의 파단면 사진과 유한요소해석을 통해 얻은 응력 분포도를 직접 비교 분석하였습니다. Figure 3(a)와 (b)의 비교를 통해, 해석상 최대 응력 집중이 발생한 바로 그 기공이 실제 피로 균열의 기점이 되었음을 확인하였습니다. 이는 이미지 기반 FEA가 다이캐스트 합금의 균열 발생 위치를 예측하는 데 매우 효과적임을 입증합니다.

Fig. 2M
Fig. 2M

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Figure 1: 원형 바 형태의 알루미늄 다이캐스트 시험편. 시험편의 치수(전체 길이 180 mm, 게이지 직경 12 mm)와 X-ray CT 스캔 영역을 상세히 보여줍니다.
  • Figure 2: 이미지 기반 유한요소해석을 통해 얻은 최대 주응력 분포. 시험편 전체의 응력 분포를 시각화하며, 특정 가스 기공에서 발생하는 최대 응력(39.97 MPa) 지점을 강조합니다.
  • Figure 3: 유한요소해석 결과와 파단면 분석의 비교. (a) 파단면에서의 시뮬레이션된 최대 주응력 분포와 (b) 실제 파단면의 현미경 사진을 대조하여 모델의 예측 능력을 검증합니다.

6. 참고문헌

  • Sonsino, C. M. (1993). Fatigue strength and application of cast aluminum alloys with different degrees of porosity. International Journal of Fatigue, Vol.15(2), pp.75-84.
  • Kuwazuru, O. et al. (2008). X-ray CT inspection for porosities and its effect on fatigue of die cast aluminum alloy. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol.2(9), pp.1220-1231.
  • Marrow, T. J. (2004). High resolution X-ray tomography of short fatigue crack nucleation in austempered ductile cast iron. International Journal of Fatigue, Vol.26(7), pp.717-725.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 가스 기공 근처에서 계산된 응력 집중 계수는 얼마입니까?

10 MPa의 인장 하중을 가했을 때 가스 기공 주변에서 발생한 최대 주응력은 39.97 MPa로 계산되었습니다. 이를 통해 산출된 응력 집중 계수(Stress Concentration Factor)는 3.997입니다. 이러한 높은 응력 집중은 해당 기공이 피로 균열의 기점이 될 가능성이 매우 높음을 시사하며, 실제 실험에서도 해당 지점에서 파단이 시작되었습니다.

Q: 해석을 통해 예측된 파단 위치와 실제 실험 결과는 어떻게 비교되었습니까?

유한요소해석(FEA) 결과, 시험편 바닥으로부터 6.84 cm 지점에서 최대 응력이 발생하는 것으로 예측되었습니다. 실제 피로 시험 결과, 시험편은 바닥에서 5 cm에서 7.6 cm 사이의 구간에서 파단되었으며, 이는 해석 결과가 실제 파단 위치를 정확하게 예측했음을 보여줍니다. 또한 파단면 분석을 통해 예측된 기공과 실제 균열 기점이 동일함을 확인하였습니다.

Q: 유한요소 모델링에 사용된 소프트웨어와 요소 유형은 무엇입니까?

3차원 형상 재구성을 위해 VOXELCON 소프트웨어가 사용되었습니다. 모델링에는 10절점 사면체 요소(10-node tetrahedral elements)가 사용되었으며, 복잡한 기공 형상을 정밀하게 모사하기 위해 약 198,922개의 요소와 251,520개의 노드가 배치되었습니다. 최소 요소 크기는 300 µm로 설정되었습니다.

Q: 해석에 적용된 알루미늄 합금의 기계적 물성치는 무엇입니까?

정적 탄성 응력 해석을 위해 알루미늄 다이캐스트 합금의 표준 물성치가 적용되었습니다. 영률(Young’s modulus)은 76 GPa, 포아송 비(Poisson’s ratio)는 0.3으로 설정되어 해석의 기초 데이터로 활용되었습니다. 이러한 물성치는 재료의 선형 탄성 거동을 모사하는 데 사용되었습니다.

Q: 본 연구에서 사용된 메쉬(Mesh) 크기의 한계점은 무엇입니까?

본 연구에서는 상대적으로 큰 기공을 대상으로 하여 300 µm의 요소 크기를 사용하였습니다. 그러나 응력 값은 메쉬 크기에 민감하게 반응하므로, 더 작은 미세 기공이 다수 존재하는 경우에는 훨씬 더 세밀한 메쉬 분할이 필요합니다. 연구진은 기공의 크기와 분포에 따라 적절한 메쉬 해상도를 선택하는 것이 해석의 정확도에 중요하다고 언급하였습니다.

Q: 피로 시험은 어떤 조건에서 수행되었습니까?

해석 모델의 검증을 위해 동일한 시험편을 대상으로 피로 시험을 수행하였습니다. 시험은 80 MPa의 응력 진폭(Stress amplitude) 조건에서 시편이 완전히 파단될 때까지 반복 하중을 가하는 방식으로 진행되었습니다. 이 실험 데이터는 FEA의 응력 집중 예측 결과와 직접 비교되어 모델의 신뢰성을 뒷받침하는 근거가 되었습니다.

결론

본 연구는 메조 스케일 이미지 기반 유한요소해석이 알루미늄 다이캐스트 합금의 피로 균열 발생 지점을 예측하는 데 매우 유망한 비파괴 평가 방법임을 입증하였습니다. X-ray CT를 통해 추출된 실제 기공 형상을 모델링에 반영함으로써, 단순화된 기하학적 가정보다 훨씬 정밀한 응력 집중 분석이 가능함을 확인하였습니다. 특히 최대 주응력 발생 지점과 실제 파단 위치 사이의 우수한 일치는 이 방법론의 실무적 적용 가능성을 높여줍니다.

공학적 관점에서 이 연구는 다이캐스트 부품의 설계 단계에서 잠재적인 취약 부위를 사전에 식별하고, 주조 공정 변수를 조절하여 치명적인 기공 발생을 억제하는 데 기여할 수 있습니다. 다만, 요소 크기에 따른 응력 민감도 문제는 향후 더 미세한 기공 구조를 다룰 때 고려해야 할 중요한 과제입니다. 향후 연구에서는 다양한 크기의 기공 분포를 가진 부품에 대한 추가 검증과 메쉬 최적화 연구가 병행되어야 할 것입니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: Sujit BIDHAR, Nobuhiro YOSHIKAWA (2010). Estimating Fatigue Crack Initiation of Aluminum Die Cast Alloy using Image Based Finite Element Analysis. The Japan Society of Mechanical Engineers.

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

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Al–9%Si–0.3%Mg 다이캐스트 합금의 T5 열처리 거동에 미치는 예비 시효 조건의 영향

Al–9%Si–0.3%Mg ダイカスト合金の T5 熱処理挙動における予備時効条件の影響

알루미늄 다이캐스트 합금은 자동차 현가장치 및 이륜차 차체 부품과 같이 고연성과 고강도가 동시에 요구되는 분야에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 강도를 높이기 위해 T6 열처리가 수행되지만, 용체화 처리 후 수냉 과정에서 발생하는 열변형은 정밀 부품의 치수 안정성을 해치는 주요 원인이 됩니다. 이를 해결하기 위해 주조 후 즉시 시효 처리를 수행하는 T5 열처리가 대안으로 주목받고 있으나, T5 처리 시의 예비 시효(2단 시효) 거동에 대해서는 아직 명확히 밝혀지지 않은 부분이 많습니다. 본 연구는 Al–9%Si–0.3%Mg 다이캐스트 합금을 대상으로 예비 시효 온도와 시간이 최종 경도에 미치는 영향을 T6 처리와 비교 분석하였습니다. 연구 결과, T6 처리와 달리 T5 처리에서는 상온 부근의 예비 시효가 최종 경도를 상승시키는 ‘긍정적 효과’를 나타냄을 확인하였습니다. 이러한 차이는 예비 시효 과정에서 형성되는 클러스터(Cluster (1))의 거동 차이에서 기인하는 것으로 분석되었습니다. 또한 주조 후 금형 이탈 시의 퀜칭 온도가 높을수록 최종 시효 경도가 증가하는 경향을 보였습니다. 본 연구는 변형을 최소화하면서도 높은 기계적 성질을 확보해야 하는 다이캐스트 부품의 열처리 공정 최적화에 중요한 지침을 제공합니다.

메타데이터 및 키워드

Fig. 6 TEM micrographs for the T5 treatment specimens pre-aged at 273, 303 and 343 K fo
Fig. 6 TEM micrographs for the T5 treatment specimens pre-aged at 273, 303 and 343 K fo

논문 메타데이터

  • Industry: 자동차, 제조 (Automotive, Manufacturing)
  • Material: Al–9%Si–0.3%Mg 다이캐스트 합금 (JIS ADC3 상당)
  • Process: 다이캐스팅, T5 열처리, T6 열처리, 2단 시효 (Two-step aging)
  • System: Al-Si-Mg 주조 시스템
  • Objective: 예비 시효 온도 및 시간이 T5 열처리 거동에 미치는 영향을 규명하고 T6 처리와 비교하여 2단 시효의 지배 요인을 이해함.

핵심 키워드

  • Al–Si–Mg 합금
  • T5
  • 열처리
  • 다이캐스팅
  • 2단 시효
  • 예비 시효

핵심 요약

연구 구조

Al-9.0%Si-0.3%Mg 합금을 산소 폭기 다이캐스팅 공법으로 제조한 후, T5 및 T6 열처리 조건에 따른 경도 변화와 미세조직을 분석한 연구입니다.

방법 개요

경도 측정(HRF), 시차 주사 열량 분석(DSC), 투과 전자 현미경(TEM) 관찰을 통해 예비 시효(273-343 K)와 인공 시효(453 K) 간의 상관관계를 조사하였습니다.

주요 결과

T5 처리는 273-343 K 예비 시효 시 최종 경도가 상승하는 긍정적 효과를 보였으며, 273 K에서 172.8 ks 이상 예비 시효 시 최대 89.7 HRF의 경도를 달성했습니다. 반면 T6 처리는 303 K 예비 시효 시 경도가 약 2 HRF 감소하는 부정적 효과를 나타냈습니다.

산업적 활용 가능성

열변형을 피해야 하는 자동차 현가장치 부품, 이륜차 프레임, 박육 다이캐스트 부품의 강도 최적화 및 공정 설계에 적용 가능합니다.

한계와 유의점

강화상인 침상 β” 상은 Si 정출물 및 기질의 간섭으로 인해 TEM에서 직접 관찰하기 어려웠으며, 본 결과는 특정 Mg 함량에 국한될 수 있습니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Al–9%Si–0.3%Mg ダイカスト合金の T5 熱処理挙動における予備時効条件の影響
  • Author: 井上 達也, 後藤 真英, 山口 篤司, 大竹 哲生, 黒田 明浩, 吉田 誠
  • Year: 2011
  • Journal: 軽金属 (Journal of The Japan Institute of Light Metals)
  • DOI/Link: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jilm/61/10/61_10_507/_article/-char/ja/

2. 초록

Al–9.0%Si–0.3%Mg 다이캐스트 합금의 T5 열처리 거동에 미치는 예비 시효 조건의 영향을 조사하였다.

분석을 위해 경도 측정, DSC 및 TEM이 사용되었다.

T5 처리된 합금은 273 K에서 343 K 사이의 예비 시효 온도에서 2단 시효에 대한 긍정적인 효과를 나타냈다.

이는 343 K 이하의 예비 시효 온도에서 부정적인 효과를 보인 T6 처리 합금과 대조적이다.

이러한 차이는 예비 시효 중 클러스터(1)(Cluster (1))의 형성 거동 차이에 기인하는 것으로 보인다.

주조 후 수냉 온도가 높을수록 최종 경도가 증가하였다.

3. 방법론

재료 준비 및 다이캐스팅: 산소 폭기법을 사용하여 Al-9.0%Si-0.3%Mg 합금을 주조하였습니다. 금형 온도는 443 ± 10 K, 용탕 온도는 998 ± 8 K로 설정하여 내부 결함을 최소화한 시편을 제작하였습니다.

T5 및 T6 열처리 조건: T5 처리는 금형 이탈 후 1~2초 이내에 수냉한 후, 273, 303, 343 K에서 최대 345.6 ks 동안 예비 시효를 실시하고 453 K에서 10.8 ks 동안 인공 시효를 수행했습니다. T6 처리는 783 K에서 14.4 ks 동안 용체화 처리 후 수냉하여 동일한 시효 과정을 거쳤습니다.

특성 분석 기법: 경도는 Rockwell F 스케일(HRF)로 측정하였으며, 석출 거동 분석을 위해 303-773 K 범위에서 10 K/min 속도로 DSC 분석을 수행했습니다. 미세조직은 100 kV 및 200 kV 가속 전압의 TEM으로 관찰하였습니다.

4. 결과 및 분석

T5 처리의 2단 시효 효과: 273-343 K 범위의 예비 시효는 단일 시효 대비 최종 경도를 상승시키는 긍정적 효과를 보였습니다. 특히 273 K에서 172.8 ks 이상 예비 시효 시 89.7 HRF의 최대 경도를 확보하였으며, 이는 상온 방치가 T5 합금의 강도에 유리함을 시사합니다.

T6 처리와의 비교 및 DSC 분석: T6 처리의 경우 303 K 예비 시효 시 최종 경도가 약 2 HRF 감소하는 부정적 효과가 발생했습니다. DSC 분석 결과, T6에서는 클러스터(1)의 용해를 나타내는 흡열 피크(Peak A)가 뚜렷했으나 T5에서는 관찰되지 않았으며, 이것이 두 처리 간의 시효 거동 차이를 결정하는 핵심 요인으로 밝혀졌습니다.

퀜칭 온도 및 미세조직 영향: 금형 이탈 후 수냉 온도가 623 K로 높을 때가 423 K일 때보다 최종 경도가 높게 나타났습니다. 이는 고온 퀜칭 시 용질 원자의 과포화도가 높아져 석출 구동력이 증가하기 때문입니다. TEM 관찰에서는 10-30 nm 크기의 구형 Si 정출물이 확인되었습니다.

Fig. 7 TEM micrograph for the T5 treatment specimen pre-aged at 303 K for 86
Fig. 7 TEM micrograph for the T5 treatment specimen pre-aged at 303 K for 86
Figure 8: 퀜칭 온도와 상온 예비 시효 시간이 최종 경도에 미치는 영향. 623 K의 높은 금형 이탈 온도가 경도 향상에 유리함을 보여줍니다. 6. 참고문헌 山縣 裕. (2006). ダイカスト会議論文集 JD06-36. 日本ダイカスト協会. 237–246. 栗本幸広, 橘内 透. (2010). ダイカスト会議論文集 JD10-29. 日本ダイカ스트協会. 185–188.
Figure 8: 퀜칭 온도와 상온 예비 시효 시간이 최종 경도에 미치는 영향. 623 K의 높은 금형 이탈 온도가 경도 향상에 유리함을 보여줍니다. 6. 참고문헌 山縣 裕. (2006). ダイカスト会議論文集 JD06-36. 日本ダイカスト協会. 237–246. 栗本幸広, 橘内 透. (2010). ダイカスト会議論文集 JD10-29. 日本ダイカ스트協会. 185–188.

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 1: 본 연구에 사용된 Al–Si–Mg 합금의 화학 성분 (mass%). 실험 재료가 Al-9.0Si-0.3Mg임을 정의합니다.
  • Figure 2: 273, 303, 343 K에서 예비 시효된 T5 처리 시편의 시효 경화 곡선. 예비 시효가 최종 경도에 미치는 긍정적 효과를 보여줍니다.
  • Figure 3: 273, 303, 343 K에서 예비 시효된 T6 처리 시편의 시효 경화 곡선. 303 K 예비 시효 시 발생하는 부정적 효과를 입증합니다.
  • Figure 4: 783 K에서 용체화 처리 후 예비 시효된 시편의 DSC 곡선. T6 예비 시효 시 클러스터(1) 형성(Peak A)을 식별합니다.
  • Figure 5: 주조 후 퀜칭되어 예비 시효된 시편의 DSC 곡선. T5에서 클러스터(1) 용해 피크가 부재함을 보여주며 부정적 효과가 없는 이유를 설명합니다.
  • Figure 8: 퀜칭 온도와 상온 예비 시효 시간이 최종 경도에 미치는 영향. 623 K의 높은 금형 이탈 온도가 경도 향상에 유리함을 보여줍니다.

6. 참고문헌

  • 山縣 裕. (2006). ダイカスト会議論文集 JD06-36. 日本ダイカスト協会. 237–246.
  • 栗本幸広, 橘内 透. (2010). ダイカスト会議論文集 JD10-29. 日本ダイカ스트協会. 185–188.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: T5 처리가 T6와 달리 상온 예비 시효에서 긍정적인 효과를 보이는 이유는 무엇입니까?

DSC 분석 결과, T6 처리에서는 343 K 이하의 예비 시효 시 클러스터(1)이 형성되어 최종 시효 과정에서 강화상인 β” 상의 석출을 방해함으로써 경도를 저하시킵니다. 반면, T5 처리에서는 예비 시효 과정에서 이러한 클러스터(1)이 형성되지 않기 때문에 β” 상의 석출이 저해되지 않고 오히려 최종 경도가 상승하는 긍정적인 효과가 나타납니다.

Q: 금형 이탈 후 퀜칭(수냉) 온도가 T5 시효 반응에 미치는 영향은 무엇입니까?

금형 이탈 시의 온도(퀜칭 개시 온도)가 높을수록(예: 623 K vs 423 K), α-Al 기질 내에 고용된 용질 원자의 과포화도가 높아집니다. 이는 이후의 시효 과정에서 강화상의 석출을 촉진하여 최종적으로 더 높은 경도 값을 얻을 수 있게 합니다.

Q: 본 연구에서 사용된 Al-Si-Mg 합금의 주요 강화 기구는 무엇입니까?

주요 강화 기구는 인공 시효 과정에서 석출되는 미세한 침상 β” 상에 의한 석출 강화입니다. TEM 관찰에서는 구형 Si 정출물이 주로 확인되었으나, DSC 분석에서 나타난 발열 피크와 경도 측정 결과를 통해 β” 상이 실질적인 강도 향상을 주도함을 알 수 있습니다.

Q: T5 열처리가 산업 현장에서 T6 열처리보다 유리한 점은 무엇입니까?

T6 열처리는 고온의 용체화 처리 후 급냉 과정을 거치므로 부품의 열변형이 발생하기 쉽습니다. 반면 T5 열처리는 주조 후 잔열을 이용하여 직접 시효하므로 공정 시간이 단축될 뿐만 아니라, 용체화 처리에 따른 변형 문제를 회피할 수 있어 치수 정밀도가 중요한 다이캐스트 부품 제조에 유리합니다.

Q: 예비 시효 온도 343 K가 T6 처리에서 가지는 의미는 무엇입니까?

T6 처리에서 303 K 이하의 예비 시효는 경도를 저하시키는 부정적 효과를 주지만, 343 K에서 예비 시효를 할 경우 클러스터(1) 대신 β” 상의 핵이 될 수 있는 클러스터(2)가 형성되기 시작합니다. 따라서 343 K 이상의 예비 시효는 T6에서도 부정적 효과를 억제하거나 긍정적 효과로 전환시키는 임계 온도의 역할을 합니다.

Q: 실험에 사용된 다이캐스팅 공법의 특이점은 무엇입니까?

본 연구에서는 산소 폭기(Oxygen blowing) 다이캐스팅 공법을 사용하였습니다. 이는 금형 내부의 공기를 산소로 치환하여 주조 시 발생하는 기공을 산화물 형태로 분산시켜 내부 결함을 줄이고, 열처리 시 부풀음(Blister) 현상을 방지하여 기계적 성질의 신뢰성을 높이는 데 효과적입니다.

결론

본 연구는 Al-9%Si-0.3%Mg 다이캐스트 합금의 T5 열처리 시, 273~343 K 범위의 예비 시효가 최종 경도를 향상시키는 독특한 ‘긍정적 효과’를 가짐을 규명하였습니다. 이는 T6 처리에서 동일 온도 범위의 예비 시효가 경도를 저하시키는 것과 상반되는 결과로, T5 공정에서는 β” 석출을 방해하는 클러스터(1)이 형성되지 않기 때문임을 DSC 분석을 통해 입증하였습니다.

이러한 결과는 다이캐스트 부품의 제조 공정에서 주조 후 시효 처리 전까지의 대기 시간(상온 방치)이 제품의 품질을 저하시키지 않고 오히려 강화할 수 있음을 시사합니다. 또한 금형 이탈 온도를 높게 유지하여 퀜칭하는 것이 강도 확보에 유리함을 확인하였으며, 이는 고강도 및 고정밀도가 요구되는 자동차 부품의 열처리 공정 설계에 있어 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: 井上 達也, 後藤 真英, 山口 篤司, 大竹 哲生, 黒田 明浩, 吉田 誠 (2011). Al–9%Si–0.3%Mg ダイカスト合金の T5 熱処理挙動における予備時効条件の影響. 軽金属 (Journal of The Japan Institute of Light Metals).

DOI/Link: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jilm/61/10/61_10_507/_article/-char/ja/

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기술 검토 및 적용 가능성 문의

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AC4CH 알루미늄 주조 합금의 ECAP 성형성에 미치는 예열 온도의 영향

AC4CH 알루미늄 주조 합금의 ECAP 성형성에 미치는 예열 온도의 영향

Effect of Preheating Temperature on ECAP Formability of AC4CH Aluminum Casting Alloy

알루미늄-실리콘(Al-Si) 주조 합금은 우수한 주조성과 경량성 덕분에 자동차 산업에서 널리 사용되지만, 조대한 실리콘 입자와 주조 결함으로 인해 연성과 인성이 낮다는 단점이 있습니다. 이러한 기계적 성질을 개선하기 위해 등통로 각압축(ECAP)과 같은 심한 소성 변형(SPD) 기술이 적용되지만, 주조 합금 특유의 낮은 성형성으로 인해 상온 가공에는 어려움이 따릅니다. 본 연구는 AC4CH 알루미늄 합금을 대상으로 상온에서 ECAP 공정을 성공적으로 수행하기 위한 예열 처리 조건을 체계적으로 분석하였습니다. 연구진은 260°C에서 560°C 사이의 예열 온도가 합금의 미세조직과 성형 한계에 미치는 영향을 정량적으로 조사하였습니다. 특히, 기질인 일차 α-Al의 경도 변화가 성형성에 미치는 결정적인 역할을 규명하여 최적의 공정 창을 제시하였습니다. 실험 결과, 특정 온도에서의 예열은 기질을 연화시켜 가공 중 균열 발생을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났습니다. 또한, 반복적인 가공에 따른 가공 경화가 임계치에 도달할 때 균열이 발생하는 메커니즘을 확인하였습니다. 이러한 성과는 고성능 알루미늄 부품의 상온 제조 가능성을 열어주며, 공정 효율성 향상과 에너지 절감에 기여할 수 있습니다. 본 보고서는 자동차 엔진 부품 및 구조용 알루미늄 합금의 품질 향상을 목표로 하는 엔지니어들에게 실질적인 기술적 가이드를 제공합니다.

메타데이터 및 키워드

Figure 2: 시험편의 광학 현미경 사진. 예열 온도(200~575°C)에 따른 시편 전방, 후방 및 전체적인 균열 분포 양상을 시각적으로 보여줍니다.
Figure 2: 시험편의 광학 현미경 사진. 예열 온도(200~575°C)에 따른 시편 전방, 후방 및 전체적인 균열 분포 양상을 시각적으로 보여줍니다.

논문 메타데이터

  • Industry: 자동차 (Automotive)
  • Material: AC4CH 알루미늄 주조 합금 (Al-Si 공정 합금)
  • Process: 등통로 각압축 (ECAP), 예열 처리 (Preheating Treatment)
  • System: 채널 각도 φ = 135°, 모서리 각도 ψ = 13°의 ECAP 금형
  • Objective: 예열 온도가 AC4CH 합금의 미세조직 특성 및 상온 ECAP 성형성에 미치는 영향 규명

핵심 키워드

  • 심한 소성 변형 (SPD)
  • AC4CH 알루미늄 주조 합금
  • 등통로 각압축 (ECAP)
  • 예열 온도
  • 일차 알파 알루미늄 (Primary α-Al)
  • 공정 실리콘 입자
  • 비커스 경도

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 AC4CH 합금 시편을 제작한 후 200°C에서 575°C 사이의 다양한 온도에서 예열 처리를 수행하고, 이를 상온에서 ECAP 가공하여 성형 한계와 미세조직 변화를 분석하는 방식으로 진행되었습니다.

방법 개요

40x15x5mm 크기의 시편을 30분간 예열 후 급냉하였으며, 상온에서 Route A 방식으로 ECAP를 수행하였습니다. 비커스 경도 측정, DSC 분석 및 실리콘 입자의 정량적 이미지 분석을 통해 성형성 개선 원인을 파악하였습니다.

주요 결과

260~560°C 범위의 예열은 상온 성형성을 개선하며, 특히 350°C 예열 시 균열 없이 1패스 가공이 가능했습니다. 일차 α-Al의 경도가 가공 경화로 인해 약 60HV에 도달하면 균열이 발생한다는 정량적 임계치를 확인하였으며, 350°C 예열은 초기 경도를 약 40HV로 낮추어 성형 여유를 확보합니다.

산업적 활용 가능성

자동차 엔진 부품, 내마모성 알루미늄 주조품, 고연성 구조용 알루미늄 부품의 기계적 성질 향상을 위한 SPD 공정 설계에 직접 활용될 수 있습니다.

한계와 유의점

본 연구 결과는 Route A 가공 방식에 기초하며, 다른 ECAP 경로(B, C)에서의 성형성은 추가 검증이 필요합니다. 또한 가공 경화 누적이 성형성을 제한하는 주요 요인이므로 다회 패스 가공 시 경도 모니터링이 필수적입니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Effect of Preheating Temperature on ECAP Formability of AC4CH Aluminum Casting Alloy
  • Author: Yoshihiro Nakayama and Tetsuya Miyazaki
  • Year: 2010
  • Journal: Materials Transactions
  • DOI/Link: https://doi.org/10.2320/matertrans.L-M2010805

2. 초록

AC4CH 알루미늄 합금을 대상으로 예열 처리가 미세조직적 특징과 상온 ECAP 성형성에 미치는 영향을 조사하였습니다.

260~560°C 범위의 예열 처리는 상온 ECAP 성형성을 향상시켰으며, 특히 350°C 부근에서 균열 발생이 효과적으로 억제되었습니다.

410°C 이하에서 예열을 수행했을 때는 예열 온도가 상승함에 따라 일차 α-Al의 경도가 감소한 반면, 470°C 이상에서 예열된 시험편에서는 경도 증가가 관찰되었습니다.

공정 실리콘(Si) 입자 관찰 결과, 410°C 이하의 예열 온도에서는 평균 단면적과 구상화 계수가 일정했으나 470°C 이상에서는 명확하게 증가하였습니다.

반복적인 ECAP 압축에 의한 가공 경화로 인해 일차 α-Al의 경도가 특정 값에 도달하면 시험편에 균열이 발생하여 ECAP 공정이 불가능해졌습니다.

이러한 실험 결과는 일차 α-Al의 경도가 상온 ECAP 성형성을 판단하는 유용한 지표가 될 수 있음을 시사합니다.

3. 방법론

시편 제작 및 준비: AC4CH 알루미늄 합금 잉곳(Si 7.16, Mg 0.31 등)을 700°C에서 용해한 후 150°C로 유지된 JIS 유형 금형에 주조하여 40mm x 15mm x 5mm 크기의 시편을 제작하였습니다.

열처리 공정: 제작된 시편을 200°C에서 575°C 사이의 온도에서 30분간 예열한 후 0°C 얼음물에 급냉하였습니다. ECAP 가공 전 48시간 동안 상온에서 자연 시효를 거쳤습니다.

ECAP 및 분석 조건: 상온에서 Route A 방식으로 ECAP를 수행하였으며, 금형 각도는 φ=135°, ψ=13°로 설정되어 패스당 약 0.47의 등가 변형률을 가했습니다. 일차 α-Al에 대해 25g 하중으로 비커스 경도를 측정하고 DSC 및 이미지 분석을 통해 조직 변화를 관찰하였습니다.

4. 결과 및 분석

예열 온도별 성형성 변화: 260~560°C 범위에서 예열된 시편은 상온 ECAP가 가능했습니다. 특히 350°C 예열 시 1패스에서 균열이 전혀 발생하지 않았으며, 특수 기법(COP) 적용 시 최대 5패스까지 가공이 가능함을 확인했습니다. 반면 230°C 이하 또는 575°C 이상의 예열 조건에서는 1패스에서 다수의 균열이 발생했습니다.

경도와 균열의 상관관계: 일차 α-Al의 경도는 410°C까지는 석출물 조대화로 인해 감소하다가, 470°C 이상에서는 고용 강화로 인해 다시 증가합니다. ECAP 가공 중 가공 경화로 인해 이 경도값이 약 60HV에 도달하면 재료의 연성 한계를 넘어 균열이 전파되기 시작합니다.

실리콘 입자 형태학적 분석: 410°C 이하의 예열 온도에서는 실리콘 입자의 크기와 구상화 계수에 큰 변화가 없었으나, 470°C 이상에서는 입자가 조대화되고 구상화가 진행되었습니다. 이는 고온 예열 시 성형성 저하의 원인 중 하나로 작용합니다.

Fig. 11 Optical micrographs showing crack growth path of specimens with or without prehe
Fig. 11 Optical micrographs showing crack growth path of specimens with or without prehe

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 1: 예열 온도에 따른 ECAP 성형성 결과. 다양한 예열 온도에서 균열이 발생하는 패스 번호를 보여주며, 260-560°C가 가공 가능한 범위임을 나타냅니다.
  • Figure 2: 시험편의 광학 현미경 사진. 예열 온도(200~575°C)에 따른 시편 전방, 후방 및 전체적인 균열 분포 양상을 시각적으로 보여줍니다.
  • Figure 5: 예열 온도에 따른 비커스 경도 변화 그래프. 일차 α-Al의 초기 경도가 50HV 이하로 유지되는 온도 구간이 ECAP 가공에 유리함을 보여줍니다.
  • Figure 10: ECAP 패스 수에 따른 비커스 경도 플롯. 가공이 진행됨에 따라 경도가 상승하여 60HV 임계치에 도달할 때 균열이 발생하는 과정을 설명합니다.

6. 참고문헌

  • A. Ma, N. Saito, M. Takagi, Y. Nishida, H. Iwata, K. Suzuki, I. Shigematsu and A. Watazu. (2005). Effect of ECAP process on the tensile properties and the impact toughness of the Al-Si casting alloys. Mater. Sci. Eng. A. 395, 70–76.
  • Z. Horita, M. Furukawa, T. G. Langdon and M. Nemoto. (1998). Materia Japan. 37, 767–774.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 상온 ECAP 성형성을 극대화하기 위한 최적의 예열 온도는 얼마입니까?

본 연구의 Table 1과 결과 분석에 따르면, 350°C에서 예열할 때 상온 ECAP 성형성이 가장 우수했습니다. 이 온도에서 예열된 시편은 1패스 가공 시 균열이 발생하지 않았으며, 적절한 공정 기법을 병행할 경우 최대 5패스까지 가공이 가능했습니다.

Q: 470°C 이상의 고온 예열이 오히려 성형성을 저하시키는 이유는 무엇입니까?

Figure 5와 Section 3.2의 분석에 따르면, 470°C 이상의 고온에서는 용질 원소의 고용도가 높아져 급냉 후 고용 강화(Solid-solution hardening)가 일어나 초기 경도가 상승합니다. 또한, 공정 실리콘 입자가 조대화되어 균열의 기점으로 작용하기 쉬워지기 때문에 성형성이 저하됩니다.

Q: ECAP 가공 중 균열 발생을 예측할 수 있는 정량적인 지표가 있습니까?

네, 연구 결과 일차 α-Al 기질의 비커스 경도가 핵심 지표임이 밝혀졌습니다. Figure 10에서 볼 수 있듯이, 가공 경화로 인해 이 경도값이 약 60HV에 도달하면 재료의 변형 능력이 한계에 이르러 균열이 발생하고 더 이상의 ECAP 가공이 불가능해집니다.

Q: 예열 온도에 따라 일차 α-Al의 경도가 V자 형태로 변화하는 원인은 무엇입니까?

410°C 이하에서는 온도가 높아질수록 기존에 존재하던 미세 석출물들이 조대화되면서 기질이 연화되어 경도가 감소합니다. 하지만 470°C 이상에서는 기질 내로 합금 원소들이 다시 고용되는 효과가 우세해져, 냉각 후 경도가 다시 상승하는 고용 강화 현상이 나타나기 때문입니다.

Q: 균열은 주로 시편의 어느 부위에서 시작되어 어떻게 전파됩니까?

균열은 주로 시편 후방 섹션의 내측 채널 각도(Inner side of ECAP channel angle)에서 시작됩니다. 이후 응고 셀 영역을 따라 우선적으로 전파되며, 알루미늄 기질과 실리콘 입자 사이의 계면뿐만 아니라 실리콘 입자 자체를 관통하는 횡단 균열(Transcrystalline cracking) 형태로 나타납니다.

Q: 본 실험에서 사용된 ECAP 금형의 사양과 한 패스당 가해지는 변형률은 얼마입니까?

실험에 사용된 ECAP 금형은 채널 각도(φ) 135°, 모서리 각도(ψ) 13°의 사양을 가집니다. 이 조건에서 Route A 방식으로 가공할 경우, 한 패스당 시편에 가해지는 등가 변형률(Equivalent strain)은 약 0.47입니다.

결론

본 연구는 AC4CH 알루미늄 주조 합금을 약 350°C에서 예열함으로써 일차 α-Al 기질의 초기 경도를 약 40HV 수준으로 낮추어 상온 ECAP 성형성을 획기적으로 개선할 수 있음을 입증하였습니다. 이는 주조 조직의 불균일성과 낮은 연성이라는 한계를 적절한 열처리를 통해 극복할 수 있음을 보여주는 중요한 결과입니다.

특히 가공 중 경도 변화를 추적하여 60HV라는 명확한 균열 발생 임계치를 제시한 것은 SPD 공정 설계에 있어 매우 실질적인 가이드를 제공합니다. 이러한 메커니즘의 규명은 향후 자동차 및 항공우주 분야에서 고성능 알루미늄 부품을 보다 효율적이고 경제적으로 제조하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: Yoshihiro Nakayama and Tetsuya Miyazaki (2010). Effect of Preheating Temperature on ECAP Formability of AC4CH Aluminum Casting Alloy. Materials Transactions.

DOI/Link: https://doi.org/10.2320/matertrans.L-M2010805

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자동차 경량화를 위한 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 개발 및 특성 평가

다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 (High Strength Aluminum Alloy for Die Casting)

최근 자동차 산업은 전 세계적인 환경 규제 강화와 연비 개선 요구에 직면해 있으며, 이를 해결하기 위한 핵심 전략으로 차량 경량화가 강력하게 추진되고 있습니다. 알루미늄 다이캐스팅은 복잡한 형상의 자동차 부품을 대량 생산하는 데 가장 효율적인 공법이지만, 기존에 널리 사용되는 ADC 시리즈 합금은 인장강도가 300 MPa 이하에 머물러 구조용 부품 적용에 한계가 있었습니다. 본 연구에서는 이러한 기술적 장벽을 극복하기 위해 인장강도 350 MPa 이상을 달성할 수 있는 새로운 Al-Cu-Mg-Zn-Zr계 고강도 알루미늄 합금을 제안합니다. 연구팀은 합금의 화학적 조성을 최적화하여 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 다이캐스팅 공정에서 필수적인 금형 충전성과 주조 균열 저항성을 동시에 확보하고자 하였습니다. 다양한 두께의 시편을 활용한 실험을 통해 개발된 합금의 실질적인 주조 성능과 미세조직을 정밀하게 분석하였습니다. 결과적으로 기존 범용 합금 대비 인장강도는 약 30%, 항복강도는 약 80%, 연신율은 약 3배 향상되는 획기적인 성과를 거두었습니다. 이러한 연구 결과는 서스펜션 및 스티어링 모듈과 같은 고하중 구조용 부품의 알루미늄 전환을 가속화할 수 있는 중요한 토대를 마련하였습니다. 본 보고서는 해당 고강도 합금의 설계 원리와 실험적 검증 과정을 상세히 다루어 자동차 부품 설계 및 제조 엔지니어들에게 실질적인 기술 정보를 제공하고자 합니다.

메타데이터 및 키워드

Fig. 3 자동차용 알루미늄부품의 세계시장규모
Fig. 3 자동차용 알루미늄부품의 세계시장규모

논문 메타데이터

  • Industry: 자동차 (Automotive)
  • Material: 고강도 알루미늄 합금 (Al-Cu-Mg-Zn-Zr 계)
  • Process: 다이캐스팅 (Die Casting)
  • System: 자동차 구조용 부품 (서스펜션 및 스티어링 모듈)
  • Objective: 자동차 경량화를 위한 고강도 및 고연성 알루미늄 합금의 개발 및 평가

핵심 키워드

  • 알루미늄 합금
  • 다이캐스팅
  • 고강도
  • 자동차
  • 경량화
  • Al-Cu-Mg-Zn-Zr
  • 인장강도
  • 연신율

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 고강도 자동차 구조재 적용을 목표로 Al-Cu-Mg-Zn-Zr 합금 시스템을 설계하고, 다이캐스팅 공정에서의 주조성(충전성, 균열 저항성)과 기계적 특성을 종합적으로 평가하는 체계로 구성되었습니다.

방법 개요

Cu, Mg, Zn 등의 함량을 조절한 세 가지 합금 조성을 바탕으로, 1mm에서 2mm 두께의 시편을 다이캐스팅 공법으로 제작하여 ASTM B 557M 표준에 따른 인장 시험 및 미세조직 분석을 수행하였습니다.

주요 결과

개발된 합금은 인장강도 350-450 MPa, 항복강도 250-400 MPa, 연신율 2-16%(평균 약 9%)를 기록하였습니다. 이는 기존 ADC12 합금 대비 인장강도는 약 30%, 항복강도는 약 80%, 연신율은 약 300% 향상된 수치입니다.

산업적 활용 가능성

자동차 서스펜션 모듈의 어퍼 암(Upper arm) 및 로워 암(Lower arm), 스티어링 너클, 그리고 우수한 아노다이징 특성이 요구되는 방열 부품 등에 즉시 적용 가능합니다.

한계와 유의점

기존 ADC 시리즈 합금은 300 MPa 이하의 강도 한계와 높은 Si 함량으로 인한 아노다이징 처리의 어려움이 있으며, 본 연구는 이를 극복하기 위한 대안을 제시하고 있습니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 (High Strength Aluminum Alloy for Die Casting)
  • Author: Ki-Tae Kim (김기태)
  • Year: 2011
  • Journal: 한국주조공학회지 (Journal of the Korea Foundry Society)
  • DOI/Link: N/A

2. 초록

최근 자동차 산업은 환경규제 심화와 연비개선 요구에 따라 경량소재로의 변경이 필수적이다.

알루미늄 다이캐스팅 합금은 인장강도가 300MPa 이하로 구조용 부품 적용에 한계가 있다.

본 연구에서는 350MPa 이상의 인장강도를 갖는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금을 소개한다.

합금의 금형 충전성, 주조 크랙성 및 인장 특성을 다양한 두께의 시편을 통해 평가하였다.

개발된 합금은 일반 합금 대비 인장강도 약 30%, 항복강도 약 80%, 연신율 약 3배 향상된 특성을 보였다.

3. 방법론

합금 조성 설계: Cu(2.07-2.36%), Mg(2.93-3.07%), Zn(5.98-6.3%) 등을 주성분으로 하고 Zr, Ti, Cr, Fe를 미량 첨가한 세 가지 유형의 Al-Cu-Mg-Zn-Zr 합금을 설계하여 실험에 사용하였습니다. 특히 Zn 함량 변화가 주조성에 미치는 영향을 중점적으로 검토하였습니다.

다이캐스팅 시험 및 시편 제작: 실제 양산 환경을 모사하기 위해 다이캐스팅 금형을 사용하여 폭 10mm, 길이 100mm의 시편을 제작하였습니다. 시편의 두께는 1mm, 1.5mm, 2mm로 다양화하여 두께 변화에 따른 충전성과 기계적 성질의 변화를 측정하였습니다.

평가 기준 및 표준: 기계적 성질 평가는 ASTM B 557M 표준을 따랐으며, 조건당 20개의 시편을 테스트하여 신뢰성을 확보하였습니다. 금형 충전성은 20개 시편의 완전 충전 여부로, 주조 균열성은 0.1mm 이상의 균열 발생 빈도를 기준으로 평가하였습니다.

4. 결과 및 분석

금형 충전성 분석: Zn 함량이 약 6wt%인 합금은 1mm의 얇은 두께에서도 100% 완전 충전 성능을 보였습니다. 반면 Zn 함량이 3.5wt% 수준으로 낮은 경우에는 1mm 두께에서 충전 불량이 발생하여, Zn이 박육 부품의 주조성 향상에 핵심적인 역할을 함을 확인하였습니다.

주조 균열 저항성: 고강도 합금에서 흔히 발생하는 주조 균열 문제와 관련하여, 개발된 6wt% Zn 합금은 모든 테스트 두께에서 균열 발생률 10% 미만의 우수한 저항성을 나타냈습니다. 이는 합금 원소의 최적 배합이 응고 과정에서의 수축 응력을 효과적으로 제어했음을 시사합니다.

기계적 특성 비교: 인장강도는 350-450 MPa, 항복강도는 250-400 MPa 범위로 측정되었습니다. 이는 기존 ADC12(인장 약 300 MPa, 항복 약 170 MPa)와 비교할 때 비약적인 향상이며, 특히 연신율이 평균 9% 수준으로 기존 합금(약 3%)보다 3배 높아 구조적 안정성이 크게 강화되었습니다.

Fig. 7 다이캐스팅 시험 금형
Fig. 7 다이캐스팅 시험 금형
Figure 11: 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 비교. 신규 합금이 ADC3, 10, 12 대비 약 30% 높은 강도를 가짐을 시각화합니다.
Figure 11: 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 비교. 신규 합금이 ADC3, 10, 12 대비 약 30% 높은 강도를 가짐을 시각화합니다.

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Figure 1: 자동차 산업의 환경변화. 화석 연료 고갈과 환경 규제에 따른 경량화의 필요성을 설명합니다.
  • Figure 2: 자동차 연비향상 방안. 차량 경량화가 연비 개선 기여도의 50%를 차지함을 보여줍니다.
  • Figure 4: 자동차용 알루미늄 부품의 생산기술 비율. 다이캐스팅과 금형 주조가 전체 생산의 약 74%를 차지함을 나타냅니다.
  • Table 1: 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 조성 (단위: wt%). 실험에 사용된 세 가지 합금의 상세 화학 성분을 정의합니다.
  • Figure 11: 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 비교. 신규 합금이 ADC3, 10, 12 대비 약 30% 높은 강도를 가짐을 시각화합니다.
  • Figure 15: 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금과 고강도 알루미늄 합금의 연신율 비교. 개발 합금의 연신율이 일반 합금보다 3배 우수함을 입증합니다.

6. 참고문헌

  • J.R. Davis. (1996). ASM Specialty Handbook, Aluminum and Aluminum Alloys.
  • L. Jen, Y. Xinyan and Z. Wenping. (2008). High strength, high stress corrosion cracking resistant and castable Al-Zn-Mg-Cu-Zr alloy for shape cast products. PCT Patent, WO 2008/036760.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 개발된 합금이 기존 ADC12 합금과 비교하여 갖는 가장 큰 기계적 장점은 무엇입니까?

가장 큰 장점은 인장강도와 연신율의 동시 향상입니다. 개발된 합금은 인장강도 350-450 MPa를 달성하여 ADC12의 약 300 MPa 대비 30% 이상 높으며, 특히 연신율은 약 9%로 ADC12의 3% 대비 3배나 높습니다. 이러한 특성은 부품의 두께를 줄이면서도 충격 에너지를 더 잘 흡수할 수 있게 하여 자동차 구조용 부품에 최적화되어 있습니다.

Q: 아연(Zn) 함량이 이 고강도 합금의 주조성에 어떤 영향을 미칩니까?

본 연구 결과에 따르면 아연(Zn) 함량은 금형 충전성과 주조 균열 저항성에 결정적인 영향을 미칩니다. Zn 함량을 약 6wt%로 유지했을 때, 1mm 두께의 얇은 단면에서도 100% 충전이 가능했으며 주조 균열 발생률도 10% 미만으로 억제되었습니다. 이는 Zn 함량이 낮은(약 3.5wt%) 경우보다 훨씬 우수한 주조 성능을 보장합니다.

Q: 왜 기존의 Al-Si계 ADC 합금은 아노다이징 처리가 어렵습니까?

기존 ADC 시리즈 합금은 주조성을 확보하기 위해 5-12wt%의 높은 실리콘(Si)을 함유하고 있습니다. 이 높은 실리콘 함량은 아노다이징 공정 시 표면에 균일한 산화막 형성을 방해하여 내마모성이나 내스크래치성 같은 표면 특성 개선을 어렵게 만듭니다. 반면 본 연구의 합금 시스템은 이러한 문제를 극복하여 아노다이징 처리가 용이한 특성을 가집니다.

Q: 시편의 두께 변화가 미세조직의 결정립 크기에 미치는 영향은 어떠합니까?

연구 결과, 시편의 두께가 1mm에서 2mm로 변화함에 따라 결정립 크기는 약 12μm에서 25μm 사이의 분포를 보였습니다. 두께가 얇을수록 냉각 속도가 빨라져 결정립이 더 미세해지는 경향이 있지만, 전반적으로 12-25μm 범위 내에서 비교적 균일한 미세조직이 형성됨을 확인하였습니다. 이는 얇은 두께의 부품에서도 안정적인 물성 확보가 가능함을 의미합니다.

Q: 주조 균열 저항성 평가에서 ‘균열 발생’을 판단하는 구체적인 기준은 무엇입니까?

본 실험에서는 다이캐스팅으로 제작된 시편을 육안 및 정밀 검사를 통해 분석하였으며, 0.1mm 이상의 길이를 가진 균열이 발견되는 경우를 ‘균열 발생’으로 정의하였습니다. 총 20개의 시편 중 균열이 발생한 시편의 비율을 계산하여 균열 발생률을 산출하였으며, 개발된 합금은 이 기준에서 매우 우수한 성적을 거두었습니다.

Q: 이 합금의 개발이 자동차 산업의 연비 개선에 어떻게 기여할 수 있습니까?

자동차 연비 개선 요인 중 약 50%가 차량 경량화에서 기인합니다. 본 연구에서 개발된 합금은 기존 알루미늄 합금보다 강도가 훨씬 높기 때문에, 동일한 하중을 견디면서도 부품의 두께와 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘박육 고강도 설계’를 가능하게 합니다. 이는 결과적으로 차체 중량 감소와 직결되어 연비 향상 및 탄소 배출 저감에 기여하게 됩니다.

결론

본 연구를 통해 개발된 다이캐스팅용 Al-Cu-Mg-Zn-Zr계 고강도 알루미늄 합금은 인장강도 350-450 MPa, 항복강도 250-400 MPa, 연신율 9% 수준의 우수한 물성을 확보하였습니다. 이는 기존 범용 다이캐스팅 합금의 한계를 뛰어넘는 수치로, 특히 1mm 두께에서도 완벽한 금형 충전성과 높은 주조 균열 저항성을 입증함으로써 실제 양산 공정으로의 적용 가능성을 충분히 검증하였습니다.

이러한 고강도 합금의 등장은 자동차 서스펜션 및 스티어링 부품의 경량화를 가속화할 뿐만 아니라, 우수한 아노다이징 특성을 바탕으로 고기능성 방열 부품 등 새로운 응용 분야로의 확장을 가능하게 합니다. 향후 실제 차량 부품 단위의 신뢰성 평가와 대량 생산 최적화 연구가 병행된다면, 글로벌 자동차 시장의 경량화 트렌드를 선도하는 핵심 소재 기술이 될 것으로 기대됩니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: Ki-Tae Kim (2011). 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 (High Strength Aluminum Alloy for Die Casting). 한국주조공학회지 (Journal of the Korea Foundry Society).

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

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▶ 논문에 명시되지 않음
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다구치 분석을 이용한 고압 다이캐스팅 주조 결함 최소화 연구

Minimizing the casting defects in high-pressure die casting using Taguchi analysis

고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 형상의 비철금속 부품을 정밀하게 제조할 수 있어 자동차 산업에서 핵심적인 생산 공정으로 자리 잡고 있습니다. 그러나 공정 특성상 기공(Porosity), 핀홀(Pinhole), 기포(Blowhole)와 같은 주조 결함이 발생하기 쉬우며, 이는 부품의 기계적 강도와 신뢰성을 저하시키는 주요 원인이 됩니다. 본 연구는 파키스탄의 오토바이 제조 공정에서 발생하는 100cc 엔진용 크랭크케이스(Crankcase LH) 부품의 높은 불량률을 해결하기 위해 수행되었습니다. 연구진은 다구치 분석(Taguchi Analysis)과 실험계획법(DOE)을 결합하여 사출 압력, 용탕 온도, 냉각 시간 등 6가지 핵심 공정 매개변수를 최적화하는 체계적인 접근 방식을 제시합니다. 실험 결과, 냉각 시간과 사출 압력이 부품의 밀도 및 품질에 가장 결정적인 영향을 미치는 요인임이 밝혀졌습니다. 최적화된 공정 조건을 적용한 결과, 기공으로 인한 불량률이 기존 대비 61% 감소하는 획기적인 품질 개선 효과를 거두었습니다. 이 연구는 대량 생산 환경에서 데이터 기반의 공정 최적화가 제조 경쟁력 확보에 얼마나 중요한지를 실증적으로 보여줍니다.

메타데이터 및 키워드

Figure 1 Crankcase specimen produced with the High-Pressure Die Casting (HPDC) process
Figure 1 Crankcase specimen produced with the High-Pressure Die Casting (HPDC) process

논문 메타데이터

  • Industry: Automotive (Motorbike Manufacturing)
  • Material: Aluminum Alloy ADC 12
  • Process: High-Pressure Die Casting (HPDC)
  • System: 800-ton HPDC machine (Yizumi SM-800T)
  • Objective: 다구치 공정 매개변수 최적화를 통한 주조 결함(기공) 최소화

핵심 키워드

  • High pressure die casting
  • Porosity
  • Design of experiment
  • Optimization
  • Casting defects

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 오토바이 엔진 부품인 크랭크케이스 제조 공정을 대상으로 하며, 실제 산업 현장의 생산 데이터를 바탕으로 결함 원인을 분석하고 다구치 L27 직교 배열표를 활용하여 실험을 설계했습니다.

방법 개요

6개의 공정 변수(사출 압력, 용탕 온도, 냉각 시간, 금형 온도, 1/2단계 플런저 속도)를 3수준으로 설정하여 실험을 수행하였으며, 아르키메데스 원리를 이용한 밀도 측정으로 기공률을 평가했습니다.

주요 결과

최적화된 조건(사출 압력 178 bar, 용탕 온도 665°C, 냉각 시간 5초 등) 적용 시 기공 관련 불량률이 0.90%에서 0.29%로 61% 감소하였으며, 전체 결함 중 기공이 차지하는 비중도 32.17%에서 11.47%로 급감했습니다.

산업적 활용 가능성

자동차 및 이륜차 엔진 부품 제조, 고정밀 비철금속 주조 공정의 품질 관리, 대량 생산 라인의 공정 매개변수 표준화 등에 즉시 적용 가능합니다.

한계와 유의점

본 연구는 각 매개변수 간의 상호작용 효과를 개별적으로 분석하지 않았으며, 도출된 최적값은 Aluminum ADC 12 합금 및 특정 부품 형상에 최적화된 결과입니다.


논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Minimizing the casting defects in high-pressure die casting using Taguchi analysis
  • Author: S. Tariq, A. Tariq, M. Masud, and Z. Rehman
  • Year: 2022
  • Journal: Scientia Iranica B
  • DOI/Link: https://doi.org/10.24200/sci.2021.56545.4779

2. 초록

고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 비철금속 주조물을 제조하기 위한 자동차 산업의 주요 생산 공정입니다.

사출 압력, 용탕 온도, 1단계 및 2단계 플런저 속도와 같은 공정 매개변수는 기계적 강도와 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다.

이러한 공정 매개변수는 주조 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 생산성을 극대화하고 기공, 핀홀, 기포와 같은 주조 결함을 최소화하기 위해 최적의 조합이 필요합니다.

따라서 본 논문에서는 실험계획법(DOE)과 다구치 분석을 결합하여 매개변수를 최적화함으로써 HPDC 공정의 주요 결함인 기공을 최소화하는 접근 방식을 제시합니다.

얻어진 결과에 따르면 냉각 시간, 사출 압력, 2단계 플런저 속도가 응답 인자(주조 부품의 밀도)에 주요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

또한 178 bar의 사출 압력, 665°C의 용탕 온도, 5초의 냉각 시간, 210°C의 금형 온도, 0.20 m.s⁻¹의 1단계 플런저 속도 및 6.0 m.s⁻¹의 2단계 플런저 속도를 사용함으로써 선택된 부품의 기공으로 인한 불량률이 61% 감소했다는 결론을 얻었습니다.

3. 방법론

주조 공정 분석 및 결함 식별: 한 달간의 생산 데이터를 바탕으로 파레토 분석을 실시하여 가장 불량률이 높은 부품인 ‘Crankcase LH’를 선정했습니다. 분석 결과, 전체 결함의 32.17%가 기공(핀홀 및 기포)에 의한 것으로 확인되어 이를 개선 목표로 설정했습니다.

다구치 실험 설계 (DOE): 사출 압력, 용탕 온도, 냉각 시간, 금형 온도, 1단계 및 2단계 플런저 속도의 6가지 요인을 선정하고 각각 3수준(Level)으로 설정했습니다. 효율적인 실험을 위해 L27 직교 배열표를 사용하여 총 27회의 실험 조합을 구성했습니다.

실험 수행 및 데이터 수집: 800톤급 Yizumi SM-800T HPDC 장비를 사용하여 실험을 수행했습니다. 각 실험 조합당 3개의 샘플을 채취하여 아르키메데스 원리에 따라 밀도를 측정하였으며, ADC 12 합금의 표준 밀도(2.75 g.cm⁻³)와 비교하여 품질을 평가했습니다.

다구치 분석 및 최적화: 측정된 밀도 데이터를 바탕으로 S/N 비(Signal-to-Noise ratio) 분석을 수행했습니다. ‘망대특성(Larger-the-better)’ 기준을 적용하여 각 요인의 영향력을 순위화하고, 밀도를 극대화할 수 있는 최적의 매개변수 조합을 도출했습니다.

4. 결과 및 분석

실험 및 시뮬레이션 설정: 본 연구는 실제 산업용 800톤 HPDC 머신에서 수행되었으며, Aluminum ADC 12 합금을 사용했습니다. 6개의 독립 변수를 제어하며 27회의 실험을 통해 밀도 데이터를 확보하였고, 이를 통해 공정의 안정성과 재현성을 검증했습니다.

시각적 데이터 요약: 파레토 차트(Figure 7)를 통해 최적화 전후의 결함 분포 변화를 시각화했습니다. 또한 인과관계도(Figure 4)를 활용하여 작업자, 기계, 재료, 방법 등 기공 결함에 영향을 미치는 다양한 잠재적 요인들을 체계적으로 정리했습니다.

변수 상관관계 분석: S/N 비 분석 결과, 냉각 시간(Delta 0.934)이 밀도에 가장 큰 영향을 미치는 1순위 요인으로 나타났으며, 사출 압력(0.639)과 2단계 플런저 속도(0.500)가 그 뒤를 이었습니다. 반면 1단계 플런저 속도는 영향력이 가장 적은 것으로 분석되었습니다.

Figure 2 Casting defects found in the Crankcase: (a) pinhole and (b) porosity
Figure 2 Casting defects found in the Crankcase: (a) pinhole and (b) porosity

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 3: 선택된 부품의 불량 수량 및 관련 결함 현황. 기공(핀홀/기포)이 전체 결함의 32.17%를 차지하는 주요 원인임을 보여줍니다.
  • Figure 4: 인과관계도(Cause and effect diagram). 핀홀 및 기포 결함에 기여하는 인적, 기계적, 재료적 요인들을 어골도 형태로 분석했습니다.
  • Table 9: 평균 및 S/N 비 분석에 따른 최적 매개변수. 다구치 분석을 통해 도출된 이론적 최적 공정 설정값을 요약하고 있습니다.
  • Figure 7: 최적화 후 결함에 대한 파레토 차트. 공정 개선 후 기공 관련 불량이 현저히 감소하여 결함 순위가 변동되었음을 시각적으로 증명합니다.

6. 참고문헌

  • Teng, X., Mae, H., Bai, Y., et al. (2009). Pore size and fracture ductility of aluminum low pressure die casting. Eng. Fract. Mech. 10.1016/j.engfracmech.2008.06.024
  • Fracchia, E., Lombardo, S., and Rosso, M. (2018). Case study of a functionally graded aluminum part. Appl. Sci. 10.3390/app8071113
  • Makhlouf, M.M., Apelian, D., and Wang, L. (1998). Microstructures and Properties of Aluminum Die Casting Alloys. USDOE Idaho Operations Office.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 다구치 분석 결과, 부품의 밀도에 가장 큰 영향을 미치는 공정 매개변수는 무엇입니까?

응답 평균(Table 7) 및 S/N 비(Table 8) 분석 결과, ‘냉각 시간(Cooling time)’이 가장 높은 Delta 값을 기록하며 영향력 순위 1위를 차지했습니다. 이는 냉각 공정의 정밀한 제어가 주조물의 밀도를 높이고 기공을 줄이는 데 가장 핵심적인 역할을 함을 시사합니다.

Q: 최적화된 매개변수를 적용한 후 기공으로 인한 불량률은 얼마나 감소했습니까?

최적화 전 기공으로 인한 불량률은 전체 생산량의 0.90%였으나, 최적화된 매개변수를 적용한 후에는 0.29%로 감소했습니다. 이는 약 61%의 불량 감소율을 의미하며, 제조 공정의 효율성을 크게 향상시킨 결과입니다.

Q: 실험에서 도출된 최종 최적 사출 압력과 용탕 온도는 얼마입니까?

실험적 검증을 통해 확인된 최종 최적값은 사출 압력 178 bar, 용탕 온도 665°C입니다. 이는 초기 설정값들과 비교하여 미세하게 조정된 수치로, 부품의 밀도를 극대화하는 데 최적화된 조건입니다.

Q: 본 연구에서 사용된 알루미늄 합금의 종류와 그 특성은 무엇입니까?

본 연구에서는 자동차 부품 제조에 널리 쓰이는 알루미늄 합금인 ADC 12를 사용했습니다. 이 합금의 표준 밀도는 2.75 g.cm⁻³이며, 연구진은 제조된 부품의 실제 밀도가 이 표준값에 최대한 가까워지도록 공정을 최적화하여 기공 발생을 억제했습니다.

Q: 다구치 분석에서 사용된 S/N 비의 특성과 그 이유는 무엇입니까?

본 연구에서는 ‘망대특성(Larger-the-better)’ S/N 비를 사용했습니다. 연구의 목적이 부품의 밀도를 최대한 높여 기공을 최소화하는 것이었기 때문에, 측정값이 클수록 품질이 좋다고 판단하는 망대특성 공식을 적용하여 최적 조건을 분석했습니다.

Q: 실험에 사용된 HPDC 장비의 사양과 실험 설계 규모는 어떻게 됩니까?

실험에는 800톤급 고압 다이캐스팅 머신인 Yizumi SM-800T가 사용되었습니다. 실험 설계는 6개의 요인과 3개의 수준을 고려하여 L27 직교 배열표를 채택했으며, 총 27회의 실험 조합을 통해 통계적으로 유의미한 데이터를 확보했습니다.

결론

본 연구는 다구치 분석이 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정의 기공 결함을 최소화하는 데 매우 효과적인 도구임을 입증했습니다. 6가지 핵심 공정 매개변수를 체계적으로 최적화함으로써 오토바이 크랭크케이스의 불량률을 61% 감소시켰으며, 특히 냉각 시간, 사출 압력, 2단계 플런저 속도가 품질 결정의 핵심 요인임을 확인했습니다.

이러한 결과는 실제 산업 현장에서 시행착오를 줄이고 데이터에 기반한 의사결정을 내리는 데 중요한 지침을 제공합니다. 비록 본 연구가 특정 합금과 부품 형상에 국한되어 있고 변수 간의 상호작용 분석이 부족하다는 한계가 있으나, 대량 생산 공정의 품질 개선과 원가 절감을 위한 실질적인 방법론으로서 큰 가치를 지닙니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: S. Tariq, A. Tariq, M. Masud, and Z. Rehman (2022). Minimizing the casting defects in high-pressure die casting using Taguchi analysis. Scientia Iranica B.

DOI/Link: https://doi.org/10.24200/sci.2021.56545.4779

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Figure 11. Optical microscope image of steel sample produced with a casting speed of 3.2 m/min.

고탄소 및 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 강의 주조 속도 향상 연구

고탄소 및 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 강의 주조 속도 향상 연구

Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels

본 보고서는 연속 빌릿 주조 공정에서 고탄소 및 미크로 합금강의 생산 효율성을 극대화하기 위해 주조 속도를 최적화한 연구 결과를 다룹니다. 전자기 교반(M-EMS) 및 냉각 파라미터 조정을 통해 품질 저하 없이 생산성을 향상시키는 기술적 방법론을 제시합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 철강 제조 (Steel Manufacturing)
  • Material: DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D (고탄소 미크로 합금강)
  • Process: 연속 빌릿 주조 (Continuous Billet Casting)

Keywords

  • 철강 생산
  • 연속 주조
  • 주조 속도
  • M-EMS (전자기 교반)
  • 미세 구조 분석
  • 생산성 최적화

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 130×130 mm 단면의 빌릿을 생산하는 6채널 연속 주조기 시스템에서 수행되었습니다. 실험 프레임워크는 주조 속도, 주형 내 전자기 교반(M-EMS)의 전류 및 주파수, 그리고 2차 냉각 구역의 비수량(specific water volume)을 주요 변수로 설정하였습니다. 총 10회의 테스트를 3개 그룹으로 분류하여 실시하였으며, 각 단계마다 매크로 샘플 채취 및 미세 조직 분석을 통해 품질 변화를 모니터링하는 체계적인 실험 설계를 적용하였습니다.

Figure 1. Continuous casting methods [29].
Figure 1. Continuous casting methods [29].

Key Findings

실험 결과, 주조 속도를 기존의 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 성공적으로 상향 조정하였습니다. 이 과정에서 M-EMS 전류를 400A로 최적화하고 2차 냉각수량을 1.27 L/kg으로 증대시켜 안정적인 응고를 유도하였습니다. 정량적으로는 시간당 생산량이 기존 133톤에서 152톤으로 약 14% 증가하는 성과를 거두었으며, 매크로 에칭 및 현미경 분석 결과 모든 샘플이 국제 품질 표준인 ASTM E381 및 내부 결함 카탈로그 기준을 충족하는 것으로 나타났습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 고강도 와이어, 스프링, 와이어 로프 제조용 고탄소강 빌릿 생산 공정에 직접적으로 적용될 수 있습니다. 특히 기존 설비의 큰 변경 없이 운영 파라미터의 최적화만으로 생산성을 14% 향상시킬 수 있음을 입증함으로써, 철강 기업의 제조 원가 절감과 시장 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 실무적인 가이드를 제공합니다.


Theoretical Background

연속 주조에서의 주조 속도와 응고 제어

연속 주조 공정에서 주조 속도는 생산 효율을 결정하는 핵심 요소이지만, 속도 증가는 응고 쉘(shell)의 두께를 얇게 만들어 파열(breakout) 위험을 높입니다. 또한 고속 주조 시에는 용강의 유동이 불안정해져 중심부 편석(center segregation) 및 내부 균열이 발생할 가능성이 커집니다. 따라서 안정적인 고속 주조를 위해서는 주형 내에서의 초기 응고 제어와 2차 냉각 구역에서의 정밀한 온도 관리가 이론적으로 뒷받침되어야 합니다.

주형 내 전자기 교반(M-EMS)의 원리

M-EMS는 주형 주위에 설치된 코일에 전류를 흘려 발생시킨 회전 자기장을 통해 용강을 교반하는 기술입니다. 이 교반 작용은 용강 내부의 온도 구배를 균일하게 하고, 응고 전선에서 불순물이 농축되는 것을 방지하여 등축정(equiaxed zone) 형성을 촉진합니다. 특히 고탄소강의 경우 중심부 편석이 제품 품질에 치명적이므로, 주조 속도 증가에 따른 편석 악화를 방지하기 위해 M-EMS 파라미터의 최적화가 필수적인 이론적 토대가 됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 통합 철강 공장의 6채널 연속 빌릿 주조기에서 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 규격의 강재를 대상으로 진행되었습니다. 턴디쉬 내 용강 온도는 1510~1520 °C로 정밀 제어되었으며, 130×130 mm 단면의 빌릿을 생산하였습니다. M-EMS는 루틴 적용값인 360A/5Hz에서 테스트값인 400A/5Hz로 변경하였고, 2차 냉각수 비수량은 0.95 L/kg에서 최대 1.27 L/kg까지 가변적으로 적용하여 데이터의 신뢰성을 확보하였습니다.

Visual Data Summary

매크로 샘플 분석 결과, 주조 속도 3.2 m/min 조건에서도 중심부 편석, 스타 크랙(star crack), 가스 기공 등의 결함이 허용 수준 내에 있음을 확인하였습니다. 광학 현미경(X25~X500 배율) 관찰을 통해 기질 조직이 주로 펄라이트(pearlite)로 구성되어 있으며, 결정립계를 따라 페라이트(ferrite)가 정상적으로 분포하고 있음을 시각적으로 입증하였습니다. SEM 및 EDS 분석 결과에서도 불순물 개재물이 제어된 깨끗한 미세 구조가 관찰되었습니다.

Figure 10. Optical microscope image of a steel billet sample produced with a casting speed of 2.8 m/min
Figure 10. Optical microscope image of a steel billet sample produced with a casting speed of 2.8 m/min

Variable Correlation Analysis

분석 결과, 주조 속도와 2차 냉각수량 사이에는 직접적인 상관관계가 존재함이 밝혀졌습니다. 주조 속도가 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 증가함에 따라, 용강의 페로스태틱 압력에 견딜 수 있는 응고 쉘 강도를 유지하기 위해 2차 냉각수량을 비례적으로 증대시켜야 했습니다. 또한 M-EMS 전류의 상향 조정은 고속 주조 시 발생할 수 있는 중심부 품질 저하를 상쇄하는 결정적인 변수로 작용하여, 생산성과 품질 사이의 최적의 균형점을 도출할 수 있었습니다.

Figure 11. Optical microscope image of steel sample produced with a casting speed of 3.2 m/min.
Figure 11. Optical microscope image of steel sample produced with a casting speed of 3.2 m/min.

Paper Details

Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels

1. Overview

  • Title: Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels
  • Author: Ömer Saltuk BÖLÜKBAŞI, Volkan KIZILAY
  • Year: 2021
  • Journal: El-Cezerî Journal of Science and Engineering

2. Abstract

세계적으로 중요한 강철 생산 단계인 연속 주조 공정에서는 다양한 파라미터가 함께 사용될 수 있습니다. 제품 특성을 충족하기 위해 금속학적으로 적절한 파라미터를 사용하는 것이 중요합니다. 과거부터 현재까지 연속 주조 공정에서는 많은 혁신이 이루어져 왔습니다. 연속 주조 능력을 통해 요구 사항을 충족하는 적절한 응고를 수행하기 위해 강철 분석, 내화 재료, 연속 주조 파라미터 등 많은 효과적인 주제에 대한 연구가 수행되고 있는 것으로 알려져 있습니다. 연속 주조 파라미터를 검토했을 때, 주조 속도 파라미터가 매크로 샘플의 품질 요구 사항 측면에서 효과적인 것으로 나타났습니다. 따라서 본 연구에서는 주조 속도 파라미터의 증가가 매크로 샘플의 품질에 미치는 영향을 조사하였습니다. 방법론적으로는 고탄소, 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 품질 강재에 대해 서로 다른 주조에서 이 파라미터를 변경하고 매크로 샘플을 채취하여 품질 요구 사항 측면에서 평가하였습니다. 매크로 샘플 품질 결과를 비교했을 때 주조 속도의 영향이 관찰되었습니다. 본 연구에서는 연속 빌릿 주조 시설에서 주조 속도 증가가 최적의 금속학적 및 물리적 품질에 미치는 영향을 조사하고 그 결과를 해석하였습니다.

3. Methodology

3.1. 원재료 및 시편 준비: DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 규격의 고탄소 미크로 합금강을 사용하였으며, 130x130x30 mm 크기의 매크로 샘플을 산소 가스 절단 시스템으로 채취함.
3.2. 표면 처리 및 에칭: 채취된 샘플을 밀링 머신으로 평탄화한 후, 40% HCl(38%)과 60% 물 혼합액에서 50분간 에칭을 실시하고 알칼리 용액으로 세척함.
3.3. 실험 변수 제어: 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min까지 단계적으로 높이며, M-EMS 전류(360~400A)와 2차 냉각수량(0.95~1.27 L/kg)을 최적화함.
3.4. 분석 장비 활용: 광학 현미경(Nikon Epiphot 200), SEM(Jeol JMS-6510), XRD(Rigaku XRD) 및 EDS 분석을 통해 미세 조직과 상 구성을 정밀 검사함.

4. Key Results

주조 속도를 3.2 m/min으로 증대시켰을 때, 이론적 생산량은 시간당 133톤에서 152톤으로 약 14% 향상되었습니다. 매크로 조직 검사 결과, 고속 주조 시에도 중심부 편석 및 내부 결함이 국제 표준 범위 내에서 안정적으로 유지됨을 확인하였습니다. 미세 조직 분석에서는 펄라이트 기질과 입계 페라이트 구조가 명확히 관찰되었으며, XRD 분석을 통해 100% 철 알파(iron alpha) 상 구조가 유지됨을 입증하였습니다. 결과적으로 적절한 냉각 및 교반 제어를 통해 품질 저하 없는 고속 주조가 가능함을 확인하였습니다.

5. Mathematical Models

본 연구에서 도출된 생산성 향상 비율은 다음과 같은 산술 모델을 기반으로 합니다:
$$ \text{Production Increase (\%)} = \frac{\text{New Production (152 t/h)} – \text{Routine Production (133 t/h)}}{\text{Routine Production (133 t/h)}} \times 100 \approx 14\% $$
또한, XRD 분석을 통해 결정 구조의 건전성을 확인하기 위해 Rietveld 방법을 활용한 상 분석이 수행되었습니다.

Figure List

  1. 연속 주조 방법 (수직, 곡형, 수평)
  2. 매크로 샘플 절단 공정 및 채널 번호 부여
  3. 밀링 가공 기계
  4. 산세 탱크, 헹굼 탱크 및 표면 세척 과정
  5. 검사 대상 매크로 샘플 및 사진 촬영 장비
  6. 빌릿 샘플의 2차 냉각 구역별 비수량 변화 그래프
  7. 1그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (2.8~3.0 m/min)
  8. 2그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (2.8~3.2 m/min)
  9. 3그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (3.2 m/min, 수량 가변)
  10. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 광학 현미경 이미지
  11. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 광학 현미경 이미지
  12. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 SEM 이미지
  13. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 SEM 이미지
  14. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 EDS 이미지
  15. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 EDS 이미지
  16. 빌릿 샘플의 XRD 분석 결과 그래프
  17. 빌릿 샘플의 Autoquan 프로그램 분석 결과

References

  1. Chow, C., “The effects of high speed casting on the mould heat transfer, billet solidification, and mould taper design”, 2001.
  2. Li, C., Thomas, B. G., “Ideal Taper Prediction for High Speed Billet Casting”, 2002.
  3. Xiao, C., et al., “Control of macrosegregation behavior by applying final electromagnetic stirring”, 2013.
  4. Su, W., et al., “Heat transfer and central segregation of continuously cast high carbon steel billet”, 2014.
  5. Mortan, J., et al., “Next Steps in High-Speed Billet Casting at Ege Celik”, 2015.

Technical Q&A

Q: 주조 속도를 3.2 m/min으로 높였을 때의 구체적인 생산성 이점은 무엇입니까?

본 연구의 계산에 따르면, 130×130 mm 단면의 6채널 주조기에서 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 높일 경우 시간당 생산량이 133톤에서 152톤으로 증가합니다. 이는 약 14%의 생산성 향상을 의미하며, 동일한 운영 시간 내에 더 많은 제품을 생산할 수 있어 제조 원가 절감과 시장 대응력 강화에 직접적인 기여를 합니다.

Q: 고속 주조 시 품질 저하를 막기 위해 M-EMS 파라미터를 어떻게 조정하였습니까?

주조 속도가 빨라지면 중심부 편석 위험이 커지므로, M-EMS 전류를 기존의 360A에서 400A로 상향 조정하였습니다. 이를 통해 용강의 교반력을 강화하여 응고 전선에서의 용질 농축을 억제하고 등축정 형성을 촉진함으로써, 고속 주조 조건에서도 매크로 조직의 건전성을 유지할 수 있었습니다.

Q: 2차 냉각수 비수량(Specific water volume)을 1.27 L/kg으로 증대한 기술적 이유는 무엇입니까?

주조 속도가 증가하면 주형을 빠져나오는 빌릿의 응고 쉘 두께가 상대적으로 얇아집니다. 이때 내부 용강의 페로스태틱 압력에 의해 쉘이 파열되는 것을 방지하기 위해 2차 냉각 구역에서 더 많은 냉각수를 분사하여 응고 속도를 높여야 합니다. 실험을 통해 3.2 m/min 속도에서는 1.27 L/kg의 비수량이 안정적인 쉘 강도 확보에 최적임을 확인하였습니다.

Q: 미세 구조 분석 결과, 주조 속도 변화가 상(Phase) 구성에 미치는 영향은 어떠합니까?

광학 현미경 및 SEM 분석 결과, 2.8 m/min과 3.2 m/min 두 조건 모두에서 기질 조직은 펄라이트로 구성되었으며 입계에 페라이트가 형성된 전형적인 고탄소강 조직을 보였습니다. 다만, XRD 분석 결과 3.2 m/min 샘플의 피크 강도가 상대적으로 낮게 나타났는데, 이는 빠른 냉각 속도로 인해 결정 구조가 덜 발달했기 때문으로 해석되나 전체적인 상 구성은 100% 철 알파 상으로 동일하였습니다.

Q: 본 연구에서 품질 평가의 기준으로 삼은 표준은 무엇입니까?

매크로 에칭 테스트의 경우 ASTM E381(강철 바, 빌릿, 블룸의 매크로 에칭 테스트 표준 방법)을 준수하였습니다. 또한, 실험이 진행된 철강 공장에서 자체적으로 마련한 “Long Product Defect Catalog”를 참조하여 중심 편석, 수축공, 균열 등 내부 결함의 허용 여부를 엄격하게 판정하였습니다.

Conclusion

본 연구는 고탄소 미크로 합금강의 연속 주조 공정에서 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 향상시킬 수 있는 기술적 타당성을 입증하였습니다. M-EMS 전류를 400A로 최적화하고 2차 냉각수량을 적절히 증대시킴으로써, 제품의 금속학적 품질과 물리적 특성을 표준 이내로 유지하면서도 생산성을 14% 향상시키는 성과를 거두었습니다. 이는 철강 산업에서 비용 효율적인 생산 체계를 구축하는 데 있어 중요한 실증적 자료가 될 것입니다.


Source Information

Citation: Bölükbaşı, Ö. S., Kızılay, V. (2021). Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels. El-Cezerî Journal of Science and Engineering.

DOI/Link: https://doi.org/10.31202/ecjse.779884

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Fig. 5. Microstructure of AlSi20 alloy unmodified (a), modified with P, Ti i B (b, c) poured without cooling (b) and with water mist cooling of casting die (a, c). Phase β (Si), lamellar eutectic α+β (Al+Si)

열처리된 금형 주조 AlSi20 합금의 조직

열처리된 금형 주조 AlSi20 합금의 조직

Structure of AlSi20 Alloy in Heat Treated Die Casting

본 연구는 다지점 수분 분무 냉각 시스템을 활용하여 과공정 알루미늄 합금인 AlSi20의 결정화 과정과 미세조직 변화를 분석한 기술 보고서입니다. 수분 분무 냉각과 용체화 처리가 주조물의 조직 미세화 및 상 형태 변화에 미치는 영향을 실험적으로 검증하였습니다.

Paper Metadata

  • Industry: 자동차 부품 및 주조 산업 (Automotive and Foundry Industry)
  • Material: 과공정 실루민 AlSi20 합금 (Hypereutectic Silumin AlSi20 Alloy)
  • Process: 수분 분무 냉각 금형 주조 및 용체화 처리 (Water Mist Cooled Die Casting and Solution Heat Treatment)

Keywords

  • 혁신적 주조 기술
  • 금형 주조
  • 수분 분무 냉각
  • 과공정 실루민
  • 미세조직

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 X38CrMoV51 강철로 제작된 실험용 금형과 컴퓨터 제어 방식의 다지점 수분 분무 냉각 시스템을 사용하여 수행되었습니다. 수분 분무는 압축 공기 흐름 내에서 물을 원심 분사하여 생성되었으며, 금형 표면에 수직으로 배치된 원통형 노즐을 통해 냉각이 이루어졌습니다. 실험은 미개량 AlSi20 합금과 인(P), 티타늄(Ti), 붕소(B)로 개량된 합금 두 가지를 대상으로 진행되었으며, 냉각 과정은 전용 소프트웨어를 통해 정밀하게 제어되었습니다.

Fig. 1. The scheme of the research station: Modules: 1, 2 – air and water dosing, 3 – mixing of components, 4, 5 – supplying of air and water solenoid valves, 6 – computer cooling control, 7, 8 – PC, 9 – cooling circuit, 10 – research chill
Fig. 1. The scheme of the research station: Modules: 1, 2 – air and water dosing, 3 – mixing of components, 4, 5 – supplying of air and water solenoid valves, 6 – computer cooling control, 7, 8 – PC, 9 – cooling circuit, 10 – research chill

Key Findings

수분 분무 냉각을 적용한 결과, 주조물의 평균 냉각 속도가 일반적인 ATD 샘플의 0.3 K/s에서 약 6.0 K/s로 크게 증가하였습니다. 이러한 냉각 속도의 증가는 초정 실리콘 결정의 크기를 현저히 감소시켰으며, 특히 개량제가 첨가된 경우 초정 Si 크기가 20~40 μm 수준으로 미세화되었습니다. 또한, 520°C에서 4시간 동안 진행된 용체화 처리를 통해 공정 실리콘 상의 구상화와 조직의 추가적인 정밀화가 관찰되었습니다.

Fig. 5. Microstructure of AlSi20 alloy unmodified (a), modified with P, Ti i B (b, c) poured without cooling (b) and with water mist cooling of casting die (a, c). Phase β (Si), lamellar eutectic α+β (Al+Si)
Fig. 5. Microstructure of AlSi20 alloy unmodified (a), modified with P, Ti i B (b, c) poured without cooling (b) and with water mist cooling of casting die (a, c). Phase β (Si), lamellar eutectic α+β (Al+Si)

Industrial Applications

본 연구에서 제안된 수분 분무 냉각 기술은 내연기관용 고부하 피스톤과 같이 고온 강도와 내마모성이 요구되는 알루미늄 합금 부품 제조에 직접적으로 적용될 수 있습니다. 정밀한 냉각 제어를 통해 주조 결함을 줄이고 기계적 성질을 향상시킬 수 있으며, 이는 자동차 및 항공우주 분야의 고성능 엔진 부품 생산 공정 최적화에 기여할 수 있습니다.


Theoretical Background

과공정 실루민의 결정화 메커니즘

과공정 실루민의 결정화는 액상에서 초정 실리콘 결정이 먼저 석출되면서 시작됩니다. 냉각이 진행됨에 따라 초정 Si 결정 주변의 실리콘 농도가 감소하며, 이는 기존 실리콘 결정 위에서 알파(α) 상의 핵 생성을 유도하는 유리한 조건을 형성합니다. 온도가 더 낮아지면 합금은 공정 구역으로 진입하여 층상 구조의 α + β (Al + Si) 조직이 불규칙하게 결정화되는 과정을 거칩니다.

수분 분무 냉각의 열전달 원리

수분 분무 냉각의 핵심은 고온의 금형 표면에서 미세한 수적이 증발하면서 발생하는 잠열을 이용하는 것입니다. 공기와 물의 혼합 비율을 최적화하고 분사 상태를 제어함으로써 일반적인 공기 냉각이나 단순 수냉보다 훨씬 높은 열전달 효율을 얻을 수 있습니다. 이는 금형 내부의 온도 구배를 정밀하게 제어하여 주조물의 응고 속도와 최종 미세조직 형상에 결정적인 영향을 미칩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 Si 함량이 약 21%인 합성 과공정 AlSi20 합금이 사용되었습니다. 금형은 3개의 대칭적인 냉각 섹션으로 구성되었으며, 각 섹션은 주조물의 특정 구역을 냉각하도록 설계되었습니다. 주조 후 시험편은 520°C에서 4시간 동안 어닐링한 후 수냉하는 용체화 처리를 거쳤습니다. 미세조직 분석은 Nikon MA200 현미경을 사용하여 냉각 조건 및 개량제 첨가 여부에 따른 변화를 관찰하였습니다.

Visual Data Summary

현미경 관찰 결과, 냉각되지 않은 금형에서 주조된 샘플은 거대한 수지상 실리콘 조직을 보인 반면, 수분 분무 냉각을 적용한 샘플은 현저하게 미세화된 조직을 나타냈습니다. 특히 용체화 처리 후에는 실리콘 플레이트의 끝부분이 둥글게 변하는 구상화 현상이 관찰되었으며, 이는 조직의 연속성을 끊고 기계적 성질을 개선하는 효과를 가집니다. 개량제가 포함된 경우 초정 Si는 더욱 작고 조밀한 형태로 분포되었습니다.

Variable Correlation Analysis

냉각 속도와 미세조직의 상관관계 분석 결과, 냉각 속도가 증가할수록 과냉각(Supercooling) 정도가 커져 핵 생성 속도가 촉진됨을 확인하였습니다. 이는 결정 성장을 억제하고 조직을 미세화하는 주된 요인으로 작용합니다. 또한, 수분 분무 냉각과 화학적 개량 처리를 병행했을 때 초정 Si 크기 감소 효과가 극대화되었으며, 이후의 열처리는 이러한 미세 조직의 형태학적 안정성을 높이는 역할을 수행했습니다.


Paper Details

Structure of AlSi20 Alloy in Heat Treated Die Casting

1. Overview

  • Title: Structure of AlSi20 Alloy in Heat Treated Die Casting
  • Author: R. Władysiak, A. Kozuń
  • Year: 2015
  • Journal: Archives of Foundry Engineering

2. Abstract

본 연구는 다지점 수분 분무 냉각 시스템을 사용하여 알루미늄 합금 금형 주조의 효율성을 높이기 위한 연구의 연장선에 있습니다. 이 논문은 합성 과공정 AlSi20 합금의 결정화 과정과 미세조직에 대한 조사 결과를 제시합니다. 주조는 수분 분무 스트림으로 냉각되는 영구 금형에서 수행되었습니다. 연구는 미개량 AlSi20 합금과 인, 티타늄, 붕소로 개량된 합금을 대상으로 전용 컴퓨터 제어 프로그램을 통해 순차적 다지점 냉각이 가능한 연구 스테이션에서 진행되었습니다. 연구 결과, 수분 분무 스트림으로 냉각된 금형의 사용과 용체화 처리가 과공정 실루민의 미세조직 형성에 광범위한 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 이는 주조물 내 조직의 미세화와 상의 구상화를 유도합니다.

3. Methodology

3.1. 합금 준비 및 용해: 합성 과공정 AlSi20 합금을 준비하고, 필요에 따라 P, Ti, B 개량제를 첨가하여 용해함.
3.2. 수분 분무 냉각 주조: 컴퓨터 제어 시스템을 통해 공기와 물의 양을 조절하여 생성된 수분 분무로 금형을 냉각하며 주조를 수행함.
3.3. 열처리 공정: 주조된 시험편을 저항로에서 520°C 온도로 4시간 동안 가열한 후 물에 담가 급냉하는 용체화 처리를 실시함.
3.4. 조직 분석: Nikon MA200 현미경을 사용하여 주조 상태 및 열처리 후의 미세조직 변화를 정량적으로 평가함.

4. Key Results

수분 분무 냉각을 통해 냉각 속도를 6.0 K/s까지 높임으로써 초정 실리콘과 공정 조직의 현저한 미세화를 달성했습니다. ATD 샘플에서 100~1200 μm에 달하던 초정 실리콘 결정이 냉각 금형 주조 시 20~200 μm로 감소했습니다. 개량제가 첨가된 경우 실리콘 결정은 20~40 μm로 더욱 작아졌으며 콤팩트한 형상을 보였습니다. 열처리는 실리콘 플레이트의 구상화를 유도하여 조직의 날카로운 모서리를 제거하는 효과를 나타냈습니다.

Figure List

  1. 연구 스테이션 개요도: 공기 및 수분 도징 모듈, 제어 시스템 등
  2. 연구용 금형 및 주조물 단면도: 냉각 구역 및 노즐 배치
  3. 미개량 실루민의 TDA 곡선 및 결정화 개략도
  4. ATD 프로브에서 주조된 미개량 실루민의 미세조직
  5. 냉각 조건에 따른 AlSi20 합금의 미세조직 비교 (미개량 vs 개량)
  6. 수분 분무 냉각 및 열처리 후의 AlSi20 미세조직
  7. 개량제가 첨가된 실루민의 열처리 후 조직 (비냉각 금형)
  8. 개량제가 첨가된 실루민의 수분 분무 냉각 및 열처리 후 조직

References

  1. Władysiak, R. (2007). Effective Intesification Method of Die Casting Process of Silumins.
  2. Pietrowski, S. & Władysiak, R. (2007). Result of cooling of dies with water mist.
  3. Władysiak, R. (2008). Water mist effect on cooling range and efficiency of casting die.
  4. Władysiak, R. (2010). Effect of water mist on cooling process of casting die and microstructure of AlSi11 alloy.
  5. Władysiak, R. (2013). Computer control the cooling process in permanent mold casting of Al-Si alloy.

Technical Q&A

Q: 수분 분무 냉각이 기존 공랭식 금형 주조와 비교하여 갖는 주요 장점은 무엇입니까?

수분 분무 냉각은 수적의 증발 잠열을 이용하므로 열전달 효율이 매우 높습니다. 본 연구에서는 냉각 속도를 약 20배(0.3 K/s에서 6.0 K/s로) 증가시켰으며, 이는 주조 조직의 현저한 미세화를 가능하게 하여 기계적 성질을 향상시키고 주조 사이클 시간을 단축할 수 있는 잠재력을 제공합니다.

Q: AlSi20 합금에 P, Ti, B 개량제를 첨가했을 때 미세조직에 나타나는 구체적인 변화는 무엇입니까?

개량제 첨가는 초정 실리콘 결정의 크기를 대폭 감소시킵니다. 실험 결과, 개량제가 없는 경우보다 실리콘 결정이 훨씬 작아져 20~40 μm 수준에 도달하며, 형태 또한 더욱 조밀하고 콤팩트한 구조로 변화하여 합금의 전체적인 조직 균일성을 높입니다.

Q: 용체화 처리(Solution Heat Treatment)가 주조물의 상 형태에 미치는 영향은 무엇입니까?

520°C에서의 열처리는 실리콘 상의 형태학적 변화를 유도합니다. 특히 층상 구조의 공정 실리콘 플레이트가 짧아지고 두꺼워지며 최종적으로 구상화되는 과정을 거칩니다. 또한 초정 실리콘 결정의 날카로운 모서리가 둥글게 변하여 응력 집중을 완화하는 효과를 줍니다.

Q: 연구에서 사용된 냉각 제어 시스템의 특징은 무엇입니까?

Z-Tech에서 개발한 컴퓨터 제어 시스템을 사용하여 다지점 순차 냉각을 수행합니다. 전용 소프트웨어를 통해 수분 분무의 생성 과정을 모니터링하고 미리 설정된 프로그램에 따라 노즐별로 냉각 강도를 조절함으로써 금형 내 구역별 최적 냉각 조건을 구현할 수 있습니다.

Q: 과공정 실루민 주조 시 냉각 속도가 너무 낮을 경우 발생하는 문제점은 무엇입니까?

냉각 속도가 낮으면 초정 실리콘 결정이 거대하게 성장하게 됩니다. 본 연구의 ATD 샘플(0.3 K/s)에서 관찰된 것처럼 1000 μm 이상의 거대 결정이 형성될 수 있으며, 이는 합금의 취성을 높이고 기계적 가공성을 저하시키는 원인이 됩니다.

Conclusion

본 연구를 통해 수분 분무 냉각과 열처리의 결합이 과공정 실루민의 미세조직을 제어하는 매우 효과적인 수단임을 확인하였습니다. 수분 분무 냉각은 비냉각 금형 대비 조직을 수배 이상 미세화하며, 개량제와 병행 시 초정 Si 크기를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 또한 열처리는 상의 구상화를 통해 조직의 결함을 보완합니다. 이러한 결과는 고성능 알루미늄 주조 부품 제조를 위한 정밀 냉각 제어 기술의 산업적 가치를 입증합니다.


Source Information

Citation: R. Władysiak, A. Kozuń (2015). Structure of AlSi20 Alloy in Heat Treated Die Casting. Archives of Foundry Engineering.

DOI/Link: 10.1515/afe-2015-0021

Technical Review Resources for Engineers:

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Fig.1 aluminum alloy motor

알루미늄 합금 모터의 저압 주조 기술

알루미늄 합금 모터의 저압 주조 기술

The Low-pressure Casting Technology of aluminum alloy motor

본 보고서는 공압 다이아프램 펌프용 알루미늄 합금 모터의 저압 주조 공정 설계 및 제어 기술을 분석합니다. 복잡한 박벽 구조의 주조물에서 발생하는 결함을 최소화하기 위한 급탕 및 배기 시스템 설계와 핵심 공정 파라미터의 최적화 방안을 기술적으로 검토합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 기계 및 자동차 부품 제조
  • Material: ZL101A 알루미늄 합금
  • Process: 저압 주조 (Low-pressure Casting)

Keywords

  • 알루미늄 합금
  • 모터
  • 저압 주조
  • 공정 파라미터
  • 급탕 시스템
  • 배기 시스템
  • 온도장 제어

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 순중량 9kg, 평균 벽 두께 5mm인 ZL101A 알루미늄 합금 모터의 저압 주조를 위한 실험적 프레임워크를 구축하였습니다. 주조 시스템은 하부 주입 방식의 급탕 시스템과 가동식 배기 덕트를 포함한 정밀 배기 시스템으로 구성되었습니다. 특히 두꺼운 핫스팟 부위의 수축 결함을 방지하기 위해 4개의 수냉식 코어를 배치한 냉각 시스템을 설계에 반영하였습니다. 실험은 승압, 충전, 가압 응고 등 총 6단계의 공정 사이클을 통해 수행되었습니다.

Key Findings

저압 주조 공정 적용 결과, 중력 주조 대비 기계적 성질이 15-20% 향상되었으며 안정적인 주조 품질을 확보하였습니다. 주요 정량적 데이터로는 승압 압력 0.018 MPa, 충전 압력 0.03-0.05 MPa, 가압 압력 0.05-0.08 MPa가 도출되었습니다. 금형 온도는 상부 320±40°C, 하부 350±50°C에서 최적의 결과를 보였으며, 용탕 온도는 710-720°C 범위로 유지되었습니다. 충전 속도는 10mm/s에서 40mm/s 사이에서 제어될 때 난류 발생이 최소화되었습니다.

Industrial Applications

본 연구에서 제시된 저압 주조 기술은 복잡한 형상과 얇은 벽을 가진 고품질 알루미늄 및 마그네슘 합금 주조물 생산에 직접 적용 가능합니다. 특히 기밀성과 기계적 강도가 동시에 요구되는 자동차용 모터 하우징, 펌프 부품 및 대형 박벽 구조물의 자동화 생산 라인 구축에 핵심적인 공정 지침을 제공합니다. 이는 생산 수율 향상과 노동 강도 저감을 목표로 하는 현대 주조 산업에 실질적인 기여를 할 수 있습니다.


Theoretical Background

저압 주조의 메커니즘과 장점

저압 주조는 중력 주조와 압력 주조의 중간 단계에 위치하는 공법으로, 22~70kPa의 상대적으로 낮은 압력을 사용하여 용탕을 하부에서 상부로 충전합니다. 이 방식은 용탕의 충전 과정이 부드러워 난류 발생이 적고 산화물 개입을 최소화할 수 있습니다. 또한 가압 상태에서 응고가 진행되므로 조직이 치밀해지고 수축공 및 기공 결함을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 특히 자동화 구현이 용이하며 중력 주조 대비 높은 공정 수율과 우수한 기계적 특성을 제공하는 것이 이론적 특징입니다.

온도 구배 및 급탕 특성 분석

저압 주조에서의 급탕 제어는 중력 주조와 근본적으로 다릅니다. 중력 주조는 상부 라이저에서 하부로 용탕이 이동하지만, 저압 주조는 외부 압력에 의해 하부에서 상부로, 고온 영역에서 저온 영역으로 급탕이 이루어집니다. 하부 금형은 방열 조건이 불리하고 용탕과 직접 접촉하여 온도가 높게 유지되는 반면, 상부 금형은 방열이 상대적으로 빠릅니다. 이러한 역방향 온도 구배 특성 때문에 주요 급탕 영역을 하부 금형에 배치하고, 상부 라이저의 설계를 중력 주조 대비 20% 이상 확대하여 응고 수축을 보상해야 합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험 대상인 모터는 ZL101A 재질로 크기는 332×206.5mm이며, 게이팅 시스템을 포함한 총 주입 중량은 16kg 이상입니다. 평균 벽 두께는 4-6mm이며 플랜지 측면은 10mm로 설계되었습니다. 주조 장비는 PLC 프로그래밍 제어기를 통해 압력을 정밀 제어하였으며, 핫스팟 부위의 급속 냉각을 위해 수냉 통로가 설계된 4개의 코어를 사용하였습니다. 금형 온도는 열전대를 통해 실시간으로 모니터링하며 상하부 금형의 온도 균형을 유지하였습니다.

Fig.1 aluminum alloy motor
Fig.1 aluminum alloy motor

Visual Data Summary

Fig 5의 전형적인 저압 게이팅 공정 그래프를 분석한 결과, 공정은 승압(A-B), 충전(B-C), 껍질 형성, 가압 응고(D-E), 응고 유지 및 압력 해제(E-F)의 단계적 흐름을 보입니다. Fig 2와 Fig 3에서는 핫스팟이 집중된 플랜지 면과 너트 보스 부위에 러너를 직접 연결하여 급탕 효율을 극대화한 것을 확인할 수 있습니다. Fig 4의 배기 시스템 설계는 가스가 정체되기 쉬운 보강 리브와 금형 상단부에 집중 배치되어 충전 미달 결함을 방지하는 구조를 보여줍니다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수 분석 결과, 노 내 용탕 레벨 저하에 따른 압력 손실($\Delta P$)과 충전 시간 사이의 밀접한 상관관계가 확인되었습니다. 주조 횟수가 반복됨에 따라 노 내 공간 부피($V$)가 증가하면 동일한 유입 속도에서도 충전 종료 시점이 지연되는 현상이 발생합니다. 이를 방지하기 위해 ‘PVT = 일정’ 법칙에 기반한 압력 보상 알고리즘을 적용하여 충전 속도를 10-40mm/s로 일정하게 유지하였습니다. 또한 금형 온도 구배가 커질수록 응고 시간이 단축되지만 충전 능력이 저하되므로, 적정 온도 범위 내에서의 정밀한 제어가 품질 안정성의 핵심 변수임을 입증하였습니다.


Paper Details

The Low-pressure Casting Technology of aluminum alloy motor

1. Overview

  • Title: The Low-pressure Casting Technology of aluminum alloy motor
  • Author: Guoding Yuan, Hai Gu, Jianhua Sun, Zhufeng Li
  • Year: 2015
  • Journal: 3rd International Conference on Material, Mechanical and Manufacturing Engineering (IC3ME 2015)

2. Abstract

저압 주조에 대한 연구를 통해 알루미늄 합금의 구조와 결합하여, 본 논문은 급탕 시스템 및 배기 시스템 설계를 포함한 저압 주조 공정의 전형적인 시스템 설계를 소개한다. 제품 품질의 안정성을 보장하기 위해 충전 압력, 충전 속도 및 온도장을 포함한 공정 파라미터의 제어 기술을 본 논문에서 연구한다.

3. Methodology

3.1. 급탕 시스템 설계: 용탕이 하부에서 상부로 부드럽게 충전되도록 설계하며, 난류와 산화를 최소화하기 위해 핫스팟과 플랜지 면을 중심으로 좌우 대칭형 러너를 배치한다.
3.2. 배기 시스템 설계: 금형 내부 가스와 충전 사각지대의 가스 배출을 위해 가동식 배기 덕트와 상부 금형 배기 플러그를 강화하여 콜드 셧(Cold shut) 결함을 방지한다.
3.3. 공정 파라미터 제어: PLC를 활용하여 승압 압력(0.018 MPa), 충전 압력(0.03-0.05 MPa), 가압 압력(0.05-0.08 MPa)을 단계별로 정밀하게 설정하고 제어한다.
3.4. 냉각 시스템 적용: 두꺼운 벽면과 핫스팟 부위의 수축공 방지를 위해 4개의 수냉식 코어를 설치하여 국부적인 냉각 속도를 조절한다.

4. Key Results

저압 주조 공정 적용을 통해 모터 주조물의 내부 품질을 획기적으로 개선하였으며, 수축공 및 슬래그 개입 등의 결함을 효과적으로 제거하였습니다. 중력 주조 대비 기계적 성질이 15-20% 향상되었으며, 특히 박벽 구조에서도 안정적인 충전이 가능함을 확인하였습니다. 정밀한 압력 보상 시스템을 통해 노 내 용탕 레벨 변화에 관계없이 일정한 충전 속도를 유지할 수 있었으며, 이는 대량 생산 시 제품 간 품질 편차를 줄이는 데 결정적인 역할을 하였습니다. 최종적으로 상하부 금형의 적정 온도 구배 형성을 통해 응고 방향성을 제어함으로써 건전한 주조 조직을 얻었습니다.

Fig.5 Typical low-pressure gating process graph
Fig.5 Typical low-pressure gating process graph

5. Mathematical Models

$$PVT = \text{constant}$$ $$t_n/t_{n+1} = \frac{P_n \cdot V_n}{(P_n + \Delta P)(V_n + \Delta V)}$$ $$Q = V \cdot S$$

Figure List

  1. 알루미늄 합금 모터 외관
  2. 모터 게이팅 시스템 구조 (방향 1 및 방향 2)
  3. 코어의 수냉 통로 설계
  4. 모터 게이팅 시스템의 주요 배기 영역
  5. 전형적인 저압 게이팅 공정 그래프

References

  1. X.Z.Xie. Low Pressure Die Casting Mold Design and Process Verification for Engine Aluminum Alloy Cylinder Head. 2009.
  2. G.F.Mi, C.Y.Li and K.F.Wang. Numerical Simulation and Application of Low Pressure Die-casting Aluminum Alloy Wheel. 2013.
  3. Lu Gong-hui. Control technology on low pressure casting of aluminum alloy flywheel housing. 2007.
  4. X.L.Chen. Defect Prediction and Mould Optimization of Aluminum Alloy Wheel Hub in Low Pressure Casting Process. 2014.
  5. L.L.Zhang. Pressure Regulating and Controlling in Low Pressure Casting for Aluminum Alloy. 2013.
  6. A.E.Miller, D.M.Maijer. Investigation of erosive-corrosive wear in the low pressure die casting of aluminum A356. 2006.

Technical Q&A

Q: 저압 주조에서 ‘승압 압력(Lifting pressure)’과 ‘현수 압력(Suspended pressure)’의 차이는 무엇인가?

승압 압력은 용탕을 러너 게이트까지 끌어올리는 데 필요한 압력을 의미하며, 현수 압력은 승압 압력에 노 내 용탕 레벨 저하에 따른 압력 손실($\Delta P$)을 더한 값입니다. 생산 과정에서 용탕 레벨이 낮아지면 일정한 승압 압력만으로는 압력 손실을 보상할 수 없으므로, 현수 압력 개념을 도입하여 다이의 충전 압력 파라미터를 일정하게 유지해야 합니다.

Q: 충전 압력을 낮게 설정할 때 얻을 수 있는 공정상의 이점은 무엇인가?

적절한 통기성이 확보된 상태에서 낮은 충전 압력을 사용하면 충전 속도를 늦출 수 있어 금형 내부의 가스를 완전히 배출할 수 있습니다. 이는 금형 틈새의 밀봉 능력을 향상시키고 샌드 코어의 부하를 줄여주며, 기공(Stomatals) 결함과 샌드 번온(Burnt-on sands)에 의한 불량률을 감소시키는 효과가 있습니다.

Q: 금형 온도 제어에서 상부 금형과 하부 금형의 온도 차이가 발생하는 이유는?

하부 금형은 방열 면적이 상부 금형보다 훨씬 작고 유지로 및 고온의 알루미늄 용탕과 직접 접촉하여 가열될 기회가 더 많기 때문입니다. 반면 상부 금형은 주로 열 흡수와 방산만 일어나므로, 작업 시간이 경과함에 따라 상하부 금형 사이의 온도 구배는 점점 더 커지는 경향을 보입니다.

Q: 박벽 구조와 두꺼운 벽 구조의 주조물에서 충전 속도 설정의 차이는?

일반적으로 벽이 얇고 단면적이 크며 코어 공동이 없는 주조물은 높은 충전 속도가 요구되므로 저압, 대유량, 대구경 리프트 파이프 장비를 선택합니다. 반면 벽이 두껍고 단면적이 작으며 코어 공동이 있는 구조는 고압, 대유량, 다점 게이팅 시스템을 통해 정밀한 충전 속도 제어가 필요합니다.

Q: 본 연구에서 제안된 핫스팟 결함 방지를 위한 핵심 설계 요소는?

핫스팟 부위의 수축공 결함을 방지하기 위해 수냉 통로가 설계된 4개의 코어를 사용하여 강제 냉각을 실시하였습니다. 또한 러너를 핫스팟 원형 부위에서 시작하여 좌우로 배치함으로써 급탕 경로를 최적화하였고, 상부 라이저의 크기를 중력 주조 대비 확대하여 가압 상태에서의 보급 성능을 강화하였습니다.

Conclusion

본 연구는 알루미늄 합금 모터의 저압 주조 공정에서 제품 품질을 결정짓는 핵심 파라미터인 온도, 속도, 압력의 상관관계를 체계적으로 규명하였습니다. 특히 PLC를 활용한 압력 보상 제어와 수냉식 코어 설계가 복잡한 형상의 주조물에서 발생하는 수축 결함을 방지하는 데 결정적인 역할을 함을 확인하였습니다. 이러한 정밀 공정 제어 기술은 알루미늄 합금 주조 산업의 품질 안정성과 생산성 향상을 위한 기술적 토대를 제공합니다.


Source Information

Citation: Guoding Yuan, Hai Gu, Jianhua Sun, Zhufeng Li (2015). The Low-pressure Casting Technology of aluminum alloy motor. 3rd International Conference on Material, Mechanical and Manufacturing Engineering (IC3ME 2015).

DOI/Link: Not described in the paper

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Figure 2. Appearance of the samples' surfaces exposed to the molten alloy after the ejection tests

알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능

알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능

Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 환경에서 알루미늄 합금 주조 시 발생하는 금형 소착(Soldering) 및 마모 현상을 분석하기 위해 H11 열간 공구강, 플라즈마 질화강, 그리고 CrN 및 TiAlN PVD 코팅의 성능을 실험적으로 평가한 기술 보고서입니다.

Paper Metadata

  • Industry: 고압 다이캐스팅 (HPDC)
  • Material: H11 열간 공구강 (EN X37CrMoV5-1), Al-Si-Cu 합금 (EN AC-46200)
  • Process: 플라즈마 질화 (Plasma Nitriding), PVD 코팅 (CrN, TiAlN), 배출 시험 (Ejection Test)

Keywords

  • HPDC
  • 알루미늄 합금 주조
  • 열간 공구강
  • PVD 코팅
  • 플라즈마 질화
  • 갤링 (Galling)
  • 솔더링 (Soldering)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 퀀칭 및 템퍼링된 H11 열간 공구강을 기본 소재로 사용하였으며, 표면 처리 조건에 따라 플라즈마 질화(PN), CrN PVD 코팅, TiAlN PVD 코팅 시편을 제작하였습니다. 실험은 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS) 두 가지 구성의 배출 시험을 통해 수행되었습니다. CS 조건은 320°C로 예열된 금형에 730°C의 알루미늄 용탕을 주입하는 방식이며, DS 조건은 금형을 600°C로 예열하고 주입 후 700°C로 가열된 로에서 20분간 유지하여 금속 간 화학적 상호작용을 극대화했습니다. 시편의 표면 지형은 3D 스타일러스 프로필로메트리로 측정되었으며, 마모 및 솔더링 메커니즘 분석을 위해 SEM, FIB, EDS 및 XPS 분석이 병행되었습니다.

Key Findings

지연 응고(DS) 시험 결과, 미처리 H11 강철은 심각한 솔더링과 함께 배출력이 일반 응고(CS) 대비 약 120% 증가하는 현상을 보였습니다. 플라즈마 질화(PN) 시편은 미처리 강철보다 우수한 저항성을 보였으나, DS 조건에서 표면층의 박리(Spallation)가 관찰되었습니다. 반면, PVD 코팅(CrN, TiAlN) 시편은 두 실험 구성 모두에서 주조 합금과의 반응이 거의 나타나지 않아 가장 우수한 성능을 보였습니다. 특히, 연마된 PVD 코팅 시편은 DS 시험에서 배출력이 각각 47%(CrN) 및 42%(TiAlN) 감소하였는데, 이는 고온 노출 시 형성된 산화층(Cr2O3, Al2O3)이 화학적 불활성을 높이고 마찰을 줄였기 때문으로 분석되었습니다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 HPDC 금형 설계 시 표면 처리 선택의 중요성을 시사합니다. 기계적 솔더링이 지배적인 환경에서는 과도한 표면 연마가 오히려 배출력을 높일 수 있으므로 적절한 조도 관리가 필요합니다. 반면, 고온 및 장시간 접촉으로 인한 화학적 솔더링이 우려되는 부위에는 CrN 또는 TiAlN과 같은 PVD 코팅을 적용하고, 사용 전 제어된 산화 처리를 통해 보호 산화층을 형성함으로써 금형 수명 연장과 생산 효율 향상을 기대할 수 있습니다.


Theoretical Background

솔더링 마모 메커니즘 (Soldering Wear Mechanisms)

주조 합금의 솔더링 마모는 크게 기계적 솔더링과 금속학적 솔더링으로 구분됩니다. 기계적 솔더링은 금형 표면의 요철에 주조 합금이 끼어드는 갤링(Galling) 및 단순 부착 현상을 포함하며, 이는 주로 표면 조도와 물리적 접촉 특성에 의존합니다. 금속학적 솔더링은 용융된 알루미늄 합금과 금형 소재 사이의 화학적 상호작용 및 확산에 의해 발생하며, 금속 간 화합물(Intermetallic compounds) 층을 형성하여 매우 강력한 결합을 유도합니다. 이러한 화학적 반응은 온도가 높고 접촉 시간이 길어질수록 가속화되어 금형 표면의 영구적인 손상을 초래합니다.

PVD 코팅의 고온 산화 특성

CrN 및 TiAlN과 같은 질화물 기반 PVD 코팅은 고온 환경에서 대기 중의 산소와 반응하여 표면에 얇은 산화층을 형성합니다. CrN 코팅은 Cr2O3 층을, TiAlN 코팅은 Al2O3가 풍부한 산화층을 형성하는 경향이 있습니다. 이러한 산화층은 용융 알루미늄 합금에 대해 질화물 층보다 더 높은 화학적 불활성을 가지며, 금속 간 확산을 차단하는 장벽 역할을 수행합니다. 또한, 산화물 층은 일반적으로 질화물보다 낮은 마찰 계수를 가지므로 주조품 배출 시 필요한 힘을 감소시키는 효과를 제공합니다.

Figure 1. Schematic representation of the employed experimental casting methods
Figure 1. Schematic representation of the employed experimental casting methods

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 직경 15mm, 길이 100mm의 H11 강철 실린더 시편이 사용되었습니다. 시편은 미처리(H11), 플라즈마 질화(PN), CrN 코팅, TiAlN 코팅으로 준비되었으며, 코팅 시편은 추가로 다이아몬드 페이스트를 이용한 후연마(Post-polishing, PP) 공정을 거쳐 극도로 낮은 조도를 구현했습니다. 배출 시험은 ZDM 5/91 인장 시험기를 사용하여 주조품으로부터 시편을 뽑아낼 때 발생하는 하중-변위 곡선을 기록하는 방식으로 진행되었습니다. 주조 합금으로는 EN AC-46200 알루미늄 합금이 사용되었습니다.

Visual Data Summary

배출 시험 후 시편 표면 분석 결과, CS 조건에서는 모든 시편에서 단순 부착 및 갤링에 의한 솔더링 층이 관찰되었습니다. 그러나 DS 조건에서는 H11 시편에서 심각한 금속학적 반응으로 인한 깊은 분화구(Crater) 형태의 손상이 확인되었습니다. PN 시편은 DS 조건에서 표면 산화와 함께 국부적인 층 박리가 나타났습니다. PVD 코팅 시편은 DS 조건에서도 코팅층의 파손이나 화학적 반응 없이 표면에 얇고 불연속적인 알루미늄 부착층만 형성되었으며, 이는 코팅의 우수한 화학적 안정성을 입증합니다.

Figure 2. Appearance of the samples' surfaces exposed to the molten alloy after the ejection tests
Figure 2. Appearance of the samples’ surfaces exposed to the molten alloy after the ejection tests

Variable Correlation Analysis

표면 조도와 배출력 사이에는 밀접한 상관관계가 확인되었습니다. CS 조건에서 PVD 코팅 시편의 조도가 낮아질수록(연마된 상태) 오히려 배출력이 증가하는 경향을 보였는데, 이는 낮은 조도로 인해 실제 접촉 면적이 증가하고 접선 방향의 부착력이 강화되었기 때문입니다. 반면, DS 조건에서는 화학적 반응이 지배적이 되면서 조도보다는 표면의 화학적 성질이 더 중요한 변수로 작용했습니다. 특히 PVD 코팅 시편은 고온 노출에 의해 형성된 산화층이 화학적 결합을 억제하여, 조도가 낮음에도 불구하고 CS 조건보다 낮은 배출력을 기록하는 역전 현상이 발생했습니다.


Paper Details

Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting

1. Overview

  • Title: Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting
  • Author: Pal Terek, Lazar Kovacevic, Vladimir Terek, Zoran Bobic, Branko Skoric, Marko Zagoricnik, Aljaz Drnovsek
  • Year: 2025
  • Journal: SERBIATRIB ‘25 (19th International Conference on Tribology)

2. Abstract

최근 복잡한 알루미늄 합금 부품의 대량 생산을 위한 고압 다이캐스팅(HPDC) 기술의 적용이 확대되고 있습니다. 이에 따라 HPDC 금형 요소의 효율성과 마모 저항성에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다. 따라서 금형 표면에 하드 코팅 및 보호층을 적용하는 것은 큰 잠재력을 제공합니다. 보호층의 성능은 표면 지형, 코팅의 성장 결함 및 표면 화학의 가변적 특성에 크게 의존하며, 이러한 효과는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 본 연구에서는 EN X37CrMoV5-1 강철, 플라즈마 질화강, 그리고 듀플렉스 층 형태로 증착된 CrN 및 TiAlN PVD 코팅을 평가했습니다. 모든 시편은 동일한 수준의 표면 조도로 준비되었으며, 코팅된 시편은 추가적인 조도 단계로도 준비되었습니다. Al-Si-Cu 합금에서의 솔더링 및 마모 거동은 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS) 두 가지 구성으로 수행된 실험실 배출 시험을 통해 평가되었습니다. 실험 전후에 3D 프로필로메트리와 다양한 현미경 및 분광 기술을 사용하여 표면을 특성화했습니다. DS 실험에서 강철 시편은 심각한 솔더링과 매우 높은 배출력을 보였습니다. 플라즈마 질화 시편은 상당히 나은 거동을 보였으나 DS 실험에서 표면층의 박리가 발생했습니다. 두 실험 구성 모두에서 PVD 코팅은 강철 및 질화층보다 우수한 성능을 보였으며 주조 합금과 반응을 보이지 않았습니다. PVD 코팅의 주요 단점은 조도를 낮추면 CS 주조물로부터의 배출력이 상당히 증가한다는 것입니다. 그러나 후연마된 PVD 코팅에서 기록된 가장 높은 배출력은 DS 테스트에서 감소했습니다. 이는 CrN 및 TiAlN 코팅 모두에 산화층이 형성되어 주조 합금과의 화학적 상호작용 및 마찰을 크게 줄였기 때문입니다. 최적의 코팅 성능을 달성하기 위해서는 적절한 코팅 유형을 선택하는 것뿐만 아니라 표면 형태와 사용 중 코팅의 변형을 고려하는 것이 필수적입니다.

3. Methodology

3.1. 시편 준비: H11 열간 공구강(EN X37CrMoV5-1)을 퀀칭 및 템퍼링하여 φ15×100 mm 크기의 원통형 시편으로 제작하고, 6 및 3 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 정밀 연마를 수행함.
3.2. 표면 처리: ION 25I 장비를 사용하여 12시간 동안 펄스 플라즈마 질화를 수행하였으며, 이후 CrN은 열이온 아크 이온 플레이팅(BAI730)으로, TiAlN은 비대칭 마그네트론 스퍼터링(CC800/7)으로 증착함.
3.3. 배출 시험 구성: 일반 응고(CS, 금형 320°C)와 지연 응고(DS, 금형 600°C 예열 후 700°C 로에서 20분 유지) 두 가지 조건에서 알루미늄 합금을 주조하고 시편을 배출하여 하중을 측정함.
3.4. 표면 분석: 3D 스타일러스 프로필로메트리(Talysurf), 공초점 광학 현미경(CFM), FIB-SEM(Helios Nanolab 650i), EDS 및 XPS를 사용하여 시험 전후의 표면 상태 및 화학적 조성을 분석함.

4. Key Results

실험 결과, 미처리 H11 강철은 DS 조건에서 배출력이 CS 조건 대비 약 120% 급증하며 심각한 금속학적 솔더링을 보였습니다. 플라즈마 질화(PN) 시편은 강철보다 우수한 저항성을 나타냈으나, DS 조건에서 얇은 층의 박리가 발생하며 마모가 진행되었습니다. PVD 코팅(CrN, TiAlN)은 주조 합금과의 화학적 반응이 거의 없었으며, 특히 연마된 코팅 시편(PP)은 DS 조건에서 배출력이 크게 감소하는 특이점을 보였습니다. 이는 고온 노출 시 형성된 약 50nm 두께의 산화층(Cr2O3 등)이 윤활 및 확산 방지막 역할을 수행했기 때문입니다. 반면, 기계적 솔더링이 지배적인 CS 조건에서는 표면 조도가 낮을수록 배출력이 높아지는 경향이 확인되었습니다.

Figure List

  1. 그림 1. 사용된 실험적 주조 방법의 개략도 (CS 및 DS 방법)
  2. 그림 2. 배출 시험 후 용융 합금에 노출된 시편 표면의 외관
  3. 그림 3. DS 실험 후 H11 표면의 SEM 분석 (초기 표면, 솔더링 층, 분화구 위치 표시)
  4. 그림 4. DS 실험 후 PN 표면의 SEM(배면 산란 전자) 이미지
  5. 그림 5. DS 실험 후 a) CrN 및 b) TiAlN 시편 표면의 SEM 분석
  6. 그림 6. DS 실험 후 CrN-PP 시편의 a) FIB-SEM 단면 분석 및 b) EDS 라인 분석
  7. 그림 7. 모든 테스트 시편에 대해 두 가지 실험 구성에서 얻은 최대 배출력 값 및 Ra 조도 파라미터

References

  1. P. Terek et al., Wear 356–357 (2016) 122–134.
  2. J. Lin et al., Surf. Coatings Technol. 201 (2006) 2930–2941.
  3. A. Molinari et al., Surf. Coatings Technol. 126 (2000) 31–38.
  4. Z.W. Chen, Mater. Sci. Eng. A 397 (2005) 356–369.
  5. P. Terek et al., Tribol. Ind. 39 (2017).

Technical Q&A

Q: 지연 응고(DS) 시험이 일반 응고(CS) 시험과 비교하여 갖는 기술적 의의는 무엇인가?

DS 시험은 금형을 600°C로 예열하고 주조 후 고온의 로에서 20분간 유지함으로써, 실제 HPDC 공정보다 훨씬 가혹한 열적, 화학적 환경을 조성합니다. 이는 단순한 기계적 고착을 넘어 주조 합금과 금형 소재 사이의 금속학적 반응 및 확산 공정을 가속화하여, 장기적인 사용 환경에서 발생할 수 있는 화학적 솔더링 메커니즘을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있게 합니다.

Q: PVD 코팅 시편에서 표면 조도가 낮아질 때 배출력이 증가하는 이유는 무엇인가?

기계적 솔더링이 지배적인 CS 조건에서는 표면이 매끄러울수록(조도가 낮을수록) 주조 합금과 코팅 표면 사이의 실제 접촉 면적이 넓어집니다. 이로 인해 접선 방향의 부착 효과가 강화되어 배출 시 더 높은 힘이 요구됩니다. 따라서 기계적 마찰이 주된 문제인 경우, 극도의 연마보다는 적절한 수준의 조도를 유지하는 것이 배출력 감소에 유리할 수 있습니다.

Q: DS 시험에서 PVD 코팅 시편의 배출력이 오히려 감소한 물리적 근거는?

FIB-SEM 및 EDS 분석 결과, DS 시험의 고온 환경에서 CrN 및 TiAlN 코팅 표면에 약 50nm 두께의 얇은 산화층이 형성됨이 확인되었습니다. 이 산화물(Cr2O3, Al2O3)은 용융 알루미늄에 대해 화학적으로 매우 불활성이며, 질화물 코팅보다 낮은 마찰 계수를 가집니다. 이 층이 알루미늄과의 화학적 결합을 차단하는 장벽 역할을 하여 배출력을 42~47% 가량 감소시킨 것입니다.

Q: 플라즈마 질화(PN) 시편이 DS 조건에서 보인 주요 실패 모드는 무엇인가?

PN 시편은 미처리 H11 강철보다는 우수한 성능을 보였으나, DS 조건에서 표면 산화와 함께 얇은 층의 박리(Delamination) 현상이 관찰되었습니다. 이는 주조 합금이 산화된 질화층 표면에 결합한 후, 배출 과정에서 발생하는 전단 응력이 산화층 및 그 아래의 화합물층을 뜯어내면서 발생합니다. 이러한 박리 부위는 확산층까지 노출되어 추가적인 손상의 기점이 될 수 있습니다.

Q: 본 연구 결과가 실제 HPDC 산업 현장에 주는 핵심 권고 사항은?

단순히 코팅의 종류를 선택하는 것뿐만 아니라, 금형의 작동 온도와 접촉 시간을 고려한 표면 설계를 수행해야 합니다. 특히 화학적 솔더링이 우려되는 고온 부위에는 PVD 코팅을 적용하되, 사용 전 제어된 산화 처리를 통해 보호 산화층을 미리 형성하는 것이 배출 성능 최적화에 효과적입니다. 또한, 기계적 고착이 주된 부위에서는 과도한 후연마를 지양해야 합니다.

Conclusion

본 연구는 H11 열간 공구강의 솔더링 저항성을 향상시키기 위해 플라즈마 질화 및 PVD 코팅의 효능을 검증하였습니다. 실험 결과, PVD 코팅(CrN, TiAlN)은 가혹한 지연 응고 조건에서도 주조 합금과의 화학적 반응을 완벽히 차단하여 가장 우수한 성능을 입증하였습니다. 특히 고온 노출 시 형성되는 자생적 산화층이 배출력을 현저히 낮추는 긍정적인 역할을 수행함을 확인하였습니다. 이러한 결과는 HPDC 금형의 수명 연장을 위해 코팅의 화학적 안정성과 사용 중 발생하는 표면 변형을 동시에 고려해야 함을 시사하며, 향후 금형 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다.


Source Information

Citation: Pal TEREK, Lazar KOVACEVIC, Vladimir TEREK, Zoran BOBIC, Branko SKORIC, Marko ZAGORICNIK, Aljaz DRNOVSEK (2025). WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH Al-ALLOY CASTING. SERBIATRIB ‘25.

DOI/Link: 10.24874/ST.25.135

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Fig. 1. Example of typical casting tree design with ‘diablo’ type setup

백금 주조에서 공정 매개변수의 역할

백금 주조에서 공정 매개변수의 역할

The Role of Process Parameters in Platinum Casting

본 보고서는 백금 주얼리 합금의 주조 특성을 최적화하기 위해 공정 매개변수가 미치는 영향을 분석한 연구 결과를 담고 있다. 기술적 기여도 측면에서 합금 조성과 매몰재 특성에 따른 주조 결함 제어 방안을 제시한다.

Paper Metadata

  • Industry: 주얼리 제조 (Jewellery Manufacturing)
  • Material: 백금 합금 (Pt-5Co, Pt-5Ru)
  • Process: 정밀 주조 (Investment Casting)

Keywords

  • 백금 주조
  • Pt-5Co
  • Pt-5Ru
  • 정밀 주조
  • 수축 기공
  • 폼 필링
  • 공정 최적화

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 TopCast TCE10 진공 원심 주조기와 Indutherm MC 15 틸팅 주조기를 사용하여 실험적 프레임워크를 구성하였다. 10 kW 출력의 유도 가열 방식을 적용하였으며, 용탕 온도는 퀼트 파이로미터를 통해 정밀하게 모니터링되었다. 주조 트리는 ‘diablo’ 유형의 설계를 채택하였고, 미세 형상 충전성을 평가하기 위한 격자(grid) 구조와 중량물 섹션을 대표하는 볼 링(ball ring) 기하학 구조를 표준 시편으로 사용하였다.

실험에는 서로 다른 공급업체에서 제공한 4가지 유형의 매몰재가 사용되었으며, 각 매몰재의 혼합 시간, 작업 시간, 소성 온도 등의 물리적 특성을 비교 분석하였다. 주조 분위기(공기 및 진공), 플라스크 온도, 원심 속도 등의 변수를 체계적으로 변화시키며 합금별 최적 공정 조건을 도출하기 위한 실험 설계를 수행하였다.

Fig. 1. Example of typical casting tree design
with ‘diablo’ type setup
Fig. 1. Example of typical casting tree design with ‘diablo’ type setup

Key Findings

Pt-5Co 합금은 850°C의 상대적으로 낮은 플라스크 온도에서도 우수한 폼 필링 능력을 나타냈으나, 매몰재와의 반응으로 인해 표면에 코발트 규산염(cobalt silicate) 층이 형성되는 것이 확인되었다. 반면 Pt-5Ru 합금은 미세 형상을 완전히 충전하기 위해 950°C 이상의 높은 플라스크 온도가 요구되었으며, 원심 속도 증가에 따라 충전성이 크게 향상되는 경향을 보였다.

수축 기공 분석 결과, Pt-5Co는 소수의 대형 기공이 발생하는 반면 Pt-5Ru는 수지상 돌기 사이에 분산된 미세 기공이 관찰되었다. 매몰재 No. 4를 사용했을 때 두 합금 모두에서 가장 낮은 수준의 수축 기공이 발생하였는데, 이는 해당 매몰재의 낮은 열전도율이 용탕의 균일한 냉각을 유도했기 때문으로 분석된다. 정량적 데이터에 따르면 플라스크 온도가 상승할수록 표면 거칠기와 매몰재 혼입 빈도가 증가하는 상관관계가 입증되었다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 백금 주얼리 제조 공정에서 제품의 기하학적 복잡성에 따른 합금 선택 가이드를 제공한다. 미세한 필리그리(filigree) 제품 생산 시에는 Pt-5Co가 유리하지만 표면 반응 제어가 필수적이며, 중량물 주조 시에는 수축 기공 제어를 위해 매몰재의 열적 특성을 고려한 공정 설계가 필요하다.

또한, 실험적으로 확인된 최적 플라스크 온도와 주조 매개변수는 생산 현장에서 불량률을 감소시키고 후처리 공정의 효율성을 높이는 데 직접적으로 활용될 수 있다. 특히 고가의 백금 소재를 다루는 공정에서 실험적 시행착오를 줄이기 위한 기초 데이터로서 산업적 가치가 높다.


Theoretical Background

합금의 응고 범위와 편석 현상

백금 합금의 주조 특성은 수지상 돌기(dendrite)의 형태와 응고 범위에 의해 결정된다. Thermo-Calc 소프트웨어를 이용한 열역학적 계산 결과, Pt-5Co와 Pt-5Ru는 이론적으로 유사한 융점 범위를 가지지만 실제 응고 과정에서의 편석(segregation) 거동은 상이하게 나타난다. Pt-5Co의 경우 편석으로 인해 실제 응고 범위가 Pt-5Ru보다 약 2배 넓게 형성되며, 이러한 넓은 응고 범위는 용탕의 유동성을 유지시켜 미세 형상 충전성을 향상시키는 주요 요인으로 작용한다. 그러나 코발트의 편석은 용탕 표면에서의 산화를 촉진하고 매몰재와의 화학적 반응성을 높이는 부작용을 동반한다.

매몰재와 용탕의 계면 반응

고온의 백금 용탕이 매몰재와 접촉할 때 발생하는 계면 반응은 주조품의 표면 품질을 결정하는 핵심 요소이다. 특히 Pt-5Co 합금은 주조 분위기와 관계없이 매몰재 내의 성분과 반응하여 청색의 코발트 규산염 층을 형성한다. EDX 분석을 통해 확인된 반응 생성물은 산화코발트와 코발트-마그네슘 규산염으로 구성되며, 이는 매몰재의 열적 안정성과 가스 투과성에 따라 반응 정도가 달라진다. 이러한 반응은 주조품의 치수 정밀도를 저하시키고 표면 세척 공정의 난이도를 높이는 원인이 된다.

Results and Analysis

Experimental Setup

주조 실험은 10 kW 출력의 유도 가열 장치가 장착된 TopCast TCE10 진공 원심 주조기에서 수행되었다. 작업 용량은 최대 1500 g이며, 가열 및 용해 과정 중 금속 온도는 퀼트 파이로미터를 사용하여 실시간으로 측정되었다. 실험에 사용된 주조 트리는 ‘diablo’ 설계를 적용하여 용탕의 분배 효율을 높였다.

매몰재는 R&R Platinum, Lane PT120, Gold Star Platin Cast, SRS Platinò 등 4종을 비교군으로 설정하였다. 각 매몰재는 고유의 혼합 및 작업 시간을 가지며, 소성 온도(burnout temperature)는 870°C에서 900°C 사이로 설정되었다. 시편의 기하학적 구조는 충전성 평가를 위한 격자 패턴과 기공 분석을 위한 볼 링 구조를 포함한다.

주조 후 시편은 광학 현미경과 금속 조직학적 분석법을 통해 평가되었으며, 표면 결함 및 매몰재 반응물 분석을 위해 주사 전자 현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)이 활용되었다.

Visual Data Summary

SEM 관찰 결과, Pt-5Co 합금의 표면에서는 매몰재 성분과 결합된 복합 산화물 층이 뚜렷하게 관찰되었으며, 이는 격자 구조의 미세한 틈새까지 침투한 양상을 보였다. Pt-5Ru 합금의 경우 표면 반응은 적었으나, 플라스크 온도가 낮을 때 격자 끝부분이 미충전된 상태가 시각적으로 확인되었다. 볼 링 시편의 단면 분석에서는 수축 기공의 형태학적 차이가 극명하게 나타났는데, Pt-5Co는 구형의 대형 기공이 중심부에 집중된 반면 Pt-5Ru는 수지상 구조를 따라 미세하게 분산된 기공 네트워크를 형성하였다. 또한, 매몰재 No. 4를 사용한 시편에서는 다른 매몰재 대비 표면의 매몰재 혼입(inclusion) 현상이 현저히 감소한 것이 시각적으로 입증되었다.

Variable Correlation Analysis

플라스크 온도와 폼 필링율 사이에는 강한 양의 상관관계가 존재하며, 특히 Pt-5Ru 합금에서 이러한 경향이 두드러졌다. 플라스크 온도가 850°C에서 950°C로 상승함에 따라 Pt-5Ru의 격자 충전율은 급격히 증가하였으나, 동시에 표면 거칠기(roughness) 또한 비례하여 증가하는 상충 관계(trade-off)가 관찰되었다.

원심 속도는 미세 형상 충전에는 긍정적인 영향을 미치지만, 과도한 속도는 매몰재의 기계적 파손을 유도하여 주조품 표면에 매몰재 입자가 박히는 결함을 유발한다. 주조 분위기의 경우, 진공 상태가 공기 중 주조보다 미세 형상 충전에는 유리했으나 Pt-5Co의 산화 반응을 완전히 차단하지는 못하는 것으로 분석되었다.

매몰재의 열전도율과 수축 기공 발생량 사이의 상관 분석에서는 열전도율이 낮은 매몰재가 용탕의 냉각 속도를 늦추어 수축 결함을 완화하는 데 기여한다는 점이 확인되었다. 이는 매몰재 No. 4가 가장 우수한 기공 제어 성능을 보인 기술적 근거가 된다.

Fig. 3. (a) Investment reactions of Pt-5Co (flask temperature 850ºC); (b) and (c) energy dispersive X-ray (EDX)
analysis of reaction products on position 1 (cobalt oxide) and position 2 (cobalt-magnesium silicate)
Fig. 3. (a) Investment reactions of Pt-5Co (flask temperature 850ºC); (b) and (c) energy dispersive X-ray (EDX)
analysis of reaction products on position 1 (cobalt oxide) and position 2 (cobalt-magnesium silicate)

Paper Details

The Role of Process Parameters in Platinum Casting

1. Overview

  • Title: The Role of Process Parameters in Platinum Casting
  • Author: Ulrich E. Klotz, Tiziana Drago
  • Year: 2011
  • Journal: Platinum Metals Rev.

2. Abstract

백금은 물리적 특성으로 인해 용해 및 주조 과정에서 도가니 및 플라스크 반응, 높은 수축 기공, 미세 형상 충전의 어려움이 발생하는 까다로운 재료이다. 본 논문은 여러 산업 파트너와 FEM의 협력 연구를 통해 주조 공정 매개변수의 영향에 대해 요약한다. 두 가지 일반적인 백금 주얼리 합금(Pt-5Co 및 Pt-5Ru)과 네 가지 서로 다른 매몰재를 사용하여 분위기, 주조 및 플라스크 온도, 트리 설계, 원심 주조기 매개변수를 변화시키며 주조 실험을 수행하였다. 상세한 샘플 조사를 통해 수축 기공과 표면 결함이 주요 문제임을 확인하였다. 중량물 및 미세 형상 부품에 대한 최적화된 공정 매개변수가 식별되었다. 향후 백금 주조 연구는 실험적 노력과 비용을 줄이기 위해 주조 시뮬레이션에 집중해야 한다.

3. Methodology

3.1. 합금 및 매몰재 선정: 주얼리 산업에서 널리 사용되는 Pt-5Co와 Pt-5Ru 합금을 선정하고, 물리적 특성이 다른 4종의 매몰재를 실험군으로 구성함.
3.2. 주조 실험 설계: 진공 원심 주조기와 틸팅 주조기를 사용하여 용탕 온도, 플라스크 온도, 주조 분위기 등의 변수를 제어하며 표준 시편(격자 및 볼 링)을 주조함.
3.3. 품질 평가 및 분석: 주조된 샘플의 표면 품질, 수축 기공, 계면 반응을 광학 현미경, 금속 조직학 분석, SEM/EDX를 통해 정밀 분석함.

4. Key Results

Pt-5Co 합금은 낮은 플라스크 온도에서도 우수한 충전성을 보였으나 매몰재와의 화학적 반응으로 인해 표면 품질 저하가 관찰되었다. Pt-5Ru 합금은 미세 형상 충전을 위해 950°C 이상의 높은 플라스크 온도가 필수적이며, 원심 주조 방식이 틸팅 방식보다 충전 성능이 우수했다. 수축 기공은 모든 실험군에서 주요 결함으로 나타났으나, 열전도율이 낮은 특정 매몰재(No. 4)를 사용했을 때 기공 발생이 최소화되었다. 또한, 플라스크 온도가 높아질수록 충전성은 개선되지만 매몰재 혼입과 표면 거칠기가 심화되는 경향을 보였다.

Figure List

  1. Fig 1. ‘diablo’ 유형의 설계를 적용한 전형적인 주조 트리 예시
  2. Fig 2. Pt-5Co 및 Pt-5Ru의 플라스크 온도에 따른 격자 충전율 변화
  3. Fig 3. Pt-5Co의 매몰재 반응물 SEM 이미지 및 EDX 분석 결과
  4. Fig 4. Pt-5Ru 합금 표면에 관찰된 매몰재 입자 혼입 현상
  5. Fig 5. 수축으로 인해 수지상 구조가 드러난 Pt-5Ru의 무광택 표면
  6. Fig 6. 볼 링 시편 내 Pt-5Co와 Pt-5Ru의 수축 기공 형태 비교

References

  1. N. Swan, Jewellery in Britain, 2004, (19), 5
  2. N. Swan, Platinum Metals Rev., 2007, 51, (2), 102
  3. G. Ainsley, A. A. Bourne and R. W. E. Rushforth, Platinum Metals Rev., 1978, 22, (3), 78
  4. U. E. Klotz and T. Drago, “The Role of Process Parameters in Platinum Casting”, Santa Fe Symposium, 2010, pp. 287–326

Technical Q&A

Q: Pt-5Co 합금이 Pt-5Ru보다 미세 형상 충전성이 우수한 이유는 무엇입니까?

Pt-5Co 합금은 응고 과정에서 발생하는 편석 현상으로 인해 실제 응고 범위가 Pt-5Ru보다 약 2배 정도 넓게 형성됩니다. 이러한 넓은 응고 범위는 용탕이 완전히 고체화되기 전까지 유동성을 유지할 수 있는 시간을 확보해주기 때문에, 낮은 플라스크 온도에서도 미세한 격자 구조를 더 효과적으로 채울 수 있게 합니다.

Q: Pt-5Co 주조 시 표면에 발생하는 청색 층의 원인과 성분은 무엇입니까?

이 청색 층은 합금 내의 코발트 성분이 매몰재와 화학적으로 반응하여 생성된 결과물입니다. SEM 및 EDX 분석 결과, 이 층은 산화코발트(cobalt oxide)와 코발트-마그네슘 규산염(cobalt-magnesium silicate)으로 구성되어 있으며, 주조 분위기와 관계없이 발생하는 특징이 있습니다.

Q: 수축 기공 결함을 최소화하기 위해 가장 권장되는 매몰재 특성은 무엇입니까?

본 연구에서는 열전도율이 낮은 매몰재(실험군 No. 4)를 사용했을 때 수축 기공이 가장 적게 발생했습니다. 낮은 열전도율은 용탕의 냉각 속도를 늦추어 보다 균일한 응고를 유도하며, 이는 수축으로 인한 기공 형성을 억제하는 데 효과적인 것으로 분석되었습니다.

Q: Pt-5Ru 합금으로 미세한 필리그리 제품을 주조할 때 최적의 플라스크 온도는 얼마입니까?

실험 결과 Pt-5Ru 합금은 플라스크 온도가 낮을 경우 충전 불량이 빈번하게 발생했습니다. 미세 형상을 완전히 구현하기 위한 최적의 플라스크 온도는 950°C로 확인되었으며, 이 온도에서 원심 주조 방식을 병행할 때 가장 우수한 충전율을 보였습니다.

Q: 주조기 유형(원심 vs 틸팅)에 따라 주조 품질에 어떤 차이가 있습니까?

원심 주조기(TopCast TCE10)는 틸팅 주조기(Indutherm MC 15)보다 미세 형상 충전성 면에서 월등히 우수한 결과를 나타냈습니다. 특히 Pt-5Ru와 같이 충전이 까다로운 합금의 경우, 원심력에 의한 압력이 용탕을 미세 구조 내부로 밀어 넣는 데 더 효과적인 것으로 입증되었습니다.

Conclusion

본 연구를 통해 백금 주조 공정에서 합금 조성과 매몰재 선택, 그리고 플라스크 온도가 최종 주조 품질에 미치는 영향이 명확히 규명되었다. Pt-5Co는 우수한 충전성을 제공하지만 표면 반응 제어가 과제이며, Pt-5Ru는 고온 공정 조건이 필수적임을 확인하였다. 수축 기공은 여전히 해결해야 할 주요 결함이지만, 매몰재의 열적 특성 최적화를 통해 상당 부분 완화가 가능하다.

결론적으로, 고품질 백금 주조품 생산을 위해서는 제품의 형상에 따른 차별화된 공정 매개변수 설정이 요구된다. 향후 연구는 실험적 비용 절감과 정밀한 결함 예측을 위해 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 도입하고, 이를 실제 주조 데이터와 결합하여 공정의 신뢰성을 높이는 방향으로 진행되어야 한다.


Source Information

Citation: Ulrich E. Klotz, Tiziana Drago (2011). The Role of Process Parameters in Platinum Casting. Platinum Metals Rev..

DOI/Link: https://doi.org/10.1595/147106711X540373

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Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석

AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화

AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

본 보고서는 고압 다이캐스팅 공정에서 주입구(Pouring slot)의 기하학적 구조가 주조 품질에 미치는 영향을 수치 해석 시뮬레이션을 통해 분석한 연구를 다룹니다. 특히 AZ91D 마그네슘 합금을 대상으로 주입구 너비 변화에 따른 유동 속도 및 기공 결함의 상관관계를 규명하여 산업적 공정 최적화 방안을 제시합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 주조 및 금속 가공 (Foundry and Metal Processing)
  • Material: AZ91D 마그네슘 합금 (AZ91D Magnesium Alloy)
  • Process: 고압 다이캐스팅 (Pressure Die Casting)

Keywords

  • AZ91D
  • 마그네슘 합금
  • 고압 다이캐스팅
  • MAGMASoft
  • 수치 시뮬레이션
  • 주입구 최적화
  • 기공 분석

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 MAGMASoft 소프트웨어를 활용하여 핫 챔버(Hot chamber) 방식의 고압 다이캐스팅 공정을 모델링하였습니다. 시뮬레이션 모델에는 금형의 냉각 채널, 공기 배출구(Vents), 오버플로우(Overflows)가 포함되었으며, STL 이진 포맷을 통해 지오메트리를 구성하였습니다. 특히 실제 공정의 열적 평형 상태를 모사하기 위해 수십 회의 주조 사이클을 반복 계산하여 금형의 온도 분포를 안정화한 후 최종 해석을 수행하였습니다.

Key Findings

주입구 너비를 1mm에서 1.4mm로 변경함에 따라 주입구에서의 용탕 유속이 220 m/s에서 98 m/s로 약 55% 감소하였습니다. 1mm 너비에서는 과도한 유속으로 인해 금속 분사(Metal spraying) 현상이 발생하여 공기 혼입과 기공 결함이 주물 내부에서 다수 발견되었습니다. 반면, 1.4mm 너비에서는 용탕이 피스톤과 같은 압축 유동을 형성하여 공기를 외부로 효과적으로 밀어냄으로써 주물 내부의 결함을 제거하고 기공을 오버플로우 영역으로 국한시키는 결과를 얻었습니다.

Industrial Applications

이 연구 결과는 마그네슘 합금 다이캐스팅 금형 설계 단계에서 주입구 설계를 최적화함으로써 실제 금형 제작 후 발생할 수 있는 수정 비용을 절감하는 데 기여합니다. 또한, 고속 유동에 의한 금형 침식(Erosion)을 방지하여 금형 수명을 연장하고 주조품의 기계적 신뢰성을 확보하는 공정 가이드라인으로 활용될 수 있습니다.


Theoretical Background

수치 해석 기반 주조 시뮬레이션

주조 시뮬레이션은 초기 Fourier-Kirchhoff 방정식을 기반으로 한 단순 열 흐름 해석에서 발전하여, 현재는 금속 유동과 열 교환을 동시에 고려하는 수치 해석 모델을 사용합니다. 이는 온도 맵(Temperature maps)과 응고 조건을 결합하여 복잡한 금형 내부의 물리적 현상을 예측합니다. 특히 고압 다이캐스팅과 같이 고속으로 용탕이 주입되는 공정에서는 난류 유동과 공기 배출 메커니즘을 정확히 모사하는 것이 품질 예측의 핵심입니다.

AZ91D 마그네슘 합금의 특성

AZ91D는 우수한 주조성, 물리적 강도 및 내식성 덕분에 다이캐스팅 분야에서 가장 널리 사용되는 마그네슘 합금입니다. 그러나 액체 상태에서 산소와 결합하려는 친화력이 매우 높아 격렬한 산화 반응을 일으키는 특성이 있습니다. 따라서 용해 및 주입 과정에서 산소 접촉을 차단하는 보호 가스 기술이 필수적이며, 시뮬레이션 시에도 이러한 재료적 특성과 유동성을 고려한 파라미터 설정이 요구됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

시뮬레이션은 MAGMASoft를 사용하여 수행되었으며, AZ91D 합금의 화학 조성과 열물리적 데이터를 입력하였습니다. 플런저 속도는 4 m/s로 고정하였으며, 주입구 너비를 1mm와 1.4mm 두 가지 조건으로 설정하여 비교 분석하였습니다. 금형 모델은 슬라이드, 냉각 채널, 반할 금형(Half-moulds)을 포함하며, 계산 효율을 높이기 위해 동일 재질의 부품은 단일 입체 형상으로 통합하여 최적화하였습니다.

Figure 1: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1mm 주입구)
Figure 1: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1mm 주입구)

Visual Data Summary

Figure 1과 Figure 3의 비교 분석 결과, 1mm 주입구 조건에서는 용탕이 금형 내부에서 불규칙하게 분사되며 공기를 가두는 현상이 관찰되었습니다. 반면 1.4mm 조건에서는 용탕이 조밀한 유동(Compact flow)을 형성하며 전진하는 양상을 보였습니다. Figure 2와 Figure 4의 기공 분포 데이터는 1.4mm 조건에서 주물 본체의 기공이 거의 사라지고, 잔류 공기가 오버플로우 영역으로 완전히 배출되었음을 시각적으로 증명합니다.

Variable Correlation Analysis

주입구 너비와 유동 속도는 반비례 관계에 있으며, 이는 주조 결함 발생률과 직결됩니다. 1mm 너비에서 발생한 220 m/s의 초고속 유동은 금형 표면의 침식을 가속화할 뿐만 아니라 난류를 유발하여 미충전(Misruns) 및 기공(Porosity) 결함을 생성합니다. 주입구 너비를 1.4mm로 확장함으로써 유속을 100 m/s 이하로 제어할 수 있었으며, 이는 안정적인 충전 패턴을 유도하여 최종 주조품의 건전성을 확보하는 결정적 요인이 되었습니다.


Paper Details

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

1. Overview

  • Title: OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY
  • Author: Grzegorz Piwowarski, Witold K. Krajewski, Janusz Lelito
  • Year: 2010
  • Journal: METALLURGY AND FOUNDRY ENGINEERING

2. Abstract

압력 다이캐스팅은 시작 이래로 지속적인 발전을 거듭해 왔습니다. 주조품 제조에 새로운 재료가 사용됨에 따라 기술도 함께 발전하고 있습니다. 의심할 여지 없이, 특히 압력 기계 설계와 관련하여 가장 큰 기술적 변화는 금형 캐비티 내로의 금속 주입 사이클을 3단계로 나눈 것이었습니다. 그 결과 제조된 부품의 품질이 상당히 향상되었습니다. 압력 다이캐스팅 공정은 생산 기술 준비 비용, 특히 금형 제조 비용으로 인해 생산 초기 단계부터 구체적인 접근 방식이 필요하며, 이는 완성된 금형에 주요 변경 사항을 도입하는 능력을 제한합니다. 따라서 사용된 기술이 실패할 경우 새로운 금형 전체 또는 내부 패드만이라도 새로 제작해야 하므로 비용이 크게 증가합니다. 그러나 정보 기술의 발전으로 엔지니어는 컴퓨터 메모리 상의 가상 모델을 통해 특정 부품의 주조 시험을 수행할 수 있게 되었습니다. 이러한 시험은 비용을 발생시키지 않으며 주조 공정 파라미터와 제조된 주물의 품질을 모두 평가할 기회를 제공합니다. 또한 설계 단계에서 주조 기술을 최적화하여 하나 이상의 성능 지표를 개선할 수 있습니다. 이 과정은 수치 해석 방법과 이를 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션의 도입 덕분에 상당히 개선되었습니다. 주조 공정의 컴퓨터 시뮬레이션 분야에서는 1980년대 후반에 상당한 진전이 이루어졌습니다. 초기 시뮬레이션 프로그램은 Fourier-Kirchhoff 방정식의 단순한 형태를 기반으로 했으며 주물-금형 시스템의 열 흐름을 단순화된 방식으로만 설명할 수 있었습니다. 이러한 프로그램은 금형 캐비티 주조 과정 중 금속의 움직임을 고려하지 않았습니다.

3. Methodology

3.1. 파라미터 수집: 시뮬레이션 수행에 필요한 압력 기계 유형, 합금 등급 및 온도, 플런저 이동 속도 등의 데이터를 수집함.
3.2. 모델 준비: 주물 및 금형의 지오메트리를 STL 이진 포맷으로 저장하고 시뮬레이션 프로그램에 로드함.
3.3. 그리드 최적화: 얇은 벽 결함을 제거하기 위해 “그리드 조밀화(Grid densification)” 기술을 적용하여 계산 격자를 정밀하게 조정함.
3.4. 열적 안정화: 실제 공정 조건과 유사한 결과를 얻기 위해 수십 회의 주조 사이클을 반복하여 금형의 열적 상태를 안정화함.

4. Key Results

1mm 너비의 주입구를 사용한 첫 번째 시뮬레이션에서는 유속이 220 m/s에 도달하여 금형 침식과 공기 혼입을 유발하는 것으로 나타났습니다. 반면 주입구 너비를 1.4mm로 확장한 두 번째 시뮬레이션에서는 유속이 98 m/s로 감소하였습니다. 이로 인해 금속 분사 현상이 억제되고 용탕이 공기를 외부로 밀어내는 피스톤 효과가 발생하였습니다. 결과적으로 주물 내부의 기공이 제거되었으며, 잔류 기공은 가공 시 제거되는 오버플로우 영역으로 이동하여 결함 없는 주조품을 얻을 수 있었습니다.

Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석
Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석

5. Mathematical Models

Not described in the paper

Figure List

  1. Figure 1: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1mm 주입구)
  2. Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석
  3. Figure 3: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1.4mm 주입구)
  4. Figure 4: 두 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석

References

  1. Dańko J.: Maszyny i urządzenia do odlewania pod ciśnieniem, Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2000
  2. Ignaszak Z.: Virtual prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002
  3. http://www.alpha.krakow.pl (10.09.2007)
  4. Piwowarski G.: Optymalizacja technologii wytwarzania odlewu podczas odlewania ciśnieniowego stopów magnezu, AGH, Kraków 2008

Technical Q&A

Q: 주입구 너비가 1mm일 때 발생하는 가장 심각한 기술적 문제는 무엇입니까?

주입구 너비가 1mm일 경우 용탕의 유속이 약 220 m/s까지 상승합니다. 이러한 과도한 유속은 금형 표면에 상당한 침식(Erosion)을 일으켜 금형 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 용탕이 분사되는 현상을 유발하여 공기를 내부에 가두고 심각한 기공 결함을 발생시킵니다.

Q: 시뮬레이션에서 수십 회의 주조 사이클을 반복하는 이유는 무엇입니까?

금형의 열적 파라미터를 실제 공정 조건과 최대한 유사하게 맞추기 위함입니다. 금형은 주조가 반복됨에 따라 가열과 냉각(이형제 살포 등)을 거치며 특정 온도 범위에서 안정화됩니다. 이러한 안정화된 조건에서 시뮬레이션을 수행해야만 최적으로 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

Q: 1.4mm 주입구 조건에서 공기 배출이 개선되는 메커니즘은 무엇입니까?

주입구 너비가 넓어지면 유속이 약 98 m/s로 감소하며 용탕이 더 조밀한 유동(Compact flow)을 형성합니다. 이 조밀한 유동은 금형 캐비티 내에서 피스톤처럼 작동하여 공기를 가두지 않고 점진적으로 외부로 밀어내는 역할을 수행하여 공기 배출 효율을 높입니다.

Q: 시뮬레이션 모델링에서 “그리드 조밀화(Grid densification)”가 필요한 이유는 무엇입니까?

주물과 오버플로우 사이의 연결부와 같이 얇은 벽(Thin walls)이 형성되는 영역은 수치 해석 시 불안정성을 초래할 수 있습니다. 그리드 조밀화를 통해 이러한 특정 좌표의 격자를 정밀하게 재구성함으로써 해석의 정확도를 높이고 수치적 오류를 방지할 수 있습니다.

Q: 시뮬레이션 결과에서 기공이 오버플로우 영역에 집중되는 것이 왜 유리합니까?

오버플로우(및 라이저)는 주조 완료 후 본체에서 절단되어 제거되는 부분이기 때문입니다. 기공 결함이 주물 본체가 아닌 오버플로우 영역으로 몰리게 되면, 최종 제품은 결함이 없는 상태(Flawless)로 유지될 수 있어 품질 관리 측면에서 매우 유리합니다.

Conclusion

본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 고압 다이캐스팅 공정에서 주입구 너비가 주조 품질을 결정짓는 핵심 변수임을 입증하였습니다. 주입구 너비를 적절히 확장함으로써 유속을 제어하고 공기 혼입을 방지하여 결함 없는 AZ91D 마그네슘 합금 주조품을 얻을 수 있었습니다. 이는 컴퓨터 시뮬레이션이 실제 금형 제작 전 설계 최적화를 통해 비용을 절감하고 생산성을 높이는 강력한 도구임을 시사합니다.


Source Information

Citation: Grzegorz Piwowarski, Witold K. Krajewski, Janusz Lelito (2010). OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY. METALLURGY AND FOUNDRY ENGINEERING.

DOI/Link: Not described in the paper

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Figure 7 Microstructure of casting specimens at different pouring temperatures

ZL205A 금속 금형 주조의 미세조직 상 분석 및 공정 최적화

ZL205A 금속 금형 주조의 미세조직 상 분석 및 공정 최적화

Microstructure Phase Analysis and Process Optimization of ZL205A Metal Mold Casting

본 연구는 무기 체계의 핵심 구성 요소인 탄체 구동 구조물에 사용되는 ZL205A 고강도 알루미늄 합금의 주조 품질을 개선하기 위한 공정 분석을 다룹니다. 대형 부품의 내부 충전 품질과 기계적 성질을 확보하기 위해 금속 금형 중력 주조 공정의 매개변수를 최적화하고, 미세조직 변화와 기계적 특성 간의 상관관계를 정량적으로 분석하여 산업적 적용 타당성을 검토하였습니다.

Paper Metadata

  • Industry: 국방 및 무기 제조 (Weaponry Industry)
  • Material: ZL205A 고강도 주조 알루미늄 합금
  • Process: 금속 금형 중력 주조 (Metal Mold Gravity Casting)

Keywords

  • ZL205A
  • 금속 금형 주조 (Metal type casting)
  • 조직 성능 (Organizational performance)
  • 기계적 성질 (Mechanical properties)
  • 공정 최적화 (Process optimization)
  • 알루미늄 합금 (Aluminum alloy)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 높이 800mm, 외경 332mm, 중량 약 135kg에 달하는 대형 탄체 전송 부품을 연구 대상으로 설정하였습니다. 실험 시스템은 금속 금형 중력 주조 기술을 기반으로 하며, 주입 온도(690~750°C), 주입 속도(1~4kg/s), 금형 예열 온도(220~280°C)를 주요 공정 변수로 설정하였습니다. 연구 방법론으로는 미세조직 관찰을 위한 금상 실험, T6 열처리 공정, 그리고 기계적 특성 평가를 위한 인장 시험을 포함하며, 최종적으로 직교 실험 설계(Orthogonal Experiment Design)를 통해 최적의 공정 조합을 도출하는 프레임워크를 구축하였습니다.

Figure 1
Bullet transmission structure part
Figure 1 Bullet transmission structure part

Key Findings

실험 결과, 주입 온도 710°C, 주입 속도 2kg/s, 금형 예열 온도 260°C의 조합에서 가장 우수한 기계적 성질이 나타났습니다. 이 조건에서 항복 강도($\sigma_s$)는 457 MPa, 인장 강도($\sigma_b$)는 486 MPa, 연신율($\delta$)은 8.6%를 기록하였습니다. 미세조직 분석 결과, 주입 온도가 710°C일 때 결정립이 가장 미세화되었으며, 온도가 이보다 높거나 낮을 경우 조대 결정립이나 수축 결함이 발생하는 것이 확인되었습니다. 또한, 주입 속도가 2kg/s를 초과할 경우 기공 결함이 증가하는 경향을 보였습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 고하중을 견뎌야 하는 대형 무기 부품의 경량화를 실현하는 데 직접적으로 활용될 수 있습니다. 특히 강철을 대체하여 알루미늄 합금을 적용함으로써 무기 체계의 기동성을 향상시킬 수 있으며, 미성숙했던 ZL205A 합금의 대형 부품 주조 기술을 고도화하여 제조 수율을 높이는 데 기여합니다. 이는 방위 산업뿐만 아니라 고강도 경량 부품이 요구되는 항공우주 및 자동차 산업의 대형 주물 제조 공정에도 기술적 가이드라인을 제공합니다.


Theoretical Background

ZL205A 합금의 응고 특성

ZL205A 합금은 중국에서 독자적으로 개발한 고강도 주조 알루미늄 합금으로, 우수한 기계적 성질과 낮은 밀도를 가집니다. 그러나 다량의 합금 원소 첨가로 인해 응고 결정화 온도 범위가 최대 100°C에 달하며, 응고 과냉도가 작아 고체-액체 공존 구간이 넓게 형성됩니다. 이로 인해 응고 과정에서 조대 수지상 결정이나 등축정이 형성되기 쉽고, 액체 보충이 어려운 페이스트(Paste) 응고 모드를 나타냅니다. 이러한 특성은 주조 시 수축 결함, 편석 및 균열을 유발하는 주요 원인이 됩니다.

금속 금형의 냉각 효과 및 열전달

금속 금형 주조에서 금형의 예열 온도는 용탕의 냉각 속도와 응고 조직에 결정적인 영향을 미칩니다. 예열 온도가 낮을 경우 금형은 강력한 냉각판(Chill) 역할을 하여 용탕의 온도를 급격히 낮추고 응고 시간을 단축시키지만, 이는 용탕의 보충 흐름을 방해하여 수축 및 미충전 결함을 초래할 수 있습니다. 반면, 예열 온도가 너무 높으면 냉각 효과가 약화되어 응고 시간이 길어지고 결정립이 조대해지며 결정립계 사이의 간격이 넓어지는 현상이 발생합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 XQ-1형 금상 시편 매립기, PG-2D형 연마기, VHX-600E 광학 현미경 및 DDL300 전자 만능 재료 시험기가 사용되었습니다. ZL205A 합금 용탕은 730~750°C에서 정련 및 탈가스 처리를 거쳤으며, T6 열처리(375°C~538°C 단계적 가열 후 60°C 온수 퀜칭, 175°C 인공 시효)를 적용하여 시편을 준비하였습니다. 인장 시험은 2mm/min의 속도로 수행되었으며, 주물 하단부의 세 지점에서 시편을 채취하여 평균값을 산출하였습니다.

Figure 5
Preparation of tensile specimen
Figure 5 Preparation of tensile specimen

Visual Data Summary

광학 현미경 관찰 결과(Fig. 7-9), 주입 온도와 속도, 예열 온도 변화에 따른 조직 변화가 뚜렷하게 나타났습니다. 690°C의 낮은 주입 온도에서는 조대 등축정이 관찰되었으나, 710°C에서는 조직이 가장 미세하고 균일하게 분포되었습니다. 그러나 온도가 730°C 이상으로 높아지면 다시 결정립이 조대해지고 결정립계 간격이 넓어지는 경향을 보였습니다. 금형 예열 온도의 경우 260°C에서 가장 미세한 조직을 보였으며, 280°C에서는 결정립 성장이 두드러졌습니다.

Figure 7
Microstructure of casting specimens at different pouring temperatures
Figure 7 Microstructure of casting specimens at different pouring temperatures

Variable Correlation Analysis

공정 변수 간의 상관관계 분석 결과, 주입 속도는 용탕의 유동 상태와 충전 능력에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 낮은 주입 속도(1kg/s)에서는 금형의 강한 방열 효과로 인해 조기 응고가 발생하여 밀도가 낮아지는 문제가 발생했습니다. 반면, 높은 주입 속도(4kg/s)에서는 용탕의 비산과 가스 혼입으로 인해 기공 결함이 형성되었습니다. 주입 온도와 예열 온도는 응고 시간과 결정립 크기에 비선형적인 영향을 미치며, 특정 임계점(710°C, 260°C)에서 최적의 조직 미세화 효과를 나타냈습니다.


Paper Details

Microstructure Phase Analysis and Process Optimization of ZL205A Metal Mold Casting

1. Overview

  • Title: Microstructure Phase Analysis and Process Optimization of ZL205A Metal Mold Casting
  • Author: Liang Huang, Yadong Fang, Yan Cao, Panfeng Wang, Chenfei Wang, Lili Wu, MR Zakaria
  • Year: 2023
  • Journal: Research Square (Preprint)

2. Abstract

탄체 구동 구조 부품은 무기 산업의 전형적인 구성 요소로, 크기가 크고 벽 두께가 두꺼워 작동 시 큰 하중을 견뎌야 하므로 내부 충전 품질과 기계적 성질에 대해 매우 엄격한 수락 기준을 가집니다. 본 논문에서는 ZL205A 합금으로 제작된 탄성 전송 구조 부품을 연구 대상으로 삼아 금속 금형 중력 주조 기술을 이용한 시범 생산을 수행하고, 다양한 공정 매개변수 하에서 ZL205A 합금 성형 부품의 품질과 기계적 성질을 분석하였습니다. 공정 매개변수를 최적화하여 최적의 조합을 얻었으며, 내부 품질 결함이 적고 기계적 성질이 높은 대형 ZL205A 주물을 확보하였습니다. 이는 현재 중국 내 ZL205A 합금 대형 부품에 대한 주조 공정 기술의 미성숙 문제를 해결하고 무기 장비 제조 산업의 경량화 발전을 촉진하기 위함입니다.

3. Methodology

3.1. 시편 준비 및 금상 실험: 주물에서 10mm 입방체 시편을 절단하여 에탄올 세척 후 240#부터 미세 연마지까지 단계적으로 연마하고, 2.5% HNO3 + 1.5% HCl + 1% HF + 95% H2O 부식액으로 25초간 처리하여 미세조직을 관찰함.
3.2. T6 열처리 공정: 375°C(1.5h), 465°C(1h), 530°C(1h), 538°C(14h)의 단계적 가열 후 60°C 온수 퀜칭을 실시하고, 175°C에서 5.5h 동안 인공 시효를 수행함.
3.3. 기계적 인장 시험: 국가 표준에 따라 제작된 표준 인장 시편을 ddl300 만능 시험기에 장착하고 2mm/min의 속도로 인장하여 항복 강도, 인장 강도 및 연신율을 측정함.

4. Key Results

직교 실험 결과, L4 그룹(주입 온도 710°C, 주입 속도 2kg/s, 예열 온도 260°C)이 가장 우수한 성능을 보였습니다. 해당 조건에서의 인장 강도는 486 MPa로 L9 그룹(447 MPa) 대비 약 8.7% 향상되었으며, 연신율은 8.6%로 가장 높았습니다. 미세조직 측면에서는 주입 온도가 710°C일 때 결정립 미세화 효과가 극대화되었으며, 주입 속도가 2kg/s일 때 가스 혼입과 미충전 사이의 최적의 균형을 이루어 내부 결함이 최소화됨을 확인하였습니다.

Figure List

  1. 탄체 전송 구조 부품 (Bullet transmission structure part)
  2. 주물의 치수 도면 (Dimensional drawing of castings)
  3. 실험 흐름도 (Experimental flow)
  4. ZL205A 합금 시편의 열처리 공정 곡선 (Heat treatment process curve)
  5. 인장 시편 준비 (Preparation of tensile specimen)
  6. 실험 장비 (Experimental equipment)
  7. 다양한 주입 온도에서의 주물 시편 미세조직 (Microstructure at different pouring temperatures)
  8. 다양한 주입 속도에서의 주물 시편 미세조직 (Microstructure at different pouring speeds)
  9. 다양한 금형 예열 온도에서의 주물 시편 미세조직 (Microstructure at different mold preheating temperatures)

References

  1. AA. U.S. Army: Composites key to tougher, lighter armaments. (2015)
  2. AndrewRuys. 11 – Alumina in lightweight body armor. (2019)
  3. Alateng S, et al. High damage-tolerance bio-inspired ZL205A/SiC composites. (2017)
  4. Luo L, et al. Eliminating shrinkage defects in large thin-walled ZL205A alloy castings. (2021)
  5. Luo L, et al. Optimizing microstructure and mechanical performance of ZL205A alloys. (2021)

Technical Q&A

Q: ZL205A 합금 주조 시 발생하는 주요 결함과 그 원인은 무엇입니까?

ZL205A 합금은 응고 온도 범위가 넓어 액체 보충이 어려운 페이스트 응고 모드를 가집니다. 이로 인해 주조 시 수축(Shrinkage), 수축공(Shrinkage holes), 용질 응집에 의한 편석 및 균열 결함이 발생하기 쉽습니다. 특히 대형 부품의 경우 불균일한 냉각 속도로 인해 이러한 결함이 더욱 심화될 수 있습니다.

Q: 주입 온도가 미세조직에 미치는 영향은 어떠합니까?

주입 온도가 너무 낮으면(690°C) 용탕의 열량이 부족하여 조기 응고와 수축 결함이 발생합니다. 온도가 상승함에 따라 용탕의 유동성이 개선되고 조직이 미세화되지만, 710°C를 초과하면 용탕의 과도한 열량으로 인해 응고 시간이 길어지고 결정립이 다시 조대해지며 결정립계 사이에 틈이 생기는 결함이 나타납니다.

Q: 주입 속도를 2kg/s로 설정한 이유는 무엇입니까?

주입 속도가 2kg/s보다 낮으면 금형의 냉각 효과로 인해 용탕 온도가 급격히 떨어져 미충전이나 냉간 폐쇄 결함이 발생할 수 있습니다. 반면, 속도가 너무 빠르면 용탕의 비산(Splash)과 가스 혼입이 발생하여 내부에 기공(Porosity) 결함을 유발합니다. 따라서 2kg/s는 충전 능력 확보와 결함 억제 사이의 최적 속도입니다.

Q: 금형 예열 온도가 조직 품질에 미치는 역할은 무엇입니까?

금형 예열 온도는 용탕과 금형 사이의 온도 차이를 조절하여 냉각 속도를 제어합니다. 예열 온도가 적절하면(260°C) 용탕의 보충이 원활해져 수축 결함이 줄어들고 조직이 개선됩니다. 그러나 온도가 너무 높으면(280°C) 방열이 어려워져 응고 시간이 지연되고 결정립이 조대화되는 부작용이 발생합니다.

Q: 본 연구에서 도출된 최적의 기계적 성질 수치는 얼마입니까?

직교 실험을 통해 도출된 최적 공정 조건(710°C, 2kg/s, 260°C)에서 ZL205A 주물은 항복 강도 457 MPa, 인장 강도 486 MPa, 연신율 8.6%를 달성하였습니다. 이는 실험된 다른 공정 조합들에 비해 가장 높은 수치이며, 대형 부품의 요구 성능을 충족하는 결과입니다.

Conclusion

본 연구를 통해 ZL205A 합금 대형 부품의 금속 금형 주조 시 미세조직과 기계적 성질은 주입 온도, 주입 속도 및 금형 예열 온도에 의해 복합적으로 결정됨이 확인되었습니다. 특히 주입 온도 710°C, 주입 속도 2kg/s, 예열 온도 260°C의 최적 공정 조건을 도출함으로써, 내부 결함을 최소화하고 고강도 및 고연신율을 동시에 확보할 수 있는 기술적 토대를 마련하였습니다. 이러한 공정 최적화는 무기 체계의 경량화와 국산 주조 기술의 신뢰성 향상에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.


Source Information

Citation: Liang Huang, Yadong Fang, et al. (2023). Microstructure Phase Analysis and Process Optimization of ZL205A Metal Mold Casting. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2676075/v1

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Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour

고압 다이캐스팅 공정을 이용한 이종 금속 주조물의 주철-알루미늄 결합

고압 다이캐스팅 공정을 이용한 이종 금속 주조물의 주철-알루미늄 결합

Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 통해 알루미늄 기재와 주철 삽입재 간의 계면 결합 특성을 분석하였습니다. 특히 표면 처리 방식과 주조 공정 중의 열역학적 변수가 금속 간 결합 품질에 미치는 영향을 기술적으로 고찰하여 산업적 적용 가능성을 제시합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 자동차 엔진 제조 (Automotive Engine Manufacturing)
  • Material: A380 알루미늄 합금, HT250 회주철
  • Process: 고압 다이캐스팅 (High Pressure Die Casting, HPDC)

Keywords

  • High pressure die casting
  • Bimetallic casting
  • Bonding interface
  • Aluminum
  • Cast iron
  • Zinc coating
  • Intermetallic compounds

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 A380 알루미늄 합금 기재와 HT250 회주철 삽입재로 구성된 복합 주조물의 결합 품질을 개선하기 위해 수행되었습니다. 주철 삽입재에 대해 염막 도금(Salt membrane plating) 및 전기 아연 도금(Electrogalvanizing) 등 다양한 표면 처리 방법을 적용하여 비교 분석하였습니다. 실험은 UB1650iV 냉가압실 다이캐스팅기를 사용하였으며, 용탕 온도 650°C, 금형 온도 200°C, 증압 80MPa 조건에서 진행되었습니다. 계면 미세조직 분석을 위해 OM, SEM, EDS, TEM 장비를 활용하였으며, Anycasting 소프트웨어를 통해 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하여 공정 변수의 영향을 검증하였습니다.

Figure 2 Appearance of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) electrogalvanizing
Figure 2 Appearance of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) electrogalvanizing

Key Findings

아연 랙 도금(Zinc rack plating) 처리를 1시간 동안 수행했을 때 약 8μm 두께의 치밀한 아연 층이 형성되었으며, 이는 결함 없는 연속적인 금속 결합 계면을 생성하는 데 가장 효과적이었습니다. 결합 계면에서는 약 1μm 두께의 불규칙한 텅(tongue) 구조 반응층이 관찰되었으며, 이는 주로 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등의 금속 간 화합물로 구성되었습니다. 시뮬레이션 결과, 높은 용탕 유속과 적절한 열전달 조건이 계면의 아연 층 용해와 확산을 촉진하여 금속 결합 형성에 결정적인 역할을 함을 확인하였습니다. 반면, 표면 처리가 없거나 불충분한 경우 계면에 20μm 이상의 간극이 발생하여 결합에 실패하였습니다.

Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour
Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour

Industrial Applications

본 연구 결과는 알루미늄 엔진 실린더 블록 내 주철 라이너 결합과 같은 이종 금속 복합 부품 제조 공정에 직접적으로 적용될 수 있습니다. 특히 고압 다이캐스팅 공정에서 금속 결합을 달성하기 위한 삽입재의 최적 표면 처리 공정과 공정 변수 제어 지침을 제공합니다. 이는 부품의 경량화와 열전도율 향상을 동시에 달성해야 하는 자동차 산업의 기술적 요구를 충족시키는 데 기여합니다. 또한, 복잡한 형상의 주조물에서 위치별 결합 품질 차이를 예측하고 제어하는 데 유용한 기초 자료로 활용될 수 있습니다.


Theoretical Background

고체-액체 복합 주조의 금속 결합 메커니즘

고체-액체 복합 주조에서 진정한 의미의 결합은 계면 구역에서 주조 합금 성분이 고체 재료 내부로 확산되어 고용체를 형성하거나 반응상을 생성함으로써 이루어지는 금속 결합(Metallurgical bonding)을 의미합니다. 이종 금속 간의 결합은 열물리적 특성 차이와 고체 기재 표면의 산화막 형성으로 인해 달성하기 매우 어렵습니다. 산화막은 용탕과의 젖음성(Wettability)을 저해하여 불완전한 결합을 초래하므로, 이를 제거하거나 보호하기 위한 표면 처리가 필수적입니다. 본 연구에서는 이러한 산화 방지 및 확산 촉진을 위해 아연 코팅층을 도입하여 계면 반응을 유도하였습니다.

아연 코팅의 역할과 확산 거동

아연은 약 420°C의 낮은 융점과 고온 알루미늄에서의 높은 용해도를 가져 이종 금속 결합을 위한 코팅재로 적합합니다. 아연 코팅은 주철 기재의 산화를 방지하는 장벽 역할을 하며, 주조 과정에서 알루미늄 용탕에 용해 및 확산되어 신선한 금속 표면을 노출시킵니다. Fick의 확산 법칙에 따라 계면 반응층 내에서 Al과 Fe 원소의 농도는 구배를 형성하며 이동하며, 이는 안정적인 금속 간 화합물 층 형성을 유도합니다. 특히 아연 층의 두께와 치밀도는 용탕과의 반응 속도 및 최종 계면의 무결성을 결정하는 핵심적인 물리적 인자로 작용합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 A380 알루미늄 합금(Si 9.01%, Cu 3.25%)과 HT250 회주철(C 3.08%, Si 1.92%)이 사용되었습니다. 주철 삽입재는 샌드블라스팅 후 염막 도금 또는 전기 아연 도금(배럴 도금 및 랙 도금) 처리를 거쳤습니다. 다이캐스팅 공정은 용탕 주입 온도 650°C, 사출 압력 80MPa에서 수행되었으며, 플런저 속도는 저속 0.3m/s에서 고속 3.4m/s로 가속되었습니다. 삽입재는 주입 전 전자기 유도를 통해 200°C로 예열되어 용탕과의 온도 차이를 줄이고 확산 에너지를 확보하였습니다.

Visual Data Summary

아연 랙 도금 처리된 시편의 계면(A4, B2 지점)에서는 간극(Gap)이 없는 연속적인 반응층이 관찰되었습니다. 반면 표면 처리를 하지 않은 시편은 20μm 이상의 넓은 간극이 발생하여 결합에 실패하였습니다. SEM 분석 결과, 금속 결합이 형성된 구역에서는 아연 원소의 뚜렷한 응집이 나타나지 않았는데, 이는 아연이 응고 과정 중 용탕으로 충분히 용해 및 확산되었음을 시사합니다. TEM 분석을 통해 계면 반응층이 약 1μm 두께의 불규칙한 텅(tongue) 모양으로 형성되어 있음을 확인하였으며, 이는 기계적 결합력을 높이는 요소로 작용합니다.

Variable Correlation Analysis

시뮬레이션 분석 결과, 용탕의 유속이 빠를수록(A4 지점), 그리고 냉각 속도가 느릴수록(B2 지점) 금속 결합 형성에 유리한 것으로 나타났습니다. 높은 유속은 삽입재 표면에 강한 열 충격을 가해 아연 층의 용해를 촉진하며, 완만한 온도 하강은 원소 간의 확산 시간을 충분히 제공합니다. 반면 유속이 정체되거나 공기가 혼입되는 구역(A2)에서는 결합 품질이 저하되었습니다. 따라서 부품의 형상에 따른 용탕 흐름의 방향과 국부적인 열 이력이 결합 품질의 불균일성을 결정하는 주요 변수임을 확인하였습니다.


Paper Details

Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process

1. Overview

  • Title: Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process
  • Author: Mengwu Wu, Jinpeng Yang, Feng Huang, Lin Hua, Shoumei Xiong
  • Year: 2021
  • Journal: Research Square (Preprint) / The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

2. Abstract

알루미늄 기재와 주철 삽입재로 구성된 실용적인 이종 금속 주조물이 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 통해 제조되었습니다. 주철 삽입재의 결합 품질을 향상시키기 위해 염막 도금 및 전기 아연 도금을 포함한 다양한 표면 처리 방법이 채택되었습니다. 이종 금속 주조물의 서로 다른 위치에서 결합 계면에 대한 미세조직 특성 분석이 수행되었습니다. 결과에 따르면, 주철 삽입재 표면에 평균 두께 8μm의 치밀한 아연 코팅을 형성하는 아연 랙 도금 처리를 통해 HPDC 공정으로 결함이 없고 연속적인 금속 결합 계면을 가진 복합물을 성공적으로 제조할 수 있음을 보여줍니다. HPDC 공정 중 용탕 유속과 응고 시의 열전달은 이종 금속 주조물의 결합 무결성을 결정하는 두 가지 핵심 요소입니다. 응고 중 매우 얇은 아연 코팅의 용해 및 확산으로 인해 금속 결합 계면에서 아연 원소의 명백한 응집은 나타나지 않았습니다. 대신, 평균 두께 약 1μm의 불규칙한 텅(tongue) 모양의 반응층이 형성되었으며, 이는 주로 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등의 금속 간 화합물 상으로 구성됩니다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비 및 표면 처리: A380 알루미늄 합금과 HT250 회주철을 준비하고, 주철 표면의 산화물 제거를 위해 샌드블라스팅 및 화학 세척을 수행함.
3.2. 코팅 공정: 염막 도금 및 전기 아연 도금(배럴 및 랙 방식)을 적용하여 다양한 두께의 보호층을 형성함. 랙 도금은 1시간 동안 수행되어 8μm 두께를 확보함.
3.3. 고압 다이캐스팅: 삽입재를 200°C로 예열한 후 UB1650iV 장비를 사용하여 650°C의 알루미늄 용탕을 80MPa 압력으로 사출함.
3.4. 분석 및 시뮬레이션: OM, SEM, TEM을 이용한 계면 분석과 Anycasting을 이용한 유동 및 응고 해석을 병행하여 결합 메커니즘을 규명함.

4. Key Results

아연 랙 도금 처리는 8μm의 균일한 코팅을 형성하여 최상의 결합력을 보였으며, 계면 반응층은 약 1μm 두께로 형성되었습니다. EDS 분석 결과, 계면 반응층 내에서 Al과 Fe 원소의 농도가 Fick의 법칙에 따라 점진적으로 변화하는 확산 거동을 확인하였습니다. 시뮬레이션 결과, 유속이 빠르고 용탕 흐름이 계면과 평행한 위치(A4)에서 금속 결합이 가장 잘 형성되었으며, 이는 강한 열 충격이 아연 층의 용해를 촉진하기 때문입니다. 또한, 냉각 속도가 느린 구역(B2)에서도 원소 확산 시간이 충분히 확보되어 양호한 결합이 관찰되었습니다. 반면, 표면 처리가 없거나 불충분한 경우 계면에 산화물 잔류 및 큰 간극이 발생하여 기계적 일체화에 실패하였습니다.

5. Mathematical Models

계면에서의 원소 확산 거동은 Fick의 확산 법칙을 따르며, 농도 변화는 다음과 같은 미분 방정식으로 기술될 수 있습니다. C t = D 2 C x 2 여기서 C는 원소의 농도, t는 시간, D는 확산 계수, x는 계면으로부터의 거리를 나타냅니다.

Figure List

  1. Figure 1: 이종 금속 주조물의 구성 및 미세조직 분석 시편 추출 위치
  2. Figure 2: 다양한 표면 처리에 따른 회주철 삽입재의 거시적 형상
  3. Figure 3: 아연 도금 방식 및 시간에 따른 코팅층 단면 미세조직
  4. Figure 4: 회주철 삽입재의 표면 미세 형상 및 EDS 매핑 결과
  5. Figure 5: 표면 처리 방법에 따른 계면 A4 지점의 OM 이미지
  6. Figure 6: 금속 결합 계면의 고배율 SEM 이미지 및 EDS 라인 스캐닝 결과
  7. Figure 7: 랙 도금 처리된 주조물의 위치별 계면 미세조직 비교
  8. Figure 8: 계면 반응층의 TEM 명시야상 및 전자 회절 패턴 분석
  9. Figure 9: HPDC 공정 중 시간에 따른 금형 충전 시뮬레이션 결과
  10. Figure 10: 계면 위치별 용탕 유속 및 온도 변화 시뮬레이션 데이터
  11. Figure 11: 금속 결합 유무에 따른 계면의 아연 원소 EDS 매핑 비교

References

  1. Jiang SY, Zhang YQ, Zhao YA et al (2017). Int J Adv Manuf Technol 88(1-4):683–690.
  2. Shen YY, Jia Q, Zhang X et al (2021). Acta Metall Sin (Engl Lett) 34(7):932–942.
  3. Jin K, Yuan QW, Tao J et al (2019). Int J Adv Manuf Technol 101(1-4):147–155.
  4. Hu Q, Jiang ZL, Jiang WM et al (2019). Int J Adv Manuf Technol 101(5-8):1125–1132.
  5. Liu T, Wang QD, Sui YD et al (2016). Mater Des 89:1137–1146.

Technical Q&A

Q: 아연 랙 도금이 배럴 도금보다 우수한 결합 품질을 보이는 이유는 무엇입니까?

아연 랙 도금은 1시간의 처리만으로도 약 8μm 두께의 매우 치밀하고 균일한 코팅층을 형성합니다. 반면 배럴 도금은 동일 시간 처리 시 코팅층이 얇고 불균일하여 주철 표면의 철 원자가 외부로 노출될 가능성이 높습니다. 치밀한 아연 층은 주조 전 가열 과정에서 주철의 재산화를 효과적으로 방지하고, 알루미늄 용탕과의 반응 면적을 극대화하여 안정적인 금속 결합을 유도하는 장벽 및 반응 촉진제 역할을 수행합니다.

Q: 계면 반응층에서 관찰된 주요 상(Phase)은 무엇이며 그 특성은 어떠합니까?

계면 반응층은 주로 Al60Cu30Fe10 및 Al2FeSi 등의 금속 간 화합물(IMC)로 구성됩니다. TEM 분석 결과, 이 층은 약 1μm 두께의 불규칙한 텅(tongue) 모양으로 형성되어 기계적 맞물림 효과를 제공합니다. 특히 Cu 원소가 알루미늄 기재보다 계면 반응층에서 더 높은 농도로 축적되는 현상이 관찰되었는데, 이는 Cu 원자 반경이 Al보다 Fe에 가까워 확산이 용이하기 때문으로 분석되며, 이는 계면의 화학적 안정성을 높이는 데 기여합니다.

Q: HPDC 공정에서 용탕의 유속이 결합 형성에 미치는 영향은 무엇입니까?

시뮬레이션 결과에 따르면, 용탕 유속이 빠른 지점(A4)에서 금속 결합이 가장 잘 형성되었습니다. 높은 유속은 삽입재 표면에 강한 열 충격을 전달하여 아연 코팅층의 신속한 용해와 확산을 돕고, 표면의 불순물을 씻어내는 효과를 가집니다. 반면 유속이 느리거나 흐름이 정체되는 구역에서는 아연 층이 충분히 제거되지 않거나 산화막이 잔류하여 금속 결합 대신 간극이 형성될 위험이 크다는 것이 확인되었습니다.

Q: 주철 삽입재를 200°C로 예열하는 목적은 무엇입니까?

삽입재 예열은 알루미늄 용탕이 삽입재 표면에 닿았을 때 급격한 온도 하강으로 인해 조기에 응고되는 것을 방지하기 위함입니다. 적절한 예열은 계면에서의 열적 평형을 도와 아연 층의 용해와 원소 간의 상호 확산에 필요한 활성화 에너지를 제공합니다. 본 연구에서는 200°C 예열과 650°C 용탕 온도의 조합을 통해, HPDC의 짧은 사이클 타임 내에서도 충분한 계면 반응이 일어날 수 있는 최적의 열역학적 조건을 도출하였습니다.

Q: 계면에서 아연 원소의 응집이 나타나지 않는 이유는 무엇입니까?

아연은 알루미늄에 대한 고온 용해도가 매우 높고 융점이 낮습니다. 고압 다이캐스팅의 고온 및 고압 환경에서 8μm 수준의 얇은 아연 코팅층은 알루미늄 용탕으로 완전히 용해되어 확산됩니다. 따라서 최종 응고된 계면 조직에서는 아연이 특정 층으로 남지 않고 기재 내부로 균일하게 분산되므로, EDS 분석 시 계면에서의 뚜렷한 아연 농축 현상이 관찰되지 않는 것입니다. 이는 아연이 결합 형성 후 계면의 취성을 유발하지 않고 사라짐을 의미합니다.

Conclusion

본 연구를 통해 고압 다이캐스팅 공정에서 아연 랙 도금 처리가 주철-알루미늄 이종 금속 결합을 달성하는 데 매우 효과적임을 입증하였습니다. 8μm 두께의 치밀한 아연 코팅은 산화 방지 및 젖음성 향상을 통해 결함 없는 금속 결합 계면 형성을 가능하게 하며, 이는 기존의 염막 도금이나 배럴 도금 방식보다 우수한 성능을 보여줍니다.

또한, 부품의 국부적인 형상에 따른 용탕 유속과 열전달 특성이 결합 무결성에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인하였습니다. 높은 유속과 완만한 냉각 조건은 원소 확산을 촉진하여 견고한 반응층을 형성합니다. 이러한 결과는 향후 자동차 엔진 블록과 같은 고성능 경량 복합 주조 부품의 설계 및 제조 공정 최적화에 중요한 기술적 근거를 제공할 것입니다.


Source Information

Citation: Mengwu Wu, Jinpeng Yang, Feng Huang, Lin Hua, Shoumei Xiong (2021). Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die Casting Process. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1002236/v1

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Figure 3. Mold shape and flow pass change.

금속 압력 제어 시스템을 이용한 사형 프레스 주조

금속 압력 제어 시스템을 이용한 사형 프레스 주조

Sand Mold Press Casting with Metal Pressure Control System

본 보고서는 사형 프레스 주조 공정에서 발생하는 금속 침투 결함을 억제하기 위해 용탕의 온도 저하에 따른 점도 변화를 고려한 압력 모델링 및 다단계 속도 전환 제어 기법을 분석합니다. 연구의 핵심은 비정상 유동 상태에서의 정밀한 압력 제어를 통해 생산 수율을 극대화하고 공정 사이클 타임을 단축하는 데 있습니다.

논문 메타데이터 (Paper Metadata)

  • 산업 분야: 주조 및 금속 가공 (Casting and Metal Processing)
  • 대상 재료: 용융 금속 (Molten Metal, Iron)
  • 공정 방식: 사형 프레스 주조 (Sand Mold Press Casting)

핵심 키워드 (Keywords)

  • 프레스 주조 (Press Casting)
  • 압력 제어 (Pressure Control)
  • 금속 침투 결함 (Metal Penetration)
  • 비정상 유동 (Unstationary Flow)
  • 점도 변화 (Viscosity Change)
  • 베르누이 방정식 (Bernoulli’s Theorem)
  • CFD 시뮬레이션 (CFD Simulation)

실행 요약 (Executive Summary)

연구 아키텍처 (Research Architecture)

본 연구는 상형(cope)과 하형(drag)으로 구성된 사형 프레스 주조 시스템을 기반으로 합니다. 하형에 용탕을 주입한 후 서보 실린더로 구동되는 상형을 하강시켜 캐비티를 채우는 방식이며, 상형의 위치는 엔코더를 통해 실시간으로 측정됩니다. 유로 단면적 변화와 용탕의 온도 저하에 따른 점도 상승을 반영하기 위해 비정상 베르누이 방정식을 기반으로 한 수학적 모델을 구축하고, 이를 제어 알고리즘에 통합하여 프레스 속도를 정밀하게 조정하는 프레임워크를 제안합니다.

주요 연구 결과 (Key Findings)

실험 및 시뮬레이션 결과, 용탕의 온도가 약 50K 저하됨에 따라 점도가 상승하고 이로 인한 마찰 손실 압력이 전체 시스템 압력을 급격히 높이는 주요 원인임을 정량적으로 확인하였습니다. 제안된 다단계 속도 전환 제어 기법을 적용한 결과, 최대 압력을 결함 발생 임계치인 10kPa 이하로 안정적으로 유지하는 데 성공하였습니다. 이는 기존의 단일 속도 프레스 방식 대비 압력 피크를 효과적으로 억제하면서도 공정 시간을 최적화할 수 있음을 보여줍니다.

산업적 응용 (Industrial Applications)

본 기술은 브레이크 드럼과 같은 복잡한 형상의 자동차 부품 주조 공정에 즉시 적용 가능합니다. 기존 중력 주조 방식에서 70% 수준에 머물렀던 생산 수율을 95% 이상으로 향상시킬 수 있으며, 금속 침투 결함을 원천적으로 차단하여 후공정인 표면 마무리 작업을 최소화할 수 있습니다. 또한, 온도 변화에 대응하는 강건 제어 설계를 통해 실제 현장의 가변적인 작업 환경에서도 일관된 주조 품질을 확보할 수 있는 실용적인 솔루션을 제공합니다.


이론적 배경 (Theoretical Background)

비정상 베르누이 방정식 (Unstationary Bernoulli Equation)

프레스 주조 중 발생하는 유체의 상승 유동은 시간에 따라 속도가 변하는 비정상 유동(Unstationary Flow)의 특성을 갖습니다. 이를 모델링하기 위해 비정상 베르누이 방정식을 적용하여 유로 내 임의의 두 지점 사이의 압력, 속도, 높이 관계를 정의합니다. 특히 상형의 하강 속도와 유로 단면적의 비를 이용하여 용탕 표면의 속도를 유도하고, 유체의 가속도 항을 포함함으로써 동적 압력 변화를 정확하게 계산할 수 있습니다. 이는 정적인 상태를 가정한 기존 모델보다 실제 공정 거동을 더 정밀하게 묘사합니다.

Figure 1. Pouring and pressing processes in press casting.
Figure 1. Pouring and pressing processes in press casting.

금속 침투 결함 메커니즘 (Mechanism of Metal Penetration)

금속 침투는 가압된 용탕이 사형 입자 사이의 미세한 틈새로 스며들어 응고되는 현상으로, 주조물의 표면 거칠기를 악화시키는 주요 결함입니다. 이는 용탕의 정압(Static Pressure), 동압(Dynamic Pressure), 응고 시의 팽창압의 합이 사형 내 가스압, 마찰 저항, 모세관 압력의 합보다 클 때 발생합니다. 본 연구에서는 중력 주조 실험을 통해 침투 결함이 발생하지 않는 임계 압력을 10kPa로 도출하였으며, 이를 프레스 주조 공정의 핵심 제약 조건으로 설정하여 제어 알고리즘의 목표값으로 활용하였습니다.

결과 및 분석 (Results and Analysis)

실험 장치 및 조건 (Experimental Setup)

실험에는 밀도 7000 kg/m³의 용융 철을 사용하였으며, 초기 주입 온도는 1400℃(1673K)로 설정되었습니다. 상형의 수직 이동은 서보 실린더와 엔코더를 통해 정밀하게 제어되었으며, 압력 데이터는 피에조 전기식 압력 센서(AP-10S)를 사용하여 실시간으로 수집되었습니다. 사형은 통기성과 재활용성이 우수한 생사형(Greensand Mold)을 사용하였고, 오버플로 영역을 포함하는 복잡한 유로 설계를 통해 압력 변동이 극심한 환경을 조성하여 제어 성능을 평가하였습니다.

시각적 데이터 요약 (Visual Data Summary)

CFD 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터를 비교한 결과, 제안된 수학적 모델이 용탕의 압력 거동을 매우 높은 정확도로 예측함을 확인하였습니다. 특히 상형이 용탕 표면에 접촉하는 초기 단계와 단면적이 급격히 좁아지는 오버플로 유입 단계에서 발생하는 압력 상승 피크가 그래프상에서 명확히 관찰되었습니다. 다단계 속도 전환 제어를 적용했을 때, 이러한 압력 피크가 제약 조건인 10kPa 이내에서 안정화되는 양상을 시각적으로 입증하였습니다.

변수 간 상관관계 분석 (Variable Correlation Analysis)

상형의 하강 속도($\dot{z}$)와 유로 단면적($A_S$)은 압력($P_B$) 형성에 결정적인 영향을 미칩니다. 유로가 좁아질수록 유속이 급증하며, 이는 베르누이 원리에 의해 동압을 기하급수적으로 상승시킵니다. 또한, 온도 저하에 따른 점도($\lambda$) 증가는 벽면 마찰 저항을 높여 추가적인 압력 상승을 유발합니다. 분석 결과, 온도-점도-압력 간의 비선형적 상관관계를 제어 알고리즘에 반영함으로써 고속 프레스 시에도 결함 발생을 방지할 수 있는 최적의 속도 패턴 도출이 가능함을 확인하였습니다.


논문 상세 정보 (Paper Details)

Sand Mold Press Casting with Metal Pressure Control System

1. 개요 (Overview)

  • 제목: Sand Mold Press Casting with Metal Pressure Control System
  • 저자: Ryosuke Tasaki, Yoshiyuki Noda, Kunihiro Hashimoto, Kazuhiko Terashima
  • 발행 연도: 2012
  • 게재지: Science and Technology of Casting Processes (Chapter 1)

2. 초록 (Abstract)

본 연구팀은 최근 프레스 주조 공정이라는 새로운 주조 방법을 개발하였다. 이 공정은 탕구와 런너가 필요 없어 생산 수율을 70%에서 95% 이상으로 향상시킬 수 있다. 그러나 고속 프레스 과정에서 발생하는 높은 압력은 금속 침투와 같은 주조 결함을 유발할 수 있다. 본 논문에서는 용탕의 온도 저하에 따른 점도 변화를 고려하여 수직 비정상 유동에서의 압력 손실 항을 포함한 새로운 수학적 모델을 도출하였다. 벽면 마찰 계수를 유일한 미지 파라미터로 식별하여 모델 오차를 최소화하였으며, 압력 제약 조건을 만족하면서 작업 시간을 단축할 수 있는 최적 및 강건 속도 전환 제어 기법을 제안하였다. 최종적으로 CFD 시뮬레이션과 실제 용탕 실험을 통해 제안된 제어 기법이 결함 없는 주조물 생산에 효과적임을 입증하였다.

3. 연구 방법론 (Methodology)

3.1. 압력 모델링: 비정상 베르누이 방정식을 기반으로 프레스 거리($z$)와 속도($\dot{z}$)에 따른 용탕 내부 압력 추정 모델을 수립함.
3.2. 파라미터 식별: CFD 시뮬레이션 결과를 바탕으로 온도 변화에 따른 유체 마찰 계수($\lambda$)를 고유하게 식별하여 모델의 정밀도를 높임.
3.3. 속도 전환 제어 설계: 압력 제약 조건(10kPa)을 초과하지 않으면서 공정 효율을 극대화할 수 있는 다단계 속도 패턴을 수학적으로 도출함.
3.4. 실험적 검증: 실제 용탕 실험과 물 모델 실험을 병행하여 제안된 제어 입력의 유효성을 검증하고 주조물 표면 품질을 분석함.

4. 주요 결과 (Key Results)

온도 저하(약 50K)를 고려한 압력 모델은 실제 주조 공정의 압력 변동을 매우 정확하게 예측하였으며, 이를 기반으로 설계된 속도 전환 제어는 최대 압력을 10kPa 이하로 유지하는 데 성공하였습니다. 최적 설계(Optimum Design)를 통해 공정 시간을 최소화함과 동시에, 강건 설계(Robust Design)를 적용하여 온도 변화 범위 내에서도 결함 발생을 방지할 수 있음을 확인하였습니다. 실제 브레이크 드럼 주조 실험 결과, 제안된 제어 기법을 적용한 주조물은 금속 침투 결함이 없는 깨끗한 표면 품질을 보여주었습니다.

Figure 3. Mold shape and flow pass change.
Figure 3. Mold shape and flow pass change.

5. 수학적 모델 (Mathematical Models)

용탕의 압력 $P_B$를 결정하는 주요 방정식은 다음과 같습니다.

Pb(t)=ρgeh(t)+ρ2(1+λ(T)l(eh)d(eh))e˙h(t)2

압력 제약 조건을 만족하는 k단계 프레스 속도 $\dot{z}_k$는 다음과 같이 계산됩니다.

z˙k=2(PBlimρghuk)ρmax(ASk2/AMk2)(1+λhuk/Dk)

그림 목록 (Figure List)

  1. Fig 1: 프레스 주조의 주입 및 가압 공정
  2. Fig 2: 프레스 공정의 도식적 설명
  3. Fig 3: 금형 형상 및 유로 변화
  4. Fig 4: 사다리꼴 속도로 형성된 프레스 입력
  5. Fig 5: 압력 억제 결과 (T=1673K)
  6. Fig 6: 파라미터 식별 결과
  7. Fig 7: 설계된 속도를 이용한 CFD 압력 억제 시뮬레이션
  8. Fig 8: 압력 균형과 침투 결함
  9. Fig 9: 모세관 압력의 상쇄 효과
  10. Fig 10: 개방형 금형을 이용한 중력 주조 테스트
  11. Fig 11: 주조 표면의 침투 관찰
  12. Fig 12: 수직 깊이에 따른 금속 침투 성장
  13. Fig 13: 프레스 주조 장비 및 금형 유지부
  14. Fig 14: 설계된 프레스 속도 패턴
  15. Fig 15: 침투 결함에 대한 제품 표면 관찰
  16. Fig 16: 온도 조건에 따른 주조 제품 비교
  17. Fig 17: 비정상 유동 관찰 실험
  18. Fig 18: 상승 액체의 유선 변화
  19. Fig 19: 오버플로 부분의 금형 형상
  20. Fig 20: 제안된 모델과 측정 압력의 비교 결과

참고문헌 (References)

  1. Terashima, K., et al. (2009). Novel creation and control of sand mold press casting “post-filled formed casting process”. Foundry Trade Journal International.
  2. Noda, Y., & Terashima, K. (2007). Modeling and feedforward flow rate control of automatic pouring system with real ladle. Journal of Robotics and Mechatronics.
  3. Hu, J. V. J. H. (1994). Dynamic modeling and control of packing pressure in injection molding. Journal of Engineering Materials and Technology.
  4. Tasaki, R., et al. (2008). Sequence control of pressing velocity for pressure in press casting process using greensand mould. International Journal of Cast Metals Research.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 금속 침투 결함의 주요 원인은 무엇이며 이를 방지하기 위한 임계값은 어떻게 설정되었는가?

금속 침투 결함은 고속 프레스 시 발생하는 높은 유체 압력이 사형 입자 사이의 저항력을 초과하여 용탕을 밀어넣기 때문에 발생합니다. 본 연구에서는 높이 1,000mm의 원통형 사형을 이용한 중력 주조 실험을 수행하였으며, 실험 결과 깊이 150mm 지점(약 10kPa의 정압)까지는 결함이 발생하지 않았으나 그 이상의 깊이에서는 침투가 관찰되었습니다. 이를 근거로 10kPa를 결함 방지를 위한 압력 제약 임계값으로 설정하였습니다.

Q: 용탕의 온도 저하가 압력 제어 모델에서 왜 중요한 요소인가?

용탕의 온도가 낮아지면 유체의 점도가 상승하게 됩니다. 점도 상승은 유로 벽면에서의 마찰 계수($\lambda$)를 증가시키며, 이는 동일한 프레스 속도에서도 더 높은 마찰 손실 압력을 유발합니다. 만약 온도 저하에 따른 점도 변화를 고려하지 않고 속도를 설계하면, 실제 공정에서 압력이 제약 조건을 초과하여 침투 결함이 발생할 수 있으므로 이를 모델에 반영하는 것이 필수적입니다.

Q: 제안된 ‘다단계 속도 전환 제어’는 기존 방식과 어떻게 다른가?

기존 방식은 대개 단일한 속도로 프레스를 진행하거나 시행착오를 통해 속도를 결정했습니다. 반면, 제안된 방식은 금형 형상(단면적 변화)과 용탕의 상태(온도, 점도)를 수학적 모델에 입력하여, 압력이 급상승하는 구간(예: 좁은 오버플로 유입 시)에서만 속도를 정밀하게 낮추고 나머지 구간에서는 고속을 유지합니다. 이를 통해 품질 확보와 생산 시간 단축이라는 두 가지 목표를 동시에 달성합니다.

Q: ‘최적 설계’와 ‘강건 설계’ 속도 패턴의 차이점과 각각의 장점은 무엇인가?

최적 설계는 특정 온도 조건에서 압력 제약을 만족하면서 공정 시간을 최소화하도록 설계된 패턴으로, 정밀한 온도 모니터링이 가능할 때 최고의 효율을 냅니다. 강건 설계는 공정 중 예상되는 가장 낮은 온도(즉, 가장 높은 점도)를 기준으로 속도를 설계합니다. 이는 온도가 정확히 파악되지 않는 상황에서도 모든 배치 작업에서 압력 제약 조건을 확실히 준수할 수 있게 하여 공정 안정성을 높여줍니다.

Q: 본 연구에서 사용된 간략화된 수학적 모델이 CFD 분석보다 유리한 점은 무엇인가?

Navier-Stokes 방정식을 기반으로 하는 정밀 CFD 분석은 유체의 거동을 매우 상세히 보여주지만, 계산 부하가 너무 커서 실시간 제어 설계나 다양한 금형 형상에 즉각 대응하기 어렵습니다. 본 연구에서 제안한 비정상 베르누이 기반 모델은 계산이 매우 빠르면서도 CFD 결과와 일치하는 높은 정확도를 제공하므로, 실제 산업 현장에서 실시간으로 제어 입력을 생성하고 최적화하는 데 훨씬 유리합니다.

결론 (Conclusion)

본 연구는 사형 프레스 주조 공정에서 금속 침투 결함을 방지하기 위한 온도 의존적 압력 제어 시스템의 유효성을 입증하였습니다. 비정상 유동 모델링과 다단계 속도 전환 기법을 결합함으로써, 온도 저하에 따른 점도 변화와 금형 형상 변화에 유연하게 대응할 수 있는 제어 프레임워크를 구축하였습니다. 이러한 기술적 성과는 주조 산업의 고질적인 문제인 수율 저하와 표면 결함을 동시에 해결할 수 있는 방안을 제시하며, 향후 다양한 금속 재료 및 복잡 형상 부품 제조 공정의 자동화와 품질 안정화에 크게 기여할 것입니다.


출처 정보 (Source Information)

Citation: Ryosuke Tasaki, Yoshiyuki Noda, Kunihiro Hashimoto and Kazuhiko Terashima (2012). Sand Mold Press Casting with Metal Pressure Control System. Science and Technology of Casting Processes.

DOI/Link: http://dx.doi.org/10.5772/51082

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Figure 2 Physical model of horizontal centrifugal casting

Al-Cu 합금의 원심 주조를 위한 미세조직 및 열간 균열 민감도 시뮬레이션과 매개변수 최적화

Al-Cu 합금의 원심 주조를 위한 미세조직 및 열간 균열 민감도 시뮬레이션과 매개변수 최적화

Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and parameters optimization for the centrifugal casting of Al-Cu alloy

본 연구는 수평 원심 주조 공정에서 Al-Cu 합금의 미세조직 진화와 열간 균열 민감도를 수치 시뮬레이션을 통해 분석한 기술 보고서입니다. 원심 회전 속도, 주입 온도, 금형 예열 온도 등 주요 공정 변수가 주물의 품질에 미치는 영향을 정량적으로 규명하여 산업적 공정 최적화의 근거를 제시합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 주조 및 금속 가공 (Casting and Metal Processing)
  • Material: Al-Cu 합금 (Al-Cu alloy)
  • Process: 수평 원심 주조 (Horizontal Centrifugal Casting)

Keywords

  • 원심 주조 (Centrifugal casting)
  • Al-Cu 합금 (Al-Cu alloy)
  • 미세조직 (Microstructure)
  • 열간 균열 (Hot tearing)
  • 수치 시뮬레이션 (Numerical simulation)
  • RDG 기준 (RDG criteria)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 수평 원심 주조 시스템을 모사하기 위해 중력, 원심력, 코리올리 힘을 포함한 수학적 모델을 수립하였습니다. 미세조직 분석을 위해 CAFE(Cellular Automata Finite Element) 모델을 채택하여 불균질 핵생성과 수지상 성장 동역학을 계산하였습니다. 열간 균열 민감도는 응고 수축과 변형률을 동시에 고려하는 개선된 3차원 RDG(Rappaz-Drezet-Gremaud) 기준을 적용하여 분석되었습니다. 시뮬레이션은 Φ 290 mm × 300 mm 크기의 원통형 주물을 대상으로 수행되었으며, 격자 독립성 검증을 거친 5 mm 크기의 메쉬를 사용하였습니다.

Figure 2 Physical model of horizontal centrifugal casting
Figure 2 Physical model of horizontal centrifugal casting

Key Findings

실험 결과, 원심 회전 속도와 주입 속도가 증가함에 따라 결정립 크기가 감소하는 미세화 현상이 관찰되었습니다. 반면, 주입 온도와 금형 예열 온도가 상승하면 냉각 속도 저하로 인해 결정립이 조대화되었습니다. 열간 균열 민감도 분석 결과, 주물의 중앙부와 내측에서 기공률이 높게 나타나 균열 발생 가능성이 큼을 확인하였습니다. 특히 주입 온도가 760℃일 때 최대 기공률이 0.212로 가장 낮았으며, 원심 속도가 500 rpm에서 1250 rpm으로 증가할 때 열간 균열 경향이 유의미하게 감소하는 정량적 상관관계를 도출하였습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 자동차 실린더 라이너, 선박용 파이프 등 고강도 Al-Cu 합금 중공 부품의 원심 주조 공정 설계에 직접 활용될 수 있습니다. 시뮬레이션 기반의 매개변수 최적화를 통해 열간 균열 결함을 사전에 예측하고 방지함으로써 시제품 제작 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 주물의 두께 방향에 따른 미세조직 차이를 제어하여 부품의 기계적 성질을 균일하게 확보하는 공정 가이드라인을 제공합니다.


Theoretical Background

원심 주조 시스템의 역학적 특성

수평 원심 주조 공정에서 용융 금속은 중력, 원심력, 그리고 회전하는 좌표계에서 발생하는 코리올리 힘의 복합적인 영향을 받습니다. 용탕이 회전하는 금형 내벽에 접촉하기 전에는 중력의 지배를 받는 자유 낙하 운동을 하며, 접촉 후에는 강력한 원심력에 의해 금형 벽면에 밀착되어 응고됩니다. 이러한 힘의 균형은 용탕의 유동 패턴과 응고 계면의 형성에 결정적인 역할을 하며, 최종 주물의 밀도와 조직 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다.

CAFE 기반 미세조직 진화 모델

미세조직 예측을 위해 사용된 CAFE 모델은 거시적인 유동/열전달 계산과 미시적인 결정립 성장을 결합한 방식입니다. 불균질 핵생성 모델은 가우시안 분포를 따르는 핵생성 밀도 함수를 사용하며, 수지상 선단의 성장 속도는 KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi) 모델을 통해 계산됩니다. 이 모델은 과냉도(Undercooling)에 따른 용질 재분배와 계면 곡률의 영향을 반영하여, 주물 내부의 등축정 및 수지상 조직의 분포를 정밀하게 모사할 수 있게 합니다.

Figure 3 Schematic of casting thickness direction layering
Figure 3 Schematic of casting thickness direction layering

개선된 RDG 열간 균열 기준

열간 균열은 응고 말기 고상 골격 사이의 액상 보급이 원활하지 않을 때 발생하는 현상입니다. 본 연구에서 사용된 개선된 RDG 기준은 기존의 1차원 모델을 3차원 공간으로 확장하여, 온도 구배 방향뿐만 아니라 수직 방향의 변형률까지 고려합니다. 질량 보존 법칙에 근거하여 응고 수축 기공률과 변형 기공률의 합으로 총 기공률을 정의하며, 이 값이 임계치를 초과할 때 열간 균열이 발생하는 것으로 판단합니다. 이는 복잡한 형상의 원심 주조물에서 균열 위치를 예측하는 데 높은 신뢰성을 제공합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

시뮬레이션 대상인 Al-Cu 합금의 액상선 온도는 645℃, 고상선 온도는 453℃입니다. 금형과 환경 사이의 열전달 계수는 70 W·m⁻²·K⁻¹로 설정되었습니다. 주요 변수 범위는 주입 온도 700~940℃, 금형 예열 온도 25~300℃, 원심 속도 250~1200 rpm, 주입 속도 1~4 kg/s로 설정하여 각 변수가 미세조직과 기공률에 미치는 영향을 독립적으로 분석하였습니다. 주물의 기하학적 형상은 외경 290 mm, 길이 300 mm, 벽 두께 30 mm의 실린더 형태입니다.

Visual Data Summary

시뮬레이션 결과, 주물의 외측에서 내측으로 갈수록 냉각 속도가 느려짐에 따라 결정립 크기가 55 μm에서 78 μm로 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났습니다. 이차 수지상 암 간격(SDAS) 역시 외측 15 μm에서 내측 21 μm로 증가하였습니다. 기공률 분포도에서는 주물의 중앙부와 내측 표면 근처에서 최대 0.02 이상의 높은 수축 기공률이 관찰되었으며, 이는 해당 영역이 열간 균열에 가장 취약함을 시각적으로 입증합니다. 변형 기공률은 주물 하단부에서 가장 높게 나타났으나, 절대값은 수축 기공률보다 낮았습니다.

Figure 4 Microstructure of different parts in the thickness direction of
castings
Figure 4 Microstructure of different parts in the thickness direction of castings

Variable Correlation Analysis

원심 속도가 증가할수록 강력한 압착 효과와 유동 교란으로 인해 결정립이 미세화되고 열간 균열 민감도가 감소하는 반비례 관계가 확인되었습니다. 주입 온도의 경우, 700℃에서 760℃까지는 기공률이 감소하다가 760℃를 기점으로 다시 급격히 증가하는 ‘U’자형 상관관계를 보였습니다. 이는 760℃가 액상 보급과 냉각 속도 사이의 최적 균형점임을 의미합니다. 금형 예열 온도는 높을수록 열간 균열 민감도를 낮추는 데 효과적이었으나, 300℃ 이상의 고온에서는 결정립 조대화로 인한 기계적 성질 저하가 우려되었습니다.


Paper Details

Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and parameters optimization for the centrifugal casting of Al-Cu alloy

1. Overview

  • Title: Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and parameters optimization for the centrifugal casting of Al-Cu alloy
  • Author: Shengkun Lv, Ruifeng Dou, Xueli He, Yanying Zhang, Junsheng Wang, Xunliang Liu, Zhi Wen
  • Year: 2023
  • Journal: Research Square (Preprint)

2. Abstract

수평 원심 주조의 수학적 모델을 수립하고, 원통형 Al-Cu 합금 주물의 원심 주조 공정에 대한 수치 시뮬레이션 분석을 수행하여 원심 주조 공정 조건이 주물의 미세조직과 열간 균열 민감도에 미치는 영향을 조사하였다. 결과에 따르면 원심 회전 속도와 주입 속도를 높이면 합금의 미세조직을 미세화할 수 있지만, 주입 온도와 금형 예열 온도를 높이면 결정립 크기가 증가한다. 결정립 크기는 외층의 미세 결정립에서 내층의 조대 결정립으로 점진적으로 전이된다. 한편, 개선된 RDG 열간 균열 기준과 결합하여 주물의 열간 균열 민감도 전체 분포를 분석하였다. 분석 결과 주물 중앙 영역의 기공률이 컸으며 열간 균열 결함이 발생하기 쉬웠다. 주물 내측의 열간 균열 경향은 외측보다 컸다. 본 논문에서는 원심 회전 속도, 주입 온도 및 예열 온도가 Al-Cu 합금 주물의 열 민감도에 미치는 영향을 요약하였다. 본 연구를 통해 합금의 열간 균열 경향은 원심 속도가 증가함에 따라 감소하며, 주물의 최대 기공률은 주입 온도에 따라 먼저 감소했다가 다시 증가한다는 것이 밝혀졌다. 예열 온도가 증가함에 따라 주물의 전체적인 최대 기공률은 감소하는 추세를 보인다.

3. Methodology

3.1. 수평 원심 주조 시스템 모델링: 중력, 원심력, 코리올리 힘을 포함한 3차원 비정상 비압축성 점성 유동 모델 수립.
3.2. 미세조직 진화 시뮬레이션: CAFE(Cellular Automata Finite Element) 방법을 사용하여 불균질 핵생성 및 KGT 성장 모델 기반의 결정립 성장 계산.
3.3. 열간 균열 분석: 3차원 공간으로 확장된 개선된 RDG 기준을 적용하여 수축 기공률과 변형 기공률의 합산으로 균열 민감도 평가.
3.4. 공정 변수 최적화: 주입 온도, 예열 온도, 원심 속도, 주입 속도 등 다변수 시뮬레이션을 통한 최적 공정 조건 도출.

4. Key Results

원심 속도가 1000 rpm, 주입 속도가 3 kg/s일 때 미세조직이 효과적으로 미세화되었으며, 주입 온도가 760℃에서 820℃로 상승할 때 최대 기공률이 0.212에서 0.786으로 급증하여 균열 위험이 높아짐을 확인하였습니다. 금형 예열 온도를 300℃로 설정할 경우 최대 기공률은 0.039까지 낮아져 열간 균열 억제에 가장 효과적이었습니다. 결정립 크기와 열간 균열 사이의 상관관계 분석을 통해, 결정립이 미세할수록 합금의 소성이 향상되어 열간 균열 민감도가 낮아진다는 메커니즘을 규명하였습니다.

5. Mathematical Models

$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u)}{\partial x} + \frac{\partial (\rho v)}{\partial y} + \frac{\partial (\rho w)}{\partial z} = 0 $$ $$ \rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} + \rho c_p \left[ \frac{\partial (uT)}{\partial x} + \frac{\partial (vT)}{\partial y} + \frac{\partial (wT)}{\partial z} \right] = \lambda \left( \frac{\partial^2 T}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 T}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 T}{\partial z^2} \right) + \rho L \frac{\partial f_s}{\partial t} $$ $$ \frac{\partial (\rho_l f_l v_{lx})}{\partial x} + \frac{\partial (\rho_s f_s v_{sx})}{\partial x} + \frac{\partial (\rho_s f_s v_{sy})}{\partial y} + \frac{\partial (\rho_s f_s v_{sz})}{\partial z} = V_T \left[ \frac{\partial (\rho_s f_s)}{\partial x} + \frac{\partial (\rho_l f_l)}{\partial x} \right] $$ $$ f_{p,sum} = f_{p,sh} + f_{p,de,ex} + f_{p,de,ey} + f_{p,de,ez} + f_{p,de,sh\dot{\epsilon}} $$

Figure List

  1. Figure 1: 수평 원심 주조의 개략도
  2. Figure 2: 수평 원심 주조의 물리적 모델
  3. Figure 3: 주물 두께 방향 층화 개략도
  4. Figure 4: 주물 두께 방향 위치별 미세조직 (결정립 크기 및 SDAS)
  5. Figure 5: 주입 온도가 주물 미세조직에 미치는 영향
  6. Figure 6: 금형 예열 온도가 주물 미세조직에 미치는 영향
  7. Figure 7: 주입 속도가 주물 미세조직에 미치는 영향
  8. Figure 8: 원통형 주물의 단면 분석 위치 개략도
  9. Figure 9: 단면 a의 기공률 분포 (수축, 변형, 총 기공률)
  10. Figure 10: 단면 b의 기공률 분포
  11. Figure 11: 원통형 주물의 종단면 분석 개략도
  12. Figure 12: 주물 원형 단면의 총 기공률 분포도
  13. Figure 13: 원심 속도가 최대 기공률에 미치는 영향
  14. Figure 14: 주입 온도에 따른 최대 기공률의 변화 법칙
  15. Figure 15: 금형 예열 온도에 따른 최대 기공률의 변화 법칙
  16. Figure 16: 결정립 크기에 따른 최대 기공률의 변화 상관관계

References

  1. Yu Wang, et al. (2016). Materials Engineering, 44(09): 76-81.
  2. Baicheng Liu, et al. (2013). Modern Technology Ceramics, 34(06): 66.
  3. Mi J, et al. (2004). Metallurgical & Materials Transactions A, 35(9): 2893-2902.
  4. Keerthiprasad, K.S, et al. (2011). TMS Annual Meeting & Exhibition.
  5. Ruifeng Dou, et al. (2016). Metallurgical and Materials Transactions A, 47(8): 4217-4225.

Technical Q&A

Q: 원심 회전 속도가 증가할 때 열간 균열 민감도가 감소하는 이유는 무엇입니까?

원심 속도가 증가하면 용탕에 가해지는 원심력이 커져 응고 수축 시 액상 보급(Feeding)이 더 원활해집니다. 또한, 높은 회전력은 응고 계면의 유동을 활발하게 하여 결정립을 미세화시키며, 미세화된 결정립은 합금의 소성 변형 능력을 향상시켜 응력 집중으로 인한 균열 발생을 억제합니다. 시뮬레이션 결과에서도 속도가 500 rpm에서 1250 rpm으로 증가함에 따라 최대 기공률이 급격히 감소하는 것이 확인되었습니다.

Q: 주입 온도가 760℃일 때 기공률이 가장 낮은 이유는 무엇입니까?

주입 온도가 너무 낮으면(700℃) 용탕의 유동성이 부족하여 응고 말기에 액상 보급이 어려워 수축 기공이 발생하기 쉽습니다. 반대로 온도가 너무 높으면(820℃ 이상) 냉각 속도가 느려져 결정립이 조대해지고 응고 시간이 길어지면서 열간 균열 민감도가 다시 상승합니다. 760℃는 적절한 유동성을 확보하면서도 결정립 조대화를 최소화할 수 있는 최적의 온도 균형점이기 때문에 기공률이 가장 낮게 나타납니다.

Q: 주물의 내측과 외측 중 어디에서 열간 균열이 더 발생하기 쉽습니까?

시뮬레이션 분석 결과, 주물의 내측(Inner side)에서 열간 균열 경향이 외측보다 더 크게 나타났습니다. 이는 외측은 금형 벽면과 직접 접촉하여 냉각 속도가 빠르고 미세한 결정립이 형성되는 반면, 내측은 냉각 속도가 상대적으로 느려 결정립이 조대해지고 응고 말기에 액상 보급이 가장 늦게 이루어지기 때문입니다. 특히 주물 두께의 중앙부에서 내측으로 치우친 영역에서 기공률이 집중되는 현상이 관찰되었습니다.

Q: 본 연구에서 사용된 ‘개선된 RDG 기준’이 기존 모델과 차별화되는 점은 무엇입니까?

기존의 RDG 모델은 주로 온도 구배 방향의 1차원적인 유동과 변형만을 고려했습니다. 하지만 실제 원심 주조 공정에서는 3차원적인 복합 응력이 발생합니다. 개선된 RDG 기준은 질량 보존 법칙을 3차원 공간으로 확장하여, 반경 방향뿐만 아니라 원주 방향과 길이 방향의 변형률을 모두 계산에 포함합니다. 이를 통해 복잡한 회전 유동이 존재하는 원심 주조 환경에서 열간 균열 위치와 민감도를 훨씬 더 정밀하게 예측할 수 있습니다.

Q: 금형 예열 온도가 미세조직과 열간 균열에 미치는 상반된 효과는 무엇입니까?

금형 예열 온도가 높을수록 주물과 금형 사이의 온도 차이가 줄어들어 냉각 시 발생하는 열응력이 감소하고, 이는 열간 균열 민감도를 낮추는 긍정적인 효과를 줍니다. 그러나 동시에 냉각 속도가 느려지기 때문에 결정립 크기와 이차 수지상 암 간격(SDAS)이 증가하여 조직이 조대해지는 부정적인 효과가 발생합니다. 따라서 열간 균열 억제와 미세한 조직 확보라는 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위한 적정 예열 온도 설정이 중요합니다.

Conclusion

본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 Al-Cu 합금의 수평 원심 주조 공정에서 미세조직과 열간 균열 민감도를 결정하는 핵심 메커니즘을 규명하였습니다. 원심 회전 속도와 주입 속도의 증가는 결정립 미세화를 촉진하고 균열 민감도를 낮추는 데 기여하는 반면, 주입 온도와 예열 온도는 조직의 조대화와 균열 억제 사이에서 상충하는 효과를 가짐을 확인하였습니다. 특히 760℃의 주입 온도와 높은 원심 속도 조건이 주물의 건전성을 확보하는 데 최적임을 도출하였습니다.

결론적으로, 개선된 3차원 RDG 기준과 CAFE 모델의 결합은 원심 주조 공정의 복잡한 물리 현상을 성공적으로 모사하였으며, 이는 향후 고품질 중공 부품 제조를 위한 공정 최적화 도구로서 높은 가치를 지닙니다. 향후 연구에서는 실제 제조 현장의 데이터와의 추가적인 비교 검증을 통해 모델의 정밀도를 더욱 고도화할 필요가 있습니다.


Source Information

Citation: Shengkun Lv, Ruifeng Dou, et al. (2023). Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and parameters optimization for the centrifugal casting of Al-Cu alloy. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3316285/v1

Technical Review Resources for Engineers:

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Figure 2,3 Illustration of furnace operation before and after upgrading

다이캐스팅 공장의 알루미늄 용해로에 대한 엑서지 분석 및 효율 평가

다이캐스팅 공장의 알루미늄 용해로에 대한 엑서지 분석 및 효율 평가

Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium melting furnace in a die casting plant

본 보고서는 알루미늄 용해로의 에너지 및 엑서지 효율을 분석하여, 축열식 버너(Regenerative Burner) 시스템 설치 전후의 성능 향상을 기술적으로 평가한다. 연구는 에너지 집약적인 주조 산업에서 열역학적 가용 에너지의 손실을 최소화하고 환경 배출물을 저감하기 위한 공학적 근거를 제시한다.

Paper Metadata

  • Industry: 금속 주조 및 자동차 부품 제조 (Metal Casting)
  • Material: 알루미늄 합금 (Aluminium Alloy 306)
  • Process: 천연가스 연소식 용해 및 보열 (Melting and Holding)

Keywords

  • 엑서지 분석 (Exergy Analysis)
  • 에너지 효율 (Energy Efficiency)
  • 축열식 버너 (Regenerative Burner)
  • 스테이지 연소 (Staged Combustion)
  • 폐열 회수 (Waste Heat Recovery)
  • 질소산화물 저감 (NOx Reduction)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Dym Eto Casting (DEC) 플랜트의 3번 용해로를 대상으로 수행되었다. 기존의 비효율적인 가스 버너를 세라믹 볼 매체를 사용하는 한 쌍의 축열식 버너 시스템으로 교체하고, PLC 제어 시스템을 통해 연소 공정을 최적화하였다. 실험 프레임워크는 열역학 제1법칙(에너지 보존)과 제2법칙(엑서지 파괴)을 결합하여 시스템의 실제 가용 에너지 활용도를 정량화하는 방법론을 채택하였다.

Figure 2.1 illustration of operation for regenerative burner.
Figure 2.1 illustration of operation for regenerative burner.

Key Findings

시스템 업그레이드 후 전체 에너지 효율은 10%에서 16%로 향상되었으며, 엑서지 효율은 6%에서 9%로 증가하였다. 연료 소비량은 동일 생산량 대비 약 37% 절감되었으며, 굴뚝을 통한 폐열 배출은 53%에서 24%로 감소하였다. 특히 스테이지 연소 기술 도입으로 질소산화물(NOx) 배출량은 85%, 이산화탄소(CO2) 배출량은 37% 저감되는 정량적 성과를 거두었다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 고온 산업용 로(Furnace)의 에너지 절감 및 탄소 배출권 대응을 위한 기술적 지표로 활용 가능하다. 축열식 폐열 회수 시스템은 알루미늄뿐만 아니라 철강, 유리 제조 등 대규모 열에너지를 사용하는 공정 전반에 적용되어 운영 비용을 절감하고 환경 규제를 준수하는 데 기여할 수 있다.


Theoretical Background

엑서지의 정의 (Definition of Exergy)

엑서지는 특정 물질, 열 또는 일이 기준 환경(Reference Environment)과 평형 상태에 도달할 때까지 추출할 수 있는 최대 이론적 일의 양을 의미한다. 이는 에너지의 ‘양’뿐만 아니라 ‘질’ 또는 ‘유용성’을 나타내는 척도이다. 실제 공정은 비가역적(Irreversible)이므로 엑서지 출력은 항상 입력보다 작으며, 그 차이는 시스템 내부의 비가역성에 의해 파괴된 엑서지량을 나타낸다.

에너지 분석과 엑서지 분석의 차이

에너지 분석은 열역학 제1법칙에 근거하여 에너지의 보존을 다루지만, 에너지의 질적 저하는 평가하지 못한다. 반면 엑서지 분석은 제1법칙과 제2법칙을 결합하여 공정 내에서 유용한 에너지가 어디에서 파괴되는지를 명확히 식별한다. 예를 들어, 고온의 배기가스가 가진 에너지는 양적으로 많을 수 있으나, 환경 온도에 가까워질수록 일을 할 수 있는 능력인 엑서지는 급격히 감소한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험 대상인 용해로는 천연가스를 연료로 사용하며, 업그레이드 전에는 연소 공기 예열 장치가 없는 일반 버너를 사용하였다. 업그레이드 후에는 두 개의 버너가 교대로 연소와 배기를 반복하며 배기가스의 열을 세라믹 매체에 저장하고, 이를 통해 유입되는 연소 공기를 약 750 K까지 예열하는 축열식 시스템을 구축하였다. 측정 매개변수에는 연료 유량, 공기-연료비(A/F ratio), 연소 가스 온도 및 성분 분석이 포함되었다.

Visual Data Summary

에너지 흐름도 분석에 따르면, 업그레이드 전 시스템은 입력 에너지의 53%를 굴뚝으로 배출했으나, 업그레이드 후에는 이 수치가 15%로 급감하였다. 엑서지 흐름도에서는 용해로 챔버 내에서의 엑서지 파괴가 전체 입력의 50% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 이는 연소 및 고온 열전달 과정의 본질적인 비가역성에 기인한다. 축열기 자체의 엑서지 효율은 약 29%로 산출되었다.

Variable Correlation Analysis

연료 공급 압력을 115 kPa에서 170 kPa로 증가시킨 결과, 연료의 몰당 열역학적 엑서지 기여도가 상승하였다. 연소 공기 예열 온도가 높아짐에 따라 연소 효율이 개선되었으나, 이는 동시에 NOx 생성 가능성을 높이는 요인이 된다. 이를 해결하기 위해 도입된 스테이지 연소 기술은 화염 온도를 균일하게 분산시켜 고온 영역에서의 NOx 생성을 효과적으로 억제하는 상관관계를 보였다.


Paper Details

Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium melting furnace in a die casting plant

1. Overview

  • Title: Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium melting furnace in a die casting plant
  • Author: Dennis Lee
  • Year: 2003
  • Journal: Ryerson University (Master’s Thesis)

2. Abstract

다이캐스팅 공장의 알루미늄 용해로 효율을 에너지 및 엑서지 방법을 사용하여 조사하였다. 천연가스 연소식 용해로에 대해 에너지 효율과 엑서지 효율 값을 평가하였으며, 용해로에 두 개의 새로운 축열식 버너를 설치하기 전후의 효율 개선을 분석하였다. 본 연구는 버너 업그레이드 프로젝트 전후의 용해로에 기인한 환경 영향을 분석 및 비교하였으며, 업그레이드 프로젝트의 자본 투자에 대한 재무 분석도 제공하였다. 연구 결과, 엑서지 방법이 용해로 효율 분석에 유익하게 사용될 수 있으며 엑서지 효율이 현실에서 더 실질적인 척도임을 보여주었다. 비교 결과에 따르면 축열식 버너 기술과 스테이지 연소 기법은 연소 성능을 향상시키고 연료 소비를 줄이며 NOx 및 CO2 배출을 낮출 수 있다.

Figure 2,3 Illustration of furnace operation before and after upgrading
Figure 2,3 Illustration of furnace operation before and after upgrading

3. Methodology

3.1. 시스템 스키마 정의: 용해로 챔버, 스택 및 축열기를 포함하는 전체 시스템의 열역학적 경계를 설정하고 기준 환경 조건을 25°C, 1 atm으로 정의함.
3.2. 데이터 수집 및 정규화: 업그레이드 전후 52일간의 생산 로그를 통해 연료 소비량, 연소 공기량, 용융 금속 생산량을 수집하고 비교를 위해 1,972,000 kg 생산량 기준으로 데이터를 정규화함.
3.3. 열역학 수지 계산: Moran 및 Shapiro(1995)의 이론을 바탕으로 각 구성 요소의 엔탈피, 엔트로피 변화를 계산하여 에너지 및 엑서지 수지 방정식을 수립함.
3.4. 효율 평가 및 재무 분석: 산출된 효율 데이터를 기반으로 연료 절감액을 계산하고, 자본 투자비 대비 단순 투자 회수 기간(Payback period)을 산정함.

4. Key Results

에너지 효율은 업그레이드 전 10%에서 후 16%로 60% 개선되었으며, 엑서지 효율은 6%에서 9%로 50% 향상되었다. 연간 연료 절감액은 용해로당 약 $330,000로 추산되었으며, 이를 통해 약 18개월의 짧은 투자 회수 기간을 달성할 수 있음을 확인하였다. 환경적 측면에서 NOx 배출량은 85% 감소하여 대기 오염 저감에 크게 기여하였다. 엑서지 분석을 통해 시스템 내 최대 손실 지점이 연소 과정에서의 엑서지 파괴(약 54%)임을 식별하였다.

5. Mathematical Models

$$ \eta = \frac{\Delta E_{metal}}{E_{fuel}} $$
$$ \epsilon = \frac{\Delta A_{metal}}{A_{fuel}} $$
$$ A_{input} = A_{output} + (I_{CV} + I_{CV,regen} + I_{CV,mix}) $$
$$ a_{fuel}^{ch} = [\bar{g}_f^0 + n_{O2}\bar{g}_f^0(O_2) – (n_{CO2}\bar{g}_f^0(CO_2) + n_{H2O}\bar{g}_f^0(H_2O)) + \bar{R}T_0 \ln \frac{(y_{O2}^e)^{n_{O2}}}{(y_{CO2}^e)^{n_{CO2}}(y_{H2O}^e)^{n_{H2O}}}] $$

Figure List

  1. Figure 2.1: 축열식 버너의 작동 사이클(제1주기 및 제2주기) 개략도
  2. Figure 2.2: 스테이지 연소(Staged Combustion) 설계 일러스트레이션
  3. Figure 3.1: 업그레이드 전 시스템 스키마 및 온도 조건
  4. Figure 3.11: 업그레이드 후 에너지 흐름도(Sankey Diagram)
  5. Figure 3.14: 업그레이드 후 엑서지 흐름도(Grassmann Diagram)

References

  1. Moran, M. and Shapiro, H. (1995). Fundamentals of Engineering Thermodynamics.
  2. Rosen, M. and Dincer, I. (1997). On Exergy and Environmental Impact.
  3. Schalles, D. (2002). The Next Generation of Combustion Technology for Aluminium Melting.
  4. Szargut, J. (1988). Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Process.

Technical Q&A

Q: 축열식 버너가 질소산화물(NOx) 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 기술적 이유는 무엇입니까?

A: 축열식 버너는 스테이지 연소(Staged Combustion) 기술을 결합하여 사용하기 때문입니다. 1단계에서는 소량의 공기로 저온 연소를 유도하고, 2단계에서 나머지 공기를 분사하여 화염 온도를 균일하게 유지합니다. 이는 NOx 생성의 주원인인 국부적 고온 영역(Hot spots) 형성을 억제하여 배출량을 최대 85%까지 저감시킵니다.

Q: 에너지 효율(16%)에 비해 엑서지 효율(9%)이 현저히 낮게 측정되는 이유는 무엇입니까?

A: 에너지 분석은 열의 양적 보존만을 따지지만, 엑서지 분석은 에너지의 질적 가치를 평가하기 때문입니다. 연소 공정은 화학 에너지가 열 에너지로 변환되는 과정에서 막대한 비가역적 손실(엑서지 파괴)이 발생합니다. 엑서지 효율은 이러한 질적 손실을 모두 반영하므로 에너지 효율보다 항상 낮게 나타나며, 이는 시스템의 실제 개선 잠재력을 더 정확히 보여줍니다.

Q: 본 연구에서 제안된 잉곳 예열(Preheating Ingot) 장치의 경제적 타당성은 어떻게 평가됩니까?

A: 굴뚝 배기가스의 폐열을 이용하여 잉곳을 398 K까지 예열할 경우, 연료 소비를 추가로 1.4% 절감할 수 있습니다. 재무 분석 결과, 장치 비용이 $30,800 이하일 경우 5년 이내에 투자비 회수가 가능하므로 기술적, 경제적 타당성이 충분한 것으로 평가됩니다.

Q: 축열기(Regenerator) 내에서 발생하는 주요 엑서지 손실 원인은 무엇입니까?

A: 축열기 내 엑서지 손실의 37%는 연소 가스와 세라믹 매체 사이, 그리고 매체와 연소 공기 사이의 열전달 과정에서 발생하는 비가역성에 기인합니다. 반면, 축열기 표면을 통한 외부 열 손실은 3%에 불과하므로, 단열 개선보다는 열전달 성능 최적화가 효율 향상에 더 효과적입니다.

Q: 천연가스의 압력 증가가 엑서지 입력에 미치는 영향은 어떠합니까?

A: 가스 공급 압력을 115 kPa에서 170 kPa로 높이면 연료의 몰당 열역학적 엑서지(Thermomechanical exergy)가 322 kJ/kmol에서 1291 kJ/kmol로 증가합니다. 비록 화학적 엑서지에 비하면 작은 비중이지만, 시스템 전체의 가용 에너지 입력을 높여 효율 계산에 기여합니다.

Conclusion

본 연구는 알루미늄 용해로에 축열식 버너와 스테이지 연소 기술을 도입함으로써 에너지 효율 60%, 엑서지 효율 50%의 상대적 향상을 달성할 수 있음을 입증하였다. 특히 엑서지 분석 방법론은 단순 에너지 수지로는 파악하기 어려운 연소 및 열전달 과정의 비가역적 손실 지점을 명확히 식별하여, 공정 최적화를 위한 실질적인 가이드를 제공한다. 이러한 기술적 업그레이드는 연료 비용 절감과 환경 규제 대응이라는 두 가지 산업적 목표를 동시에 충족하며, 약 18개월의 투자 회수 기간을 통해 경제적 생존력을 확보할 수 있음을 보여준다.


Source Information

Citation: Lee, Dennis (2003). Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium melting furnace in a die casting plant. Ryerson University.

DOI/Link: http://digitalcommons.ryerson.ca/dissertations

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Figure 2. SEM analysis of physico- chemical soldering: (a) back scattered electron image (b) X-ray mapping of Al.

다이캐스팅의 미세 균열 및 금형 침식 분석

다이캐스팅의 미세 균열 및 금형 침식 분석

Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting

본 보고서는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 금형 수명과 주조 품질에 치명적인 영향을 미치는 솔더링(Soldering) 현상을 분석합니다. H13 금형강과 LM24 알루미늄 합금 사이의 상호작용을 통해 발생하는 미세 균열 및 침식 메커니즘을 이론적 모델과 실험적 데이터를 바탕으로 고찰합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 다이캐스팅 제조업
  • Material: H13 금형강, LM24 알루미늄 합금
  • Process: 고압 다이캐스팅 (High Pressure Die Casting)

Keywords

  • chemistry
  • die casting
  • die surface roughness
  • erosion
  • injection pressure
  • soldering
  • temperature

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 실제 산업 현장에서 사용 후 폐기된 알루미늄 필터 커버 주조용 금형을 대상으로 수행되었습니다. H13 금형강 시편의 솔더링 부위를 절단하여 15% 가성소다 용액으로 알루미늄을 제거한 후, 주사전자현미경(SEM)과 X-선 매핑을 통해 표면 상태와 화학적 원소 분포를 조사하였습니다. 실험은 용탕 온도 670-720°C, 주입 압력 80-100 MPa 등의 제어된 공정 매개변수 하에서 분석되었습니다.

Figure 2. SEM analysis of physico- chemical soldering: (a) back scattered electron image (b) X-ray mapping of Al.
Figure 2. SEM analysis of physico- chemical soldering: (a) back scattered electron image (b) X-ray mapping of Al.

Key Findings

솔더링이 발생한 금형 표면에서 반경 약 0.25 µm의 미세 구멍과 약 8 µm의 거대 구멍이 다수 관찰되었습니다. 게이트 인근 지역은 일반적인 위치보다 침식 정도가 심하며 미세 균열이 집중되는 경향을 보였습니다. 이론적 분석 결과, 금형 온도가 임계 온도(T0)에 도달하면 실제 접촉 면적 비율(Ar/Aa)이 급격히 증가하여 솔더링이 가속화됨을 정량적으로 확인하였습니다.

Industrial Applications

연구 결과는 금형의 조기 실패를 방지하기 위해 게이트 설계 최적화와 국부적 냉각 제어의 중요성을 시사합니다. 또한, PVD 코팅이나 레이저 용융 몰리브덴 코팅이 솔더링 저항성을 높이는 유효한 수단임을 입증하여 금형 유지보수 전략 수립에 기여합니다. 주입 압력과 속도의 정밀 제어를 통해 금형 표면의 물리적 세척 작용을 최소화하는 공정 가이드를 제공합니다.


Theoretical Background

원자 활성화 및 결합 이론

다이캐스팅 공정 중 고압 및 고속으로 주입되는 용탕은 금형 표면의 원자를 활성화시켜 원자 결합의 파괴와 재결합을 유도합니다. Maxwell-Boltzmann 법칙에 따라 활성화 상태에 있는 원자의 분율(f)은 온도와 활성화 에너지의 함수로 정의되며, 이는 알루미늄 원자가 금형강 내부로 확산되어 금속 간 화합물을 형성하는 기초가 됩니다. 활성화 에너지가 낮을수록 또는 온도가 높을수록 결합에 참여하는 원자 수가 증가하여 솔더링이 쉽게 발생합니다.

젖음성 및 접촉각 메커니즘

용탕과 금형 표면 사이의 젖음성(Wettability)은 솔더링 형성의 핵심 요인입니다. Wenzel의 법칙에 따르면 표면 거칠기 계수가 증가할수록 겉보기 접촉각이 변화하며, 이는 실제 접촉 면적을 넓히는 결과를 초래합니다. 특히 금형 표면의 미세 공동에 가스가 갇히는 현상은 접촉각 이력 현상을 유발하며, 반복적인 주조 사이클에 따라 거칠기가 심화되면 용탕과의 화학적 반응 면적이 기하급수적으로 늘어나게 됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 LM24 알루미늄 합금과 H13 금형강이 사용되었습니다. 주요 공정 파라미터는 용탕 온도 670-720°C, 금형 온도 200-250°C, 게이트 속도 35-40 m/sec, 주입 압력 80-100 MPa, 응고 시간 10초로 설정되었습니다. 수용성 금형 윤활제를 1:100 비율로 사용하였으며, 분석을 위해 솔더링된 알루미늄 층을 화학적으로 제거하여 금형 본체의 손상 상태를 보존하였습니다.

Visual Data Summary

SEM 분석 결과, 금형 표면에는 미세 구멍(Micro holes)과 미세 공동(Micro cavities)이 복합적으로 존재함이 확인되었습니다. 게이트 인근에서는 고속 유동에 의한 기계적 침식으로 인해 직선 형태의 계면뿐만 아니라 곡선 형태의 미세 균열이 관찰되었습니다. X-선 매핑을 통해 알루미늄 원자가 금형강 내부로 깊숙이 침투하여 전이층(Transition layer)을 형성하고 있음이 시각적으로 증명되었습니다.

Variable Correlation Analysis

주입 압력과 온도는 솔더링 형성과 양의 상관관계를 가집니다. 주입 압력이 높아지면 금형 표면의 보호 코팅층이 물리적으로 박리되어 용탕과 금형강의 직접적인 접촉을 유발합니다. 또한, 온도가 상승함에 따라 활성화 에너지를 극복한 원자들의 분율이 증가하여 실제 접촉 면적 비율(Ar/Aa)이 급격히 상승하며, 이는 화학적 결합력을 강화시켜 솔더링을 고착화시키는 것으로 분석되었습니다.


Paper Details

Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting

1. Overview

  • Title: Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting
  • Author: M BHASKAR, Tamil selvam nalluswamy
  • Year: 2021
  • Journal: Research Square (Preprint)

2. Abstract

금형 솔더링은 고압 다이캐스팅(HPDC) 산업에서 금형 수명과 주조 품질에 영향을 미치는 도전적인 과제입니다. 이는 금형 가동 중단 시간을 늘려 제품당 생산 비용을 상승시킵니다. 본 연구에서는 사용 후 폐기된 금형을 선정하여 솔더링이 발생한 구역의 원소 분포와 표면 상태를 조사하였습니다. 연구 결과, 솔더링 부위에는 수많은 미세 균열, 미세 구멍 및 미세 공동이 존재함이 밝혀졌습니다. 미세 구멍의 반경은 약 0.25 µm, 거대 구멍의 반경은 약 8 µm입니다. 금형 인서트는 H13 금형강으로 제작되었으며 LM24 알루미늄 합금이 주조에 사용되었습니다. 솔더링 메커니즘은 화학적, 물리적, 기계적 및 혼합형 솔더링으로 분류되었습니다. 솔더링 현상은 금형 온도, 용탕 온도, 주입 압력 및 속도, 금형 표면 거칠기를 바탕으로 연구되었습니다.

3. Methodology

3.1. 시편 채취: 실제 산업 현장에서 알루미늄 필터 커버를 생산하던 중 솔더링 및 침식으로 폐기된 H13 금형강 인서트를 확보하여 분석용 시편으로 절단함.
3.2. 화학적 세척: 금형 표면에 고착된 알루미늄 층을 제거하고 금형강의 본래 표면 손상 상태를 관찰하기 위해 15% 가성소다(NaOH) 용액에 시편을 20시간 동안 침지함.
3.3. 미세 구조 관찰: 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 솔더링 지역의 미세 구멍, 공동 및 균열을 관찰하고, X-선 매핑(X-ray mapping)을 통해 원소의 확산 및 분포 상태를 정밀 분석함.
3.4. 이론적 모델링: Maxwell-Boltzmann 법칙, Darcy 방정식, Wenzel 방정식 등을 결합하여 온도, 압력, 거칠기가 실제 접촉 면적 비율(Ar/Aa)에 미치는 영향을 수식화함.

4. Key Results

실험 결과, 솔더링은 단순한 부착이 아닌 금형강과 알루미늄 사이의 복합적인 상호작용임을 확인하였습니다. 게이트 근처의 침식률은 일반 부위보다 현저히 높았으며, 이는 고속 유동에 의한 기계적 마모가 선행된 후 화학적 결합이 일어남을 시사합니다. PVD 코팅이 적용된 금형은 초기 솔더링 저항성이 높으나, 반복적인 열 사이클에 의해 코팅층에 미세 균열이 발생하고 이것이 금형 내부로 전파되면서 결국 코팅층이 박리되는 실패 메커니즘을 보였습니다. 또한, 알루미늄 합금 내 철(Fe) 함량을 1.3 wt%까지 높이면 금형강 원자의 용출을 억제하여 솔더링을 완화할 수 있음을 밝혀냈습니다.

5. Mathematical Models

$$f = \exp\left(-\frac{\Delta U}{RT}\right)$$
$$\frac{A_r}{A_a} = A_0 \exp\left(-\frac{\Delta U}{RT}\right)$$
$$\frac{A_r}{A_a} = \exp\left\{-\frac{\Delta U}{R} \left(\frac{1}{T} – \frac{1}{T_0}\right)\right\}$$
$$\Delta T = \frac{u^2 \cos^2 \beta}{2C_m}$$
$$u = C_d \sqrt{\frac{2P}{\rho M}}$$
$$T_I = \frac{b_M T_M + b_m T_m}{b_M + b_m}$$
$$\frac{A_r}{A_a} = \exp \left[ \frac{2c\rho(b_M + b_m)\Delta U}{2c\rho R(b_M T_M + b_m T_m) + R b_M C_d^2 \cos^2 \beta P} + \frac{\Delta U}{RT_0} \right]$$

Figure List

  1. 솔더링된 금형의 표면 상태: (a) 일반 위치, (b) 게이트 인근 위치
  2. 물리-화학적 솔더링의 SEM 분석: (a) 후방 산란 전자 이미지, (b) Al의 X-선 매핑
  3. 기계적 솔더링의 SEM 분석: (a) 후방 산란 전자 이미지, (b) Al의 X-선 매핑
  4. 온도(T) 및 활성화 에너지(ΔU)가 Ar/Aa에 미치는 영향
  5. 주입 압력이 Ar/Aa 값에 미치는 영향
  6. 표면 거칠기 계수에 따른 겉보기 접촉각: (a) f1=1, (b) f2=0.8
  7. PVD 코팅이 없는 금형의 표면 상태 변화 과정
  8. PVD 코팅이 있는 금형의 표면 상태 변화 과정

References

  1. Nunes, V., et al. (2017). Increasing the lifespan of high-pressure die cast molds subjected to severe wear. Surface and Coatings Technology.
  2. Srivastava, A., et al. (2004). Computer modeling and prediction of thermal fatigue cracking in die-casting tooling. Wear.
  3. Wang, Bo, et al. (2016). Method to evaluate the adhesion behavior of aluminum-based alloys on various materials and coatings for lube-free die casting. Journal of Materials Processing Technology.

Technical Q&A

Q: 솔더링 현상을 분류하는 주요 기준은 무엇입니까?

본 논문에서는 솔더링 메커니즘에 따라 기계적(Mechanical), 물리-화학적(Physico-chemical), 그리고 이 두 가지가 결합된 혼합형(Mixed) 솔더링으로 분류합니다. 기계적 솔더링은 용탕이 금형의 미세 균열에 침투하여 굳어지면서 발생하며, 물리-화학적 솔더링은 고온에서 원자 간 확산 및 결합에 의해 발생합니다.

Q: 금형 표면의 미세 구멍 크기가 솔더링에 미치는 영향은?

실험 결과 반경 0.25 µm의 미세 구멍과 8 µm의 거대 구멍이 관찰되었습니다. 이러한 미세 공동은 용탕과의 실제 접촉 면적을 넓히고, 기계적 결합의 거점이 되어 솔더링 형성을 촉진합니다. 특히 거친 표면은 젖음성을 향상시켜 화학적 반응을 가속화합니다.

Q: 주입 압력이 높아지면 왜 솔더링이 심해집니까?

높은 주입 압력은 두 가지 작용을 합니다. 첫째, 금형 표면의 윤활제나 코팅층을 물리적으로 씻어내어(Washout) 용탕이 금형강에 직접 닿게 합니다. 둘째, 원자의 활성화 에너지를 높이고 활성 원자 수를 증가시켜 금형과 용탕 사이의 화학적 결합 가능성을 높입니다.

Q: 알루미늄 합금에 철(Fe)을 첨가하는 것이 어떤 도움이 됩니까?

알루미늄 합금 내 철 함량을 약 1.3 wt%까지 높이면 용탕 내 철 농도가 포화 상태에 가까워집니다. 이는 금형강 표면에서 철 원자가 용탕으로 녹아 나오는 확산 현상을 억제하여, 결과적으로 금속 간 화합물 형성과 솔더링 발생을 줄이는 효과가 있습니다.

Q: PVD 코팅의 솔더링 방지 메커니즘과 한계는 무엇입니까?

PVD 코팅은 용탕과 금형강 사이의 직접적인 화학 반응을 차단하는 장벽 역할을 합니다. 하지만 반복적인 주조 사이클에서 발생하는 열 응력으로 인해 코팅층에 미세 균열이 발생하면, 용탕이 균열을 통해 금형 기재로 침투하여 코팅층을 박리시키고 솔더링을 유발하게 됩니다.

Conclusion

본 연구는 다이캐스팅 금형의 솔더링이 단순한 표면 부착이 아닌, 온도, 압력, 표면 거칠기 및 화학적 조성이 복합적으로 작용하는 현상임을 규명하였습니다. 특히 금형 온도가 임계점에 도달할 때 실제 접촉 면적이 급격히 증가하며 솔더링이 가속화된다는 이론적 모델을 제시하였습니다. 이를 방지하기 위해서는 적절한 표면 코팅과 더불어 공정 매개변수의 정밀한 제어가 필수적입니다.

결론적으로, 금형 수명 연장을 위해서는 초기 설계 단계에서 게이트 속도와 주입 압력을 최적화하고, 알루미늄 합금의 화학적 조성을 조절하며, 내구성이 강한 보호 코팅을 적용하는 통합적인 접근 방식이 요구됩니다. 향후 연구에서는 코팅층의 균열 전파를 억제할 수 있는 다층 구조 코팅 기술에 대한 검토가 필요할 것으로 판단됩니다.


Source Information

Citation: M BHASKAR, Tamil selvam nalluswamy (2021). Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-495892/v1

Technical Review Resources for Engineers:


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Fig. 3. Casting pores in AlSi7Mg observed by metallography

X-선 컴퓨터 단층 촬영 및 금속 조직학을 이용한 주조 기공 특성 분석

X-선 컴퓨터 단층 촬영 및 금속 조직학을 이용한 주조 기공 특성 분석

CASTING PORE CHARACTERIZATION BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND METALLOGRAPHY

본 연구는 Al-Si 합금의 피로 특성에 결정적인 영향을 미치는 주조 기공을 정밀하게 분석하기 위해 전통적인 금속 조직학적 방법과 현대적인 X-선 컴퓨터 단층 촬영(XCT) 기술을 결합하여 비교 분석한 기술 보고서입니다. 특히 산업 현장에서 빈번히 발생하는 미세 수축 기공의 복잡한 형상이 피로 수명 예측에 미치는 영향을 중점적으로 다룹니다.

Paper Metadata

  • Industry: 자동차 (Automotive)
  • Material: AlSi7Mg 합금
  • Process: 주조 (Casting), 개량 처리 (Modification), 열처리 (T6)

Keywords

  • 피로 (Fatigue)
  • 금속 조직학 기술 (Metallographic techniques)
  • Al-Si 합금 (Al-Si alloy)
  • X-선 단층 촬영 (X-ray tomography)
  • 기공 특성 분석 (Pore characterization)
  • 미세 수축 기공 (Microshrinkage pores)
  • 최대 극치 분포 (LEVD)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 AlSi7Mg 합금을 대상으로 개량제(Na, Sr)와 주조 공정(금형 주조, 사형 주조)에 따른 세 가지 시편 세트(A, B, C)를 구성하였습니다. 모든 시편은 T6 열처리를 거쳤으며, 연마된 단면을 통해 금속 조직학적 분석을 수행하였습니다. 기공의 통계적 분석을 위해 Murakami의 최대 극치 분포(LEVD) 이론을 적용하였으며, 2D 분석의 한계를 극복하고자 X-선 컴퓨터 단층 촬영(XCT)을 이용한 3D 재구성을 병행하여 기공의 실제 형상과 분포를 조사하였습니다.

Fig. 1. Typical microstructure of AlSi7Mg aluminum cast alloy
Fig. 1. Typical microstructure of AlSi7Mg aluminum cast alloy

Key Findings

실험 결과, Na로 개량된 금형 주조 시편(Set A)이 Sr로 개량된 시편들보다 기공 크기의 산포가 가장 크게 나타났습니다. Gumbel 플롯 분석을 통해 예측된 최대 기공 크기는 실제 피로 균열을 유발하는 임계 결함 크기인 25-50 µm를 상회하는 것으로 확인되었습니다. 특히 XCT 분석을 통해 미세 수축 기공이 단순한 구형이 아닌 복잡한 분지 구조를 가진 “팔(arms)” 형태임을 입증하였으며, 이는 2D 단면 분석에서 실제보다 작은 여러 개의 기공으로 오인될 수 있음을 정량적으로 보여주었습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 자동차용 알루미늄 주조 부품의 피로 수명을 보다 정확하게 예측하는 데 활용될 수 있습니다. 주조 공정 설계 시 개량제 선택과 냉각 속도 제어가 기공 크기 분포에 미치는 영향을 정량화함으로써 결함 제어 전략 수립이 가능합니다. 또한, XCT 데이터를 기반으로 한 3D 결함 모델링은 유한요소해석(FEM)과 결합하여 부품의 구조적 건전성을 평가하는 고도화된 품질 관리 프로세스에 기여할 수 있습니다.


Theoretical Background

Murakami의 통계적 방법 (Murakami’s Statistical Method)

Murakami의 방법은 금속 조직의 제한된 관찰 면적(S0) 내에서 발견된 최대 결함 크기를 기반으로, 더 넓은 실제 부품 영역(S)에서 발생할 수 있는 최대 결함 크기를 통계적으로 예측하는 기법입니다. 이는 최대 극치 분포(Largest Extreme Value Distribution, LEVD)를 따르며, Gumbel 분포 함수를 사용하여 데이터의 선형 회귀 분석을 수행합니다. 이 방법은 피로 균열의 기점이 되는 가장 치명적인 결함의 크기를 예측하는 데 매우 효과적이며, 본 연구에서는 기공 면적의 제곱근(area^1/2)과 최대 Feret 직경을 매개변수로 사용하여 그 유효성을 검증하였습니다.

미세 수축 기공 형성 기전 (Microshrinkage Pore Formation)

미세 수축 기공은 합금의 응고 과정에서 액상이 고상으로 변할 때 발생하는 체적 수축을 보충하기 위한 용탕의 공급(Feeding)이 차단될 때 형성됩니다. 특히 응고 범위가 넓은 합금에서는 수지상(Dendrite) 사이의 좁은 채널을 통해 용탕이 이동해야 하는데, 응고가 진행됨에 따라 이 채널이 폐쇄되면서 고립된 영역에 진공 또는 가스가 포함된 공동이 생기게 됩니다. 이러한 기공은 수지상 구조를 따라 성장하기 때문에 매우 불규칙하고 복잡한 형상을 가지며, 이는 단순 가스 기공보다 응력 집중을 심화시켜 피로 특성을 악화시키는 주요 원인이 됩니다.

Fig. 2. Typical porosity of AlSi7Mg cast alloy
Fig. 2. Typical porosity of AlSi7Mg cast alloy

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 AlSi7Mg 합금이 사용되었으며, 개량제와 주조 방식에 따라 Set A(Na 개량, 금형), Set B(Sr 개량, 금형), Set C(Sr 개량, 사형)로 구분하였습니다. 금속 조직 분석은 STN 42 0491 표준에 따라 수행되었으며, NIS Element 5 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 기공의 기하학적 특성을 측정하였습니다. 2차 수지상 암 간격(SDAS)은 선형법을 통해 측정되었으며, Set A와 B는 약 30-32 µm, Set C는 40 µm로 나타났습니다. XCT 분석은 4mm 직경의 원통형 시편을 대상으로 고해상도 스캔을 실시하여 3D 재구성을 완료하였습니다.

Visual Data Summary

Fig 4의 Gumbel 플롯 분석 결과, 모든 시편 세트에서 측정된 기공 데이터가 양호한 선형성을 보였습니다. 이는 LEVD 이론이 AlSi7Mg 합금의 기공 분포를 설명하는 데 적합함을 의미합니다. Fig 6의 3D 재구성 이미지는 미세 수축 기공의 복잡한 분지 구조와 조밀한 형태를 시각적으로 명확히 보여줍니다. 특히 Fig 7의 단면 시뮬레이션은 하나의 거대한 3D 기공이 2D 절단면에서는 여러 개의 독립된 작은 기공들로 관찰될 수 있음을 입증하여, 전통적인 금속 조직학적 측정 방식의 잠재적 오류를 지적하였습니다.

Fig. 3. Casting pores in AlSi7Mg observed by metallography
Fig. 3. Casting pores in AlSi7Mg observed by metallography

Variable Correlation Analysis

분석 결과, SDAS 값과 최대 기공 크기 사이에는 밀접한 상관관계가 관찰되었습니다. 냉각 속도가 느린 사형 주조(Set C)에서 SDAS가 가장 컸으나, 오히려 예측된 최대 기공 크기는 Na 개량 금형 주조(Set A)에서 가장 높게 나타났습니다. 이는 기공 형성이 단순히 냉각 속도뿐만 아니라 사용된 개량제의 종류와 그에 따른 용탕의 유동성 및 응고 거동 변화에 복합적으로 영향을 받음을 시사합니다. 또한, 기공 면적(area^1/2)과 최대 Feret 직경을 이용한 예측값 모두 유사한 통계적 경향을 보여 두 매개변수 모두 유효한 지표임을 확인하였습니다.


Paper Details

CASTING PORE CHARACTERIZATION BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND METALLOGRAPHY

1. Overview

  • Title: CASTING PORE CHARACTERIZATION BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND METALLOGRAPHY
  • Author: Stanislava Fintová, Giancarlo Anzelotti, Radomila Konečná, Gianni Nicoletto
  • Year: 2010
  • Journal: The Archive of Mechanical Engineering

2. Abstract

주조 기공은 Al-Si 합금의 피로 특성에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 알루미늄 주조물의 사용이 증가함에 따라, 기공 특성 분석은 피로 강도를 추정하는 데 유용합니다. 원칙적으로 금속 조직학적 기술과 통계적 기공 분석의 결합은 주조물에 치명적인 최대 결함 크기를 예측하는 데 적합한 접근 방식입니다. 본 연구에서는 AlSi7Mg 합금 시편에서 개량제와 주조 기술이 최대 기공 크기 분포에 미치는 영향을 Murakami의 접근 방식을 채택하여 도출하고 논의합니다. 그러나 산업용 주조물에서 빈번히 발견되는 미세 수축 기공의 경우 기공 평가가 쉽지 않습니다. 이들의 복잡한 형태는 금속 조직학적 기술에 기반한 등가 결함 크기의 신뢰할 수 있는 정의를 방해합니다. 본 논문은 주조 Al-Si 합금의 실제 기공을 3D로 재구성하기 위한 X-선 단층 촬영의 적용을 보고하며, 금속 조직학에 의한 미세 수축 기공 크기 측정의 복잡성에 대한 통찰을 제공합니다.

3. Methodology

3.1. 시편 준비: AlSi7Mg 합금을 사용하여 Na 개량/금형 주조(Set A), Sr 개량/금형 주조(Set B), Sr 개량/사형 주조(Set C)의 세 가지 조건으로 시편을 제작하고 T6 열처리를 수행함.
3.2. 금속 조직학적 분석: 시편 단면을 연마한 후 광학 현미경과 NIS Element 5 소프트웨어를 사용하여 기공의 면적과 Feret 직경을 측정하고 SDAS를 산출함.
3.3. 통계적 예측: Murakami의 LEVD 모델을 적용하여 Gumbel 플롯을 작성하고, 특정 면적(10 mm^2, 100 mm^2)에 대한 최대 기공 크기를 외삽함.
3.4. X-선 단층 촬영(XCT): 4mm 직경의 시편을 대상으로 XCT 스캔을 실시하고 전용 소프트웨어를 통해 기공의 3D 형상을 재구성하여 2D 분석 결과와 비교함.

4. Key Results

통계 분석 결과, Na로 개량된 Set A 시편이 가장 큰 기공 크기 산포와 최대 예측값을 보였습니다. Sr 개량 시편(Set B, C)은 상대적으로 균일한 기공 분포를 나타냈습니다. XCT 분석을 통해 미세 수축 기공이 매우 복잡하고 상호 연결된 구조를 가짐을 확인하였으며, 이는 2D 단면 관찰 시 결함의 심각성을 과소평가할 수 있는 주요 원인으로 밝혀졌습니다. 또한, 예측된 모든 최대 기공 크기는 임계 결함 크기보다 크게 나타나, 피로 균열이 기공에서 우선적으로 발생할 것임을 시사합니다.

5. Mathematical Models

본 연구에서 사용된 Gumbel 분포의 표준화 변수 식은 다음과 같습니다:
$$y_j = -\ln(-\ln(j/(n + 1)))$$
여기서 $j$는 크기 순으로 정렬된 데이터의 순위이며, $n$은 총 관찰 횟수입니다. 이 식을 통해 얻은 $y_j$ 값을 기공 크기 $x_{(j)}$에 대해 플로팅하여 선형 회귀 분석을 수행합니다.

Figure List

  1. Fig. 1. AlSi7Mg 알루미늄 주조 합금의 전형적인 미세 조직
  2. Fig. 2. AlSi7Mg 주조 합금의 전형적인 기공 형태
  3. Fig. 3. 금속 조직학으로 관찰된 AlSi7Mg의 주조 기공 (측정 스킴 및 미세 수축 기공 형태)
  4. Fig. 4. LEVD 이론에 따른 AlSi7Mg 합금의 최대 기공 크기 분포
  5. Fig. 5. AlSi7Mg 주조 합금 시편 내 기공의 3D 재구성
  6. Fig. 6. X-선 단층 촬영으로 식별된 주조 결함의 3D 모델 (복잡한 형태 vs 조밀한 형태)
  7. Fig. 7. 미세 수축 기공의 3D 모델 단면과 금속 조직 단면에서의 기공 클러스터 결과 비교

References

  1. Q.G. Wang, et al., Journal of Light Metals, 1, 2001, pp. 73-84.
  2. Q.G. Wang, P.E. Jones, Metallurgical and Materials Transactions B, 38B, 2007, pp. 615-621.
  3. Y. Murakami, Metal Fatigue: Effects of small defects and nonmetallic inclusions, Elsevier, 2002.
  4. P. Powazka, et al., Proc. Leoben Fatigue Symposium, 2008.

Technical Q&A

Q: 미세 수축 기공이 피로 특성에 미치는 영향이 일반 가스 기공보다 큰 이유는 무엇입니까?

미세 수축 기공은 응고 과정에서 수지상 사이의 채널을 따라 형성되기 때문에 매우 불규칙하고 날카로운 “팔(arms)” 구조를 가집니다. 이러한 복잡한 형상은 구형에 가까운 가스 기공에 비해 주변 기질에 훨씬 높은 응력 집중을 유발합니다. 유한요소해석(FEM) 결과에 따르면, 이러한 분지형 구조는 동일한 크기의 둥근 기공보다 훨씬 큰 국부 응력을 발생시켜 피로 균열의 개시와 전파를 가속화합니다.

Q: Murakami의 통계적 방법을 주조 결함 분석에 사용할 때의 주요 이점은 무엇입니까?

실제 주조 부품 전체를 현미경으로 전수 조사하는 것은 불가능합니다. Murakami의 방법은 비교적 작은 검사 면적(S0)에서 얻은 최대 결함 데이터를 LEVD(최대 극치 분포) 이론에 대입하여, 부품의 실제 응력 집중 영역(S)에서 존재할 가능성이 있는 가장 큰 결함의 크기를 통계적으로 예측할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 실험실 수준의 데이터로 실제 부품의 피로 한도를 신뢰성 있게 추정할 수 있습니다.

Q: 2D 금속 조직학적 분석이 기공 크기를 과소평가할 수 있는 이유는 무엇입니까?

XCT 3D 재구성 결과에 따르면, 미세 수축 기공은 공간적으로 복잡하게 연결된 하나의 거대한 결함인 경우가 많습니다. 그러나 이를 임의의 2D 평면으로 절단하여 관찰하면, 연결 부위가 잘려나가 마치 여러 개의 작은 독립된 기공들이 모여 있는 것처럼 보일 수 있습니다. 이 경우 분석가는 이를 개별 결함으로 측정하게 되어, 실제 피로 거동을 지배하는 거대 결함의 존재를 놓치게 됩니다.

Q: 본 연구에서 개량제(Na, Sr)에 따라 기공 특성이 어떻게 다르게 나타났습니까?

실험 결과, Na로 개량된 시편(Set A)이 Sr로 개량된 시편(Set B, C)에 비해 기공 크기의 데이터 산포가 훨씬 크게 나타났으며, 예측된 최대 기공 크기도 더 높았습니다. 이는 개량제의 종류에 따라 응고 시 용탕의 공급 능력과 기공 핵 생성 거동이 달라짐을 의미하며, AlSi7Mg 합금의 경우 Sr 개량이 Na 개량보다 기공 결함 제어 측면에서 더 유리할 수 있음을 시사합니다.

Q: XCT 기술이 주조 공정 최적화에 어떻게 기여할 수 있습니까?

XCT는 기공의 3D 형상뿐만 아니라 시편 내에서의 정확한 위치, 자유 표면과의 거리, 결함 간의 근접도 등을 비파괴적으로 파악할 수 있게 해줍니다. 이러한 입체적인 데이터는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 정확도를 검증하는 데 사용될 수 있으며, 특히 응력 집중이 예상되는 부위의 결함 분포를 정밀 제어함으로써 부품의 경량화와 내구성 향상을 동시에 달성하는 데 기여합니다.

Conclusion

본 연구를 통해 Murakami의 통계적 모델이 AlSi7Mg 합금의 최대 주조 결함 크기를 예측하는 데 유효한 도구임을 확인하였습니다. 특히 X-선 컴퓨터 단층 촬영(XCT)은 전통적인 2D 금속 조직학적 분석이 가진 한계를 명확히 규명하였으며, 미세 수축 기공의 복잡한 3D 구조가 피로 수명 평가에 반드시 고려되어야 함을 입증하였습니다. 이러한 통합적 분석 접근 방식은 고신뢰성이 요구되는 자동차 및 항공용 알루미늄 주조 부품의 설계 및 품질 보증 프로세스를 혁신하는 데 중요한 기초 자료가 될 것입니다.


Source Information

Citation: Stanislava Fintová, Giancarlo Anzelotti, Radomila Konečná, Gianni Nicoletto (2010). CASTING PORE CHARACTERIZATION BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND METALLOGRAPHY. The Archive of Mechanical Engineering.

DOI/Link: 10.2478/v10180-010-0014-y

Technical Review Resources for Engineers:

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Casting simulation

Replication Casting and Additive Manufacturing for Fabrication of Cellular Aluminum with Periodic Topology: Optimization by CFD Simulation

주기적 토폴로지를 가진 셀룰러 알루미늄 제작을 위한 복제 주조 및 적층 제조: CFD 시뮬레이션을 통한 최적화

연구 목적

  • 본 연구는 적층 제조(AM) 및 정밀 주조(Investment Casting)를 활용하여 셀룰러 알루미늄을 제작하는 방법을 제시함.
  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 통해 금속 폼(metal foam)의 충진 과정 및 형성 메커니즘을 최적화함.
  • 주기적(open-cell) 구조를 가진 다공성 금속 제작의 적절한 공정 변수를 결정하여 품질을 개선하고자 함.
  • 본 연구에서 개발된 공정이 충격 방지 장치, 진동 감쇠 장치 및 열 전달 향상 장치 등의 다기능 구조물 제작에 적용 가능함을 검증함.

연구 방법

  1. 프리폼(preform) 설계 및 제작
    • ABS 및 왁스를 사용한 3D 프린팅을 활용하여 다공성 구조의 프리폼을 제작함.
    • 정밀 주조 기법을 사용하여 A356 알루미늄 합금으로 프리폼을 금속화(replication casting)하여 최종 구조를 제작함.
    • Rhino 및 FLOW-3D® 소프트웨어를 활용하여 설계 모델을 최적화함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 수행
    • 용탕 충진(filling) 및 응고(solidification) 과정에서 온도 및 유동 패턴을 예측함.
    • 충진 과정에서 발생할 수 있는 기공 형성(porosity) 및 미세 구조 불균일성을 평가함.
    • 시뮬레이션 결과를 기반으로 주조 공정 변수(주조 온도, 주형 온도 등)를 조정하여 최적 조건을 도출함.
  3. 실험 검증 및 결과 분석
    • 충진 실험을 통해 시뮬레이션 결과와 실제 주조물의 품질을 비교 분석함.
    • 주조 후 X-ray 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 통해 미세 구조 및 결함을 평가함.
    • 최적화된 조건에서 제작된 시편을 기계적 특성 시험(충격 흡수, 강도 평가 등)하여 구조적 성능을 검토함.

주요 결과

  1. 주조 충진 거동 및 품질 평가
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과, 최적 충진 조건에서 금속 폼 구조의 85~100% 충진율을 확보함​.
    • 주조 온도와 주형 온도를 조정할 경우, 공기 갇힘(air entrapment) 및 기공 형성률이 감소함.
    • 온도 분포가 균일할수록 다공성 구조의 기계적 강도가 향상됨.
  2. 다공성 구조 특성 및 기계적 성능 평가
    • 주조된 알루미늄 폼의 미세 구조는 설계된 주기적 셀 구조와 일치함.
    • 720°C의 주조 온도와 500°C의 주형 온도에서 가장 높은 품질을 달성함​.
    • 충격 저항 및 기계적 강도가 높은 특성을 보여, 진동 감쇠 및 충격 방지 소재로 활용 가능함.
  3. 시뮬레이션 및 실험 결과 비교 검증
    • 실제 주조 결과와 CFD 시뮬레이션 예측 간 높은 상관관계 확인.
    • 다공성 구조 제작 시 균일한 충진 및 결함 최소화를 위한 시뮬레이션 기반 설계 최적화가 효과적임.
    • Rhino 및 FLOW-3D®를 결합한 설계-제조 프로세스가 고품질의 금속 폼 제작에 적합함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 다공성 금속 폼 제작 공정을 최적화할 수 있음을 입증함.
  • 720°C 주조 온도와 500°C 주형 온도에서 가장 높은 품질을 확보할 수 있음.
  • 적층 제조와 정밀 주조를 결합한 공정이 다양한 산업 분야(충격 방지, 열 교환 등)에 활용 가능함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 재료 및 주조 변수에 따른 기계적 성능 최적화를 추가적으로 검토할 필요가 있음.

Reference

  1. Ashby MF, Evans AG, Fleck NA, Gibson LJ, Hutchinson JW, Wadley HNG (2000) Making metal foams. Metal foams: a design guide. Butterworth-Heinemann, Woburn, pp 6–23
  2. Lázaro J, Solórzano E, Rodríguez-Pérez MA, Kennedy AR (2016) Efect of solidifcation rate on pore connectivity of aluminium foams and its consequences on mechanical properties. Mater Sci Eng A 672:236– 246. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.07.015
  3. Banhart J, Manufacture, (2001) Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Prog Mater Sci 46:559–632. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(00)00002-5
  4. Fernández P, Cruz LJ, Coleto J (2008) Manufacturing processes of cellular metals. Part I: Liquid route processes. Rev Metal 44:540–555. https://doi.org/10.3989/revmetalm.0767
  5. Fernández P, Cruz LJ, Coleto J (2009) Procesos de fabricación de metales celulares. Parte II: Vía sólida, deposición de metales, otros procesos. Rev Metal 45:124–142. https://doi.org/10.3989/revmetalm.0806
  6. Mirzaei-Solhi A, Khalil-Allaf J, Yusef M, Yazdani M, Mohammadzadeh A (2018) Fabrication of aluminum foams by using CaCO3 foaming agent. Mater Res Express 5:096526. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aad88a
  7. Cao D, Malakooti S, Kulkarni VN et al (2021) Nanoindentation measurement of core–skin interphase viscoelastic properties in a sandwich glass composite. Mech Time-Depend Mater 25:353–363. https://doi.org/10.1007/s11043-020-09448-y
  8. Cao D et al (2021) The effect of resin uptake on the flexural properties of compression molded sandwich composites. Wind Energy. 2022; 25:71–93. https://doi.org/10.1002/we.2661
  9. Wang X et al (2021) The interfacial shear strength of carbon nanotube sheet modified carbon fiber composites. In: Silberstein M, Amirkhizi A (eds) Challenges in mechanics of time dependent materials, Volume 2. Conference Proceedings of theSociety for Experimental Mechanics Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59542-5_4
  10. García-Moreno F (2016) Commercial applications of metal foams: their properties and production. Materials 9:85. https://doi.org/10.3390/ma9020085
  11. Atwater MA, Guevara LN, Darling KA, Tschopp MA (2018) Solid state porous metal production: a review of the capabilities, characteristics, and challenges. Adv Eng Mater 20:1–33. https://doi.org/10.1002/adem.201700766
  12. Gutiérrez-Vázquez JA, Oñoro J (2008) Espumas de aluminio. Fabricación, propiedades y aplicaciones. Rev Metal 44:457– 476. https://doi.org/10.3989/revmetalm.0751
  13. Matz AM, Mocker BS, Christian U, Jost N (2014) Microstructural evolution in investment casted open-pore aluminum-based alloy foams. Procedia Materials Science: 8th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, Metfoam 2013:139–144. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.551
  14. Matz A, Mocker B, Muller D, Jost N, Eggeler G (2014) Mesostructural design and manufacturing of open-pore metal foams by investment casting. Adv Mater Sci Eng 421729. https://doi.org/10.1155/2014/421729
  15. Altug Guler K (2015) Solid mold investment casting –a replication process for open cell foam metal production. Materials Testing 57:795–798. https://doi.org/10.3139/120.110769
  16. Sutygina A, Betke U, Hasemann G, Schefer M (2020) Manufacturing of open-cell metal foams by the sponge replication technique. Symposium on Materials and Joining Technology. IOP Conf Ser: Mater Sci Eng 882 012022. https://doi.org/10.1088/1757-899X/882/1/012022
  17. Cingi C, Niini E, Orkas J (2009) Foamed aluminum parts by investment casting. Colloids Surf, A 344:113–117. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.01.006
  18. Li Y et al (2018) Additively manufactured biodegradable porous magnesium. Acta Biomater 67:378–392. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.12.008
  19. Li Y et al (2019) Biodegradation-affected fatigue behavior of additively manufactured porous magnesium. Addit Manuf 28:299–311. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.05.013
  20. Feng X, Zhang Z, Cui X, Jin G, Zheng W, Liu H (2018) Additive manufactured closed-cell aluminum alloy foams via laser melting deposition process. Mater Lett 233:126–129. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.08.146
  21. Legutko S (2018) Additive techniques of manufacturing functional products from metal materials. IOP Conf Ser Mater Sci Eng 393:012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/393/1/012003
  22. Chantarapanich N, Puttawibul P, Sucharitpwatskul S, Jeamwatthanachai P, Inglam S, Sitthiseripratip K (2012) Scafold library for tissue engineering: a geometric evaluation. Comput Math Methods Med 2012:407805. https://doi.org/10.1155/2012/407805
  23. Wenninger MJ (2015) Polyhedron models. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511569746
  24. Stansbury JW, Idacavage MJ (2016) 3D printing with polymers: challenges among expanding options and opportunities. Dent Mater 32:54–64. https://doi.org/10.1016/j.dental.2015.09.018
  25. Das S, Bourell DL, Babu SS (2016) Metallic Materials For 3D Printing. MRS Bull 41:729–741. https://doi.org/10.1557/mrs.2016.217
  26. Wei Ch, Li L, Zhang X, Chueh Y-H (2018) 3D printing of multiple metallic materials via modifed selective laser melting. CIRP Ann 67:245–248. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.04.096
  27. Costanza G, Tata ME, Trillicoso G (2021) Al foams manufactured by PLA replication and sacrifice. Int J Lightweight Mater Manufac 4:62–66. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.07.001
  28. Pinto P, Peixinho N, Soares D, Silva F (2015) Process development for manufacturing of cellular structures with controlled geometry and properties. Mat Res 18:274–282. https://doi.org/10.1590/1516-1439.286614
  29. Cheah CM, Chua CK, Lee CW, Feng C, Totong K (2005) Rapid prototyping and tooling techniques: a review of applications for rapid investment casting. Int J Adv Manuf Technol 25:308–320. https://doi.org/10.1007/s00170-003-1840-6
  30. Heiss T, Klotz UE, Tiberto D (2015) Platinum investment casting, part I: simulation and experimental study of the casting process. Johnson Matthey Technol Rev 59:95–108. https://doi.org/10.1595/205651315×687399
  31. Grande MA, Porta L, Tiberto D (2007) Computer simulation of the investment casting process: widening of the filling step. The Santa Fe Symposium Jewelry Manufacturing Technology 1-18:53658215
  32. Kader MA, Islam MA, Hazell PJ, Escobedo JP, Saadatfar M, Brown AD, Appleby-Thomas GJ (2016) Modelling and characterization of cell collapse in aluminium foams during dynamic loading. Int J Impact Eng 96:78–88. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2016.05.020
  33. Pulvirenti B, Celli M, Barletta A (2020) Flow and convection in metal foams: a survey and new CFD results. Fluids 5:155. https://doi.org/10.3390/fluids5030155
  34. Diop M, Hao H, Dong H-W, Zhang X-G, Yao S, Jin J-Z (2011) Modelling of solidification process of aluminium foams using lattice Boltzmann method. Int J Cast Met Res 24:158–162. https://doi.org/10.1179/136404611X13001912813861
  35. Hao H, Diop M, Yao S, Zhang X-G (2010) Numerical simulation of bubbles expansion and solidification of metal foams. Mater Sci Forum 654–656:1549–1552. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1549
  36. Barzegari M, Bayani H, Mirbagheri SMH, Shetabivash Ha (2019) Multiphase aluminum A356 foam formation process simulation using lattice Boltzmann method. J Market Res 8:1258–1266. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.03.010
  37. Barkhudarov MR, Hirt CW (1995) Casting simulation: mold filling and solidification-benchmark calculations using flow3D. In Proceedings of the Ninth International Conference on Modeling of Casting, Welding and Advanced SolidificationProcesses. https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/Casting-Simulation-Mold-Filling-and-Solidification-Benchmark-Calculations-Using-FLOW-3D.pdf
  38. Dizon JRC, Espera AH, Chen Q, Advincula RC (2018) Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Addit Manuf 20:44–67. https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.12.002
  39. Matweb (1996) www.matweb.com
  40. Staff FMT, & Foundry Management and Technology (2015) Why infrared heating stands apart for preheating sand molds. Retrieved August 2, 2017, from http://www.foundrymag.com/moldscores/hot-idea-mold-preheating-and-more.
  41. Anglani A, Pacella M (2018) Logistic regression and response surface design for statistical modeling of investment casting process in metal foam production. Procedia CIRP 67:504–509
  42. Giannitelli SM, Accoto D, Trombetta M, Rainer A (2014) Current trends in the design of scaffolds for computer-aided tissue engineering. Acta Biomater 10:580–594
  43. Dumas M, Terriault P, Brailovski V (2017) Modelling and characterization of a porosity graded lattice structure for additively manufactured biomaterials. Mater Des 121:383–392
Filling simulation

Simulation of a Thixoforging Process of Aluminium Alloys with FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금의 Thixoforging 공정 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: Thixoforming반고체 상태(Semi-Solid State)에서 복잡한 형상의 부품을 고품질 기계적 특성으로 생산할 수 있는 성형 기술이다.
    • ThixoformingThixocastingThixoforging으로 나뉘며, Thixoforging은 유압 프레스(Hydraulic Presses)를 사용하여 닫힌 금형 내에서 성형이 이루어진다.
    • 알루미늄 합금(A356)의 전단 속도(Shear Rate)와 전단 시간(Shear Time)에 따른 의사점도(Apparent Viscosity) 변화를 고려해야 한다.
    • 금형 충전 시뮬레이션성형력(Forming Force) 및 금형 충전 특성 분석을 통해 최적의 점도 매개변수 선택을 돕는다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 Thixoforging 공정의 금형 충전 시뮬레이션을 수행하고, 점도 매개변수(Initial Viscosity, Thinning Rate)에 따른 충전 특성 비교.
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 신뢰성 검증반고체 소재의 최적 성형 조건 제시.
    • 스포츠 차량의 서스펜션 부품(Steering Knuckle)과 같은 복잡한 형상의 실 부품 적용 가능성 평가.

연구 방법

  1. Thixoforging 공정 개요 및 수치 모델링
    • Thixoforging 공정반고체 빌렛(Semi-Solid Billet)을 닫힌 금형 내에서 유압 프레스를 통해 Near-Net-Shape 부품 성형.
    • FLOW-3D 시뮬레이션 설정:
      • 유체 흐름 방정식(Continuity, Momentum, Energy Equation)을 라그랑지안(Langarian) 방식으로 유한 차분법(Finite Difference Method) 사용.
      • 의사점도 모델(Apparent Viscosity Model)을 적용하여 전단율(Shear Rate, γD), 전단 시간(Shear Time, t) 및 고체 분율(Fraction Solid, fs)에 따른 점도 변화 모델링.
      • Scheil 방정식(Scheil Equation)을 이용하여 고체 분율(f_s) 계산.
  2. 점도 매개변수 및 시뮬레이션 조건
    • 점도 매개변수 설정:
      • 초기 점도(Initial Viscosity): 1300 ~ 13000 Pas.
      • Thinning Rate(점도 감소율): 1 ~ 40 s¹.
    • 축대칭 모델(Axisymmetric Model) 실험 설정:
      • 단순 형상(Cup)을 이용하여 금형 충전 특성 분석.
      • 성형력 계산 및 실험 결과와 비교.

주요 결과

  1. 금형 충전 및 성형력 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과실험 결과 간의 높은 일치도 확인.
    • 성형력(Forming Force) 계산:
      • 초기 점도 1300 Pas, Thinning Rate 1 s¹에서 성형력 예측 정확도 높음.
      • 성형 초반부에서는 높은 Thinning Rate가 실제 성형력과 유사, 성형 후반부에서는 낮은 Thinning Rate가 적합.
      • 이중 점도 감소 특성(Two-Stage Thinning Behavior)을 통해 정확도 개선 가능성 제시.
  2. 복잡 형상의 서스펜션 부품(Steering Knuckle) 적용 가능성 평가
    • 산업용 Steering Knuckle 부품 시뮬레이션을 통해 금형 충전 특성 분석.
    • 초기 설계 단계에서 시뮬레이션을 활용하여 금형 설계를 최적화:
      • Overflow 영역의 단면을 수정하여 균일한 물질 흐름 확보.
      • 산화물(Oxide) 및 윤활제 포집을 Overflow로 이동시켜 고강도 용접부(Welding Zone) 형성.
    • 재료 흐름이 Overflow Inlet에서 일치하지 않는 문제 발견, Cross-Section 수정으로 개선 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 통한 Thixoforging 공정 시뮬레이션이 실제 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 점도 매개변수(Initial Viscosity, Thinning Rate)에 따른 성형력 및 금형 충전 특성을 정량적으로 평가 가능.
    • 스포츠 차량 서스펜션 부품의 성형에도 적용 가능성 입증.
    • 초기 설계 단계에서 시뮬레이션을 통해 금형 설계를 최적화할 수 있어 시간과 비용 절감.
  • 향후 연구 방향:
    • 복잡한 형상의 부품에 대한 추가적인 시뮬레이션 연구.
    • 이중 점도 감소 모델을 도입하여 시뮬레이션 정확도 개선.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 반고체 공정 최적화 시스템 개발.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 Thixoforging 공정에서 반고체 알루미늄 합금의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 복잡한 형상의 부품 성형에서도 높은 품질을 유지할 수 있는 설계 가이드라인을 제공하며, 자동차 및 항공우주 산업의 생산성 증대 및 비용 절감에 기여할 수 있다​.

Reference

  1. Baur, J.; Wolf, A.; Fritz, W. Thixoforging von Aluminium und Messing – Produkte, Werkzeuge und Maschinen In: Tagungsband Neuere Entwicklungen in der Massivumformung, Hrsg.: K. Siegert, S. 195-220 Stuttgart Fellbach, 19.-20. Mai 1999
  2. Web page at www.flow3d.com
  3. Quaak, C.J. Rheology of Partial Solidified Aluminium Composites Dissertation, TU Delft, 1996
  4. Wahlen, A. Computermodellierung thixotroper Formgebungsprozesse Workshop: Neue Werkstoffe und resultierende Verfahrenskonzepte für das Thixoforming, Zürich, 1999
  5. Kapranos, P.; Kirkwood, D.H.; Barkhudarov, M.R Modeling of Structural Breakdown During Rapid Compression of Semi-Solid Alloy Slugs Proc. of the 5th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Editors: Kumar Bhasin, A. et al., pp. 123 – 130, Colorado School of Mines, Golden (Colorado) USA, June 23 – 25, 1998
  6. Joly P.A.; Mehrabian, R The Rheology of Partial Solid Alloy J. Mater. Sci., 1976, 11 S. 1393ff
  7. Baur, J.; Wolf, A.; Gullo, C. Thixo-Schmieden von Pkw-Komponenten In: Tagungsband Neuere Entwicklungen in der Massivumformung, Hrsg.: K. Siegert, Stuttgart Fellbach, 16.-17. Mai 2001
spure

Novel Sprue Designs in Metal Casting via 3D Sand-Printing

3D 샌드 프린팅을 이용한 금속 주조용 신규 스프루 설계

연구 목적

  • 본 연구는 **3D 샌드 프린팅(3DSP)**을 활용하여 주조 스프루(sprue) 설계를 최적화하고, 금속 용탕 흐름을 개선하는 방법을 분석함.
  • 전통적 주조 유체역학 원리를 기반으로 컴퓨터 유체 역학(CFD) 모델을 개발하여, 스프루 설계에 따른 용탕 흐름 특성과 주조 결함 감소 효과를 평가함.
  • 세 가지 스프루 설계(직선 스프루, 포물선 스프루, 원뿔형 나선 스프루)를 비교 분석하여 최적 형상을 도출함.
  • 실험 및 FLOW-3D® 시뮬레이션을 통해 스프루 최적화가 기계적·야금학적 성능 향상에 미치는 영향을 검증함.

연구 방법

  1. 스프루 설계 및 최적화
    • 직선 스프루(Straight Sprue Casting, SSC), 포물선 스프루(Parabolic Sprue Casting, PSC), 원뿔형 나선 스프루(Conical-Helix Sprue Casting, CHSC) 세 가지 설계를 비교함.
    • 최적화 알고리즘을 적용하여 유체 흐름 및 산화물 형성 최소화 조건을 도출함.
    • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 각 설계의 유동 속도, 난류 강도 및 충진 특성을 평가함.
  2. 실험 및 시뮬레이션 검증
    • CT(Computed Tomography) 스캔 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 수행하여 주조 결함 및 산화물 포획 정도를 평가함.
    • ASTM E290 기준 3점 굽힘(flexural strength) 시험을 수행하여 기계적 강도를 비교함.
    • 스프루 설계 변경이 주조 결함(기포, 산화물 포함물) 및 최종 기계적 특성에 미치는 영향을 분석함.

주요 결과

  1. 유동 속도 및 충진 거동 분석
    • CHSC 및 PSC 설계가 SSC 대비 주형 충진 속도를 감소시켜 용탕 난류를 줄이는 효과가 있음.
    • CHSC 설계에서는 유동 속도가 0.5 m/s 이하로 감소하며, 이는 산화물 형성을 최소화하는 임계 속도 조건을 충족함.
    • CFD 시뮬레이션 결과, CHSC 스프루는 균일한 유동 분포를 형성하여 주조 품질을 향상시킴.
  2. 주조 결함 감소 효과
    • CT 스캔 결과, CHSC 적용 시 전체 주조 결함이 99.5% 감소, PSC 적용 시 56% 감소함.
    • SSC에서는 기포 및 산화물 포함물이 집중적으로 발생하였으나, CHSC 및 PSC에서는 이러한 결함이 현저히 감소함.
    • SEM 분석 결과, SSC 대비 PSC 및 CHSC의 산화물 포함물 영역이 각각 21%, 35% 감소함.
  3. 기계적 강도 향상
    • 3점 굽힘 시험 결과, CHSC는 SSC 대비 평균 굽힘 강도가 8.4% 증가, PSC는 4.1% 증가함.
    • CHSC 주조품에서 더 균일한 미세조직 및 결함 감소 효과가 확인됨.
    • ANOVA 통계 분석 결과, SSC와 CHSC 간 기계적 강도 차이가 통계적으로 유의미함(p = 0.045).

결론

  • 3D 샌드 프린팅을 활용한 신규 스프루 설계가 주조 품질을 향상시키는 데 효과적임.
  • 원뿔형 나선 스프루(CHSC) 설계는 용탕 난류 감소 및 산화물 포함물 저감에 가장 효과적이며, 기계적 강도를 8.4% 향상시킴.
  • CFD 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교한 결과, 최적화된 스프루 설계가 실제 주조 성능 개선에 기여함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 합금 및 주조 공정에 대한 적용성을 추가적으로 검토해야 함.

Reference

  1. Markets and markets, January. Metal Casting Market.: Global Forecast Until 2025,Accessible on: (2018) https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/metal-casting-market-23885716.html.
  2. Pennsylvania Foundry Association, March. OSHA’S Proposed Silica Rule ThreatensFoundry Industry. Plymouth Meeting, PA, Accessible on: (2016) http://www.pfaweb.org/news/2016/3/11/oshas-proposed-silica-rule-threatens-foundryindustry-1.
  3. J. Dańko, R. Dańko, M. Holtzer, Reclamation of used sands in foundry production,Metalurgija 42 (3) (2003) 173–177.
  4. E.S. Almaghariz, B.P. Conner, L. Lenner, R. Gullapalli, G.P. Manogharan,B. Lamoncha, M. Fang, Quantifying the role of part design complexity in using 3Dsand printing for molds and cores, Int. J. Metalcast. 10 (3) (2016) 240–252.
  5. J. Wang, S.R. Sama, G. Manogharan, Re-thinking design methodology for castings:3D sand-printing and topology optimization, Int. J. Metalcast. (2018) 1–16.
  6. Chee Kai Chua, Kah Fai Leong, Zhong Hong Liu, Rapid tooling in manufacturing,Handbook of Manufacturing Engineering and Technology (2013) 1–22.
  7. P. Jain, A.M. Kuthe, Feasibility study of manufacturing using rapid prototyping:FDM approach, Procedia Eng. 63 (2013) 4–11.
  8. J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy,Techniques and Design, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 2015.
  9. R. Gopalan, N.K. Prabhu, Oxide bifilms in aluminium alloy castings–a review,Mater. Sci. Technol. 27 (12) (2011) 1757–1769.
  10. J. Campbell, The consolidation of metals: the origin of bifilms, J. Mater. Sci. 51 (1)(2016) 96–106.
  11. R. Raiszadeh, W.D. Griffiths, A method to study the history of a double oxide filmdefect in liquid aluminum alloys, Metal. Mater. Trans. B 37 (6) (2006) 865–871.
  12. X. Cao, J. Campbell, The nucleation of Fe-rich phases on oxide films in Al-11.5 Si0.4 Mg cast alloys, Metal. Mater. Trans. A 34 (7) (2003) 1409–1420.
  13. A. Modaresi, A. Safikhani, A.M.S. Noohi, N. Hamidnezhad, S.M. Maki, Gatingsystem design and simulation of gray iron casting to eliminate oxide layers causedby turbulence, Int. J. Metalcast. 11 (2) (2017) 328–339.
  14. F.N. Bakhtiarani, R. Raiszadeh, Healing of double-oxide film defects in commercialpurity aluminum melt, Metal. Mater. Trans. B 42 (2) (2011) 331–340.
  15. F.H. Basuny, M. Ghazy, A.R.Y. Kandeil, M.A. El-Sayed, Effect of casting conditionson the fracture strength of Al-5 Mg alloy castings, Adv. Mater. Sci. Eng. 2016(2016).
  16. J. Campbell, Castings, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 2003.
  17. X. Dai, X. Yang, J. Campbell, J. Wood, Influence of oxide film defects generated infilling on mechanical strength of aluminium alloy castings, Mater. Sci. Technol. 20(4) (2004) 505–513.
  18. M. Divandari, J. Campbell, Mechanisms of Bubble Damage in Castings. Universityof Birmingham. PhD Dissertation, The School of Metallurgy and Materials, 2001.
  19. J. Mi, R.A. Harding, J. Campbell, Effects of the entrained surface film on the reliability of castings, Metal. Mater. Trans. A 35 (9) (2004) 2893–2902.
  20. B. Sirrell, J. Campbell, Mechanism of filtration in reduction of casting defects due tosurface turbulence during mold filling (97-11), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 105(1997) 645–654.
  21. X.Y. Zhao, Z.L. Ning, F.Y. Cao, S.G. Liu, Y.J. Huang, J.S. Liu, J.F. Sun, Effect ofdouble oxide film defects on mechanical properties of As-cast C95800 alloy, ActaMetallurgica Sinica (Eng. Lett.) 30 (6) (2017) 541–549.
  22. C. Nyahumwa, N.R. Green, J. Campbell, Effect of mold-filling turbulence on fatigueproperties of cast aluminum alloys (98-58), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 106(1998) 215–224.
  23. N.R. Green, J. Campbell, Influence of oxide film filling defects on the strength of Al7Si-Mg alloy castings (94-114), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 102 (1994) 341–348.
  24. S.H. Majidi, J. Griffin, C. Beckermann, Simulation of air entrainment during moldfilling: comparison with water modeling experiments, Metal. Mater. Trans. B 49 (5)(2018) 2599–2610.
  25. X. Cao, J. Campbell, Oxide inclusion defects in Al-Si-Mg cast alloys, Can. Metall. Q.44 (4) (2005) 435–448.
  26. K. Bangyikhan, Effects of Oxide Film, Fe-Rich Phase, Porosity and Their Interactionson Tensile Properties of Cast Al-Si-Mg Alloys. PhD Thesis, University ofBirmingham. School of Metallurgy and Materials, 2005.
  27. R. Raiszadeh, W.D. Griffiths, A semi-empirical mathematical model to estimate theduration of the atmosphere within a double oxide film defect in pure aluminumalloy, Metal. Mater. Trans. B 39 (2) (2008) 298–303.
  28. G.E. Bozchaloei, N. Varahram, P. Davami, S.K. Kim, Effect of oxide bifilms on themechanical properties of cast Al–7Si–0.3 Mg alloy and the roll of runner height afterfilter on their formation, Mater. Sci. Eng.: A 548 (2012) 99–105.
  29. J. Campbell, Invisible macrodefects in castings, Le J. de Physique IV 3 (C7) (1993)C7–861.
  30. S.M.A. Boutorabi, J. Campbell, J.J. Runyoro, Critical gate velocity for film-formingcasting alloys; a basis for process specifications, Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 100(1992) 225–234.
  31. J. Brown, Foseco non-Ferrous Foundryman’s Handbook, 1st edition, ButterworthHeinemann, 1999.
  32. T.R. Rao, Metal Casting: principles and Practice. New Age International, 1st edition,(1996).
  33. X. Yang, T. Din, J. Campbell, Liquid metal flow in moulds with off-set sprue, Int. J.Cast Met. Res. 11 (1) (1998) 1–12.
  34. A.K. Biń, Gas entrainment by plunging liquid jets, Chem. Eng. Sci. 48 (21) (1993)3585–3630.
  35. C. Beckermann, Water modeling of steel flow, air entrainment and filtration,September, SFSA T&O Conference (1992).
  36. R.W. Ruddle, The running and gating of Sand casting, Inst. Met. Monogr. Rep. Ser.(1956) 19.
  37. R.E. Swift, J.H. Jackson, L.W. Eastwood, A study of principles of gating, AFS Trans.57 (1949) 76–88.
  38. K.H. Renukananda, B. Ravi, Multi-gate systems in casting process: comparativestudy of liquid metal and water flow, Mater. Manuf. Processes 31 (8) (2016)1091–1101.
  39. R. Cuesta, J.A. Maroto, D. Morinigo, I. De Castro, D. Mozo, Water analogue experiments as an accurate simulation method of the filling of aluminum castings,Trans.-Am. Foundrymens Soc. 114 (2006) 137–150.
  40. S.L. Nimbulkar, R.S. Dalu, Design optimization of gating and feeding systemthrough simulation technique for sand casting of wear plate, Perspect. Sci. 8 (2016)39–42.
  41. H. Iqbal, A.K. Sheikh, A. Al-Yousef, M. Younas, Mold design optimization for sandcasting of complex geometries using advance simulation tools, Mater. Manuf.Processes 27 (7) (2012) 775–785.
  42. Z. Sun, H. Hu, X. Chen, Numerical optimization of gating system parameters for amagnesium alloy casting with multiple performance characteristics, J. Mater.Process. Technol. 199 (1-3) (2008) 256–264.
  43. E. Rabinovich, Mécanique Des Fluides, Comptes Rendus (Doklady) de L’AcadémieDes Sciences de L’URSS Vol. 54 Édition de l’Académie des sciences de l’URSS, 1946No. 5, p. 391.
  44. M.B.N. Shaikh, S. Ahmad, A. Khan, M. Ali, August. Optimization of multi-gatesystems in casting process: experimental and simulation studies, IOP ConferenceSeries: MaTerials Science and Engineering IOP Publishing 404 (2018) No 1.012040.
  45. W. Sun, C.E. Bates, Visualizing defect formation in gray iron castings using real timeX-rays, Trans. Am. Foundry Soc. Vol. 111 (2003) 859–867.
  46. F.R. Juretzko, D.M. Stefanescu, Comparison of mold filling simulation with highspeed video recording of real-time mold filling, AFS Trans. 113 (2005) 1–11.
  47. D. Kothe, D. Juric, K. Lam, B. Lally, Numerical recipes for mold filling simulation(April), Proceedings of the Eighth International Conference on Modeling of Casting,Welding, and Advanced Solidification Processes (1998).
  48. P. Cleary, J. Ha, V. Alguine, T. Nguyen, Flow modelling in casting processes, Appl. Math. Modell. 26 (2) (2002) 171–190.
  49. J. Jezierski, R. Dojka, K. Janerka, Optimizing the gating system for steel castings,Metals 8 (4) (2018) 266.
  50. C.E. Esparza, M.P. Guerrero-Mata, R.Z. Ríos-Mercado, Optimal design of gatingsystems by gradient search methods, Comput. Mater. Sci 36 (4) (2006) 457–467.
  51. J. Kor, X. Chen, H. Hu, Multi-objective optimal gating and riser design for metalcasting, July, Control Applications, (CCA) Intelligent Control, IEEE, 2009, pp.428–433.
  52. S.R. Sama, J. Wang, G. Manogharan, Non-conventional mold design for metalcasting using 3D sand-printing, J. Manuf. Processes. (2018).
  53. F.Y. Hsu, M.R. Jolly, J. Campbell, A multiple-gate runner system for gravity casting,J. Mater. Process. Technol. 209 (17) (2009) 5736–5750.
  54. R. Ahmad, N. Talib, Experimental study of vortex flow induced by a vortex well insand casting, Revue de Métallurgie–Int. J. Metal. 108 (3) (2011) 129–139.
  55. H. Shangguan, J. Kang, C. Deng, Y. Hu, T. Huang, 3D-printed shell-truss sand moldfor aluminum castings, J. Mater. Process. Technol. 250 (2017) 247–253.
  56. M. Tiryakioglu, D.R. Askeland, C.W. Ramsay, Fluidity of 319 and A356: an experimental design approach, Trans.-Am. Foundrymens Soc. (1995) 17–26.
  57. W.S. Hwang, R.A. Stoehr, Fluid flow modeling for computer-aided design of castings, JOM 35 (10) (1983) 22–29.
  58. S.E. Haaland, Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent pipeflow, J. Fluids Eng. 105 (1) (1983) 89–90.
  59. D. Vaghasia, Gating System Design Optimization for Sand Casting. Indian Instituteof Technology Bombay. M. Tech Dissertation. Manufacturing Engineering, (2009).
  60. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee B46.Classification, & Designation of Surface Qualities. (2003). Surface texture: Surfaceroughness, waviness and lay. Amer Society of Mechanical.
  61. N. Wukovich, G. Metevelis, ). Gating: the Foundryman’s dilemma or fifty years ofdata and still asking how? 93Rd AFS Casting Congress, (1989).
  62. P. Muenprasertdee, Solidification Modeling of Iron Castings Using SOLIDCast. WestVirginia University. MS Thesis, Industrial and Management Systems Engineering,2007.
  63. D. Snelling, H. Blount, C. Forman, K. Ramsburg, A. Wentzel, C. Williams,A. Druschitz, The effects of 3D printed molds on metal castings, In Proceedings ofthe Solid Freeform Fabrication Symposium, (2013), pp. 827–845.
  64. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee E28. MechanicalTesting. (2004). Standard Test Methods for Bend Testing of Material for DuctilityE290-14. Amer Society for Mechanical.
  65. B. Sirrell, M. Holliday, J. Campbell, Benchmark testing the flow and solidificationmodeling of AI castings, Jom 48 (3) (1996) 20–23.
  66. M. Masoumi, H. Hu, J. Hedjazi, M. Boutorabi, Effect of gating design on moldfilling, Trans. Am. Foundry Soc. 113 (113) (2005) 185–196.
  67. P.C. Belding, The Control of non-Metallic Inclusions in Cast Steel. Organ StateUniversity. MS Thesis, Metallurgical Engineering, 1971.
  68. W.S. Rasband, Image J. US, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA, 1997.
  69. J.A. Griffin, C.E. Bates, Ladle Treating, Pouring, and Gating for the Production ofClean Steel Castings, Technical Steering Committee, Steel Founders’ Society ofAmerica, 1991.
  70. L. Wang, C. Beckermann, Prediction of reoxidation inclusion composition in castingof steel, Metal. Mater. Trans. B 37 (4) (2006) 571–588.
  71. X. Dai, X. Yang, J. Campbell, J. Wood, Effects of runner system design on the mechanical strength of Al–7Si–Mg alloy castings, Mater. Sci. Eng.: A 354 (1-2) (2003)315–325.
  72. R. Monroe, Porosity in castings, AFS Trans. 113 (2005) 519–546.
  73. R.B. Tuttle, M. Masoumi, H. Hu, J. Hedjazi, M. Boutorabi, Macroinclusion sourceswithin the steel casting process, American Foundry Society Proceedings, (2010).
  74. M. Harris, V. Richards, R.J. O’Malley, S.N. Lekakh, Chicago, ILEvolution of NonMetallic Inclusions in Foundry Steel Casting Processes. Proceedings of the 69thAnnual Technical and Operating Conference, Steel Founders’ Society ofAmerica2015, December, Evolution of Non-Metallic Inclusions in Foundry SteelCasting Processes. Proceedings of the 69th Annual Technical and OperatingConference, Steel Founders’ Society of America (2015).
  75. K.D. Carlson, C. Beckermann, Modeling of reoxidation inclusion formation duringfilling of steel castings, Proceedings of the 58th Annual Technical and OperatingConference, Steel Founders’ Society of America. Chicago, IL. Paper 4.6, (2004).
  76. A.S. Murthy, S.N. Lekakh, D.C. Van Aken, Role of niobium and effect of heattreatments on strength and toughness of modified 17-4 PH stainless steel,Proceedings of the 63rd Annual Technical and Operating Conference, SteelFounders’ Society of America. Chicago, IL. Paper 3.4, (2010).
  77. ASK Chemicals, Udicell And Exactflo Filters, Accessible on: Available: http://www.ask-chemicals.com/fileadmin/user_upload/Download_page/foundry_products_brochures/EN/Udicell_Exactflo_Overview_EN.pdf.
  78. P.F. Wieser, Filtration of Irons and Steels. Foundry Processes – Their Chemistry andPhysics, Springer, Boston, MA, 1988, pp. 495–512.
  79. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee E04.Metallography. (2015). Standard practice for microetching metals and alloys E407-07. Amer Society for Mechanical.
  80. M. Di Sabatino, Fluidity of Aluminium Foundry Alloys. Norwegian University ofScience and Technology. PhD Thesis, Materials Science and Engineering, 2005.
Air Entrainment

Investigating Surface Entertainment Events Using CFD

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구

연구 목적

  • 본 논문은 CFD(전산유체역학) 기법을 활용하여 유체 표면에서 발생하는 혼입(surface entertainment) 현상을 분석함.
  • 자유 표면 유동에서 난류 및 난기류가 공기-액체 경계면에 미치는 영향을 연구함.
  • 기존 실험 데이터를 기반으로 CFD 모델의 정확성을 검증하고, 수치 해석이 실험적 접근을 대체할 수 있는 가능성을 평가함.
  • 표면 혼입 현상이 산업 및 환경 공정에서 가지는 의미를 논의함.

연구 방법

  1. 표면 혼입 모델링 및 실험 설정
    • 기존 문헌에서 보고된 실험 데이터를 바탕으로 수치 모델을 구축함.
    • 다양한 유량 조건에서 표면 혼입이 발생하는 메커니즘을 분석함.
    • 표면 장력과 난류 효과가 혼입 현상에 미치는 영향을 평가함.
  2. CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 RNG 방정식을 적용하여 난류 유동을 해석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 크기를 설정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 CFD 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 표면 혼입 발생 시 유체 속도, 와류 강도(vorticity), 기포 형성 등을 분석함.
    • 실험 및 시뮬레이션 간 오차율을 정량적으로 평가함.
  4. 추가 분석
    • 표면 장력과 유체 점도가 혼입 현상에 미치는 영향을 연구함.
    • 혼입이 활발하게 발생하는 특정 유동 조건을 도출함.
    • 산업 공정에서 CFD 기반 예측 모델의 적용 가능성을 검토함.

주요 결과

  1. 표면 혼입 발생 조건
    • 특정 유량 조건에서 표면 혼입이 급격히 증가하는 임계값이 존재함.
    • 난류 강도가 높을수록 표면 혼입이 활발해지며, 와류 구조가 기포 형성을 촉진함.
    • 표면 장력이 낮을수록 공기 혼입이 증가하며, 유체 점성이 높은 경우 혼입이 감소함.
  2. CFD 시뮬레이션 검증
    • CFD 모델이 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며 신뢰성 높은 결과를 도출함.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 혼입 패턴 예측 정확도가 향상됨.
    • 표면 난류 효과가 과소 평가될 가능성이 있어, 추가적인 모델 조정이 필요함.
  3. 표면 장력 및 점도의 영향
    • 표면 장력이 높은 유체에서는 공기 혼입이 감소하며, 난류 효과가 억제됨.
    • 점성이 높은 유체는 혼입이 지연되며, 와류 구조가 약해짐.
    • 저점도 액체에서는 작은 난류 변동에도 공기 혼입이 쉽게 발생함.
  4. 산업적 적용 가능성
    • CFD 기반 혼입 분석은 화학공정, 수처리 및 해양 엔지니어링 분야에서 활용 가능함.
    • 실험 없이 수치 해석만으로 최적의 유동 조건을 예측하는 것이 가능함.
    • 향후 연구에서는 다중 유체 모델 및 기포 동역학을 포함한 추가 연구가 필요함.

결론

  • CFD를 이용한 표면 혼입 시뮬레이션이 높은 신뢰성을 보임.
  • 특정 유동 조건에서 공기 혼입이 급격히 증가하는 현상이 확인됨.
  • 표면 장력 및 점도가 혼입 발생에 중요한 영향을 미침.
  • 향후 연구에서는 다중 유체 모델을 추가하여 더욱 정밀한 예측이 필요함.

Reference

  1. FLOW-3D, www.flow3d.com
  2. N. R. Green and J. Campbell, Influence in Oxide Film Filling Defects on the Strength of Al7si-Mg Alloy Castings, Transactions of the American foundry society 114 (1994) 341 -347.
  3. X. Dai, X. Yang, J. Campbell and J. Wood, Influence of Oxide Film Defects Generated inFilling on Mechanical Strength of Aluminium Alloy Castings, Materials Science andTechnology 20 (2004) 505-513.
  4. J. Campbell, Castings 2nd Edition (Butterworth Heinemann, 2003).
  5. J. Runyoro, S. M. A. Boutorabi and J. Campbell, Critical Gate Velocities for Film FormingCasting Alloys: A Basis for Specification, AFS Transactions 37 (1992) 225-234.
  6. C. Reilly, N. R. Green, M. R. Jolly and J. C. Gebelin, Using the Calculated Fr Number forQuality Assessment of Casting Filling Methods, Modelling of casting, welding andadvanced solidification process XII. (2009).
  7. M. R. Barkdudarov and C. W. Hirt, Tracking Defects,www.flow3d.com/pdfs/tp/cast_tp/FloSci-Bib9-98.pdf (1998).
  8. N. W. Lai, W. D. Griffiths and J. Campbell, Modelling of the Potential for Oxide FilmEntrainment in Light Metal Alloy Castings, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process X. (2003) 415-422.
  9. C. E. Esparza, M. P. Guerrero-Mata and R. Z. Ríos-Mercado, Optimal Design of GatingSystems by Gradient Search Methods, Computational Materials Science 36 (2006) 457 -467.
  10. J. Campbell, Review of Computer Simulation Versus Casting Reality, Modelling of Casting,Welding and Advanced Solidification Processes VII (1995) 907-935.
  11. M. R. Jolly, S. W. Wen, A. Lapish, N. D. Butler, M. Wickins and J. Campbell,Investigation of Running Systems for Grey Cast Iron Camshafts, Modelling of casting,Welding and advanced solidification processes VIII (1998) 67-75.
  12. X. Yang, X. Huang, X. Dia, J. Campbell and J. Tatler, Numerical Modelling ofEntrainment of Oxide Film Defects in Filling Aluminium Alloy Castings, Internationaljournal of Cast Metals Research 17 (2004) 321-331.
Coupling

Experimental and Numerical Analysis of Flow Behavior and Particle Distribution in A356/SiCp Composite Casting

A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포에 대한 실험적 및 수치적 분석

연구 목적

  • 본 연구는 A356/SiCp 복합재 주조 과정에서 유동 거동 및 입자 분포를 실험적·수치적으로 분석하는 것을 목표로 함.
  • 실시간 X선 방사 촬영(Real-time X-ray radiography)을 이용하여 주형 충진 과정을 관찰하고, 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션과 비교함.
  • Euler 및 Lagrangian 방법을 적용하여 유체 흐름 및 입자 분포를 모델링하고, 예측 결과와 실험 결과를 검증함.
  • 복합재 주조 과정에서 발생하는 입자 분리(particle segregation) 현상을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 데이터 수집
    • 실시간 X선 방사 촬영(RT-XRR)을 활용하여 주조 과정 동안 유체 유동 및 입자 이동을 추적함.
    • A356/SiCp 복합재의 입자 크기 분포 및 미세 구조를 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 분석함.
    • 실험 결과와 CFD 시뮬레이션을 비교하여 유동 거동 및 입자 분포를 평가함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 흐름을 해석하고, 입자 거동을 추적함.
    • 유동 해석(Euler 모델) 및 입자 추적(Lagrangian 모델)을 결합하여 복합재 충진 과정에서의 입자 분포를 예측함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 Large Eddy Simulation(LES) 모델을 비교하여 난류가 입자 분포에 미치는 영향을 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 입자 분포 및 유동 패턴을 실험 데이터와 비교하여 CFD 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
    • 충진 전후 입자 농도를 측정하여 입자 분포 변화를 정량적으로 분석함.
    • 예측 결과와 실험 데이터 간의 오차율을 분석하여 모델의 정확도를 검증함.

주요 결과

  1. 입자 유동 및 충진 과정에서의 거동 분석
    • 입자 유동은 주조 과정의 각 단계에서 서로 다른 흐름 패턴을 보임.
    • 중력 영향이 큰 영역에서는 소용돌이(Eddy Flow)가 형성되며, 이는 입자 농도 증가의 원인이 됨.
    • 유동 방향 변화에 따라 후류(Back Flow) 형성이 관찰되며, 이는 일부 입자의 이동을 제한함.
  2. 실험과 CFD 시뮬레이션 비교 검증
    • 실제 실험에서 관찰된 입자 농도와 시뮬레이션 예측 결과가 높은 상관성을 보임.
    • 그러나 일부 중력 영향이 큰 영역(R7, R8)에서 시뮬레이션이 입자 분포를 과소평가하는 경향이 있음.
    • 이는 후류(Back Flow)에 의한 입자 이동 제한 효과가 모델에서 과도하게 반영되었기 때문으로 분석됨.
  3. 입자 분포 최적화 및 개선 가능성
    • 입자 분포는 유동 패턴, 난류 강도 및 충진 속도에 의해 결정됨.
    • 충진 속도를 조절하여 후류 형성을 최소화하면 입자 분포의 균일성을 향상시킬 수 있음.
    • 입자가 중앙부에 집중되는 경향이 있으며, 표면부에서는 상대적으로 적은 입자가 분포함.
  4. 최적 주조 조건 도출
    • 충진 속도 및 유체 유동 조건을 조정하여 입자 분리를 최소화할 수 있음.
    • 유체 흐름을 최적화하면 주조물 내 입자 농도를 균일하게 유지할 수 있음.
    • 후류(back flow) 및 소용돌이 현상(eddy flow)을 조절하면 입자 분포의 균일성을 더욱 개선 가능.

결론

  • A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포를 CFD 시뮬레이션과 실험을 통해 성공적으로 분석함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관성을 확인하였으며, 일부 영역에서의 과소평가는 모델 개선이 필요함.
  • 입자 분포 최적화를 위해 후류 및 난류 영향을 고려한 충진 속도 조절이 필요함.
  • 향후 연구에서는 다양한 입자 크기 및 형상에 따른 유동 거동을 추가적으로 평가해야 함.

Reference

  1. J. Hashim, L. Looney, M.S.J. Hashmi, Particle distribution in cast metal matrixcomposites – Part I, J. Mater. Process. Technol. 123 (2002) 251–257.
  2. D.B. Miracle, Metal matrix composites-from science to technologicalsignificance, Compos. Sci. Technol. 65 (2005) 2526–2540.
  3. B. Mondal, S. Kundu, A.K. Lohar, B.C. Pai, Net-shape manufacturing of intricatecomponents of A356/SiCp composite through rapid-prototyping-integratedinvestment casting, Mater. Sci. Eng. A 498 (2008) 37–41.
  4. S. Pattnaik, P.K. Jha, D.B. Karunakar, A review of rapid prototyping integratedinvestment casting processes, Proc. Inst. Mech. Eng. L: J. Mater. 228 (2014)249–277.
  5. B. Previtali, D. Pocci, C. Taccardo, Application of traditional investment castingprocess to aluminium matrix composites, Composites A 39 (2008) 1606–1617.
  6. P.N. Bindumadhavan, T.K. Chia, M. Chandrasekaran, H.K. Wah, L.N. Lam, O.Prabhakar, Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of castaluminum alloy A356–SiCp metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. A 171(2001) 268–273.
  7. V.A. Romanova, R.R. Balokhonov, S. Schmauder, The influence of thereinforcing particle shape and interface strength on the fracture behavior ofa metal matrix composite, Acta Mater. 57 (2009) 97–107.
  8. D.J. Lloyd, Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites,Int. Mater. Rev. 39 (1994) 1–23.
  9. J. Hashim, L. Looney, M.S.J. Hashmi, Particle distribution in cast metal matrixcomposites – Part II, J. Mater. Process. Technol. 123 (2002) 258–263.
  10. S.B. Prabu, L. Karunamoorthy, S. Kathiresan, B. Mohan, Influence of stirringspeed and stirring time on distribution of particles in cast metal matrixcomposite, J. Mater. Process. Technol. 171 (2006) 268–273.
  11. S. Naher, D. Brabazon, L. Looney, Computational and experimental analysis ofparticulate distribution during Al–SiC MMC fabrication, Composites: Part A 38(2007) 719–729.
  12. Z. Zhang, X.G. Chen, A. Charette, Particle distribution and interfacial reactionsof Al–7%Si–10%B4C die casting composite, J. Mater. Sci. 42 (2007) 7354–7362.
  13. C.E. Brennen, Fundamentals of Multiphase Flows, Cambridge University Press,London, 2005.
  14. T.J. Heindel, J.N. Gray, T.C. Jensen, An X-ray system for visualizing fluid flows,Flow Meas. Instrum. 19 (2008) 67–78.
  15. A. Seeger, K. Affeld, L. Goubergrits, U. Kertzscher, E. Wellnhofer, X-ray-basedassessment of the three-dimensional velocity of the liquid phase in a bobblecolumn, Exp. Fluids 31 (2001) 193–201.
  16. B. Sirrell, M. Holliday, J. Campbell, Benchmark testing the flow andsolidification modeling of Al castings, JOM-US 48 (1996) 20–23.
  17. D.Z. Li, J. Campbell, Y.Y. Li, Filling system for investment cast Ni-base turbineblades, J. Mater. Process. Technol. 148 (2004) 310–316.
  18. S. Kashiwai, I. Ohnaka, A. Kimastsuka, T. Kaneyoshi, T. Ohmichi, J. Zhu,Numerical simulation and X-ray direct observation of mould filling duringvacuum suction casting, Int. J. Cast. Met. Res. 18 (2005) 144–148.
  19. H.D. Zhao, I. Ohnaka, J.D. Zhu, Modeling of mold filling of Al gravity casting andvalidation with X-ray in-situ observation, Appl. Math. Model. 32 (2008) 185–194.
  20. A. Ureña, E.E. Martı´nez, P. Rodrigo, L. Gil, Oxidation treatments for SiC particlesused as reinforcement in aluminium matrix composites, Compos. Sci. Technol.64 (2004) 1843–1854.
  21. J. Rams, A. Ureña, M. Campo, Dual layer silica coatings of SiC particlereinforcements in aluminium matrix composites, Surf. Coat. Technol. 200(2006) 4017–4026.
  22. T. Fan, D. Zhang, G. Yang, T. Shibayanagi, M. Naka, T. Sakata, H. Mori, Chemicalreaction of SiCp/Al composites during multiple remelting, Composites: Part A34 (2003) 291–299.
  23. D.S.B. Heidary, F. Akhlaghi, Theoretical and experimental study on settling ofSiC particles in composite slurries of aluminum A356/SiC, Acta Mater. 59(2011) 4556–4568.
  24. J.F. Wendt, Computational Fluid Dynamics, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg,New York, 2009.
  25. M. Sommerfeld, Validation of a stochastic Lagrangian modeling approach forinter-particle collision in homogeneous isotropic turbulence, Int. J. MultiphaseFlow 27 (2001) 1829–1858.
  26. J. Braszczynski, A. Zyska, Analysis of the influence of ceramic particles on thesolidification process of metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. A 278 (2000)195–203.
  27. C. Reilly, N.R. Green, M.R. Jolly, J.-C. Gebelin, The modelling of oxide filmentrainment in casting systems using computational modeling, Appl. Math.Model. 37 (2013) 8451–8466.
  28. K.R. Ravi, R.M. Pillai, B.C. Pai, M. Chakraborty, Influence of interfacial reactionon the fluidity of A356 Al–SiCp composites-a theoretical approach, Metall.Mater. Trans. A 38 (2007) 2531–2539.
  29. N.G. Deen, M.V.S. Annaland, M.A.V. Hoef, J.A.M. Kuipers, Review of discreteparticle modeling of fluidized beds, Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 28–44.
  30. C.J. Meyer, D.A. Deglon, Particle collision modeling – a review, Miner. Eng. 24(2011) 719–730.
  31. K. Yokoi, Numerical method for interaction among multi-particle, fluid andarbitrary shape structure, J. Sci. Comput. 46 (2011) 166–181.
  32. V. Loisel, M. Abbas, O. Masbernat, E. Climent, The effect of neutrally buoyantfinite-size particles on channel flows in the laminar–turbulent transitionregime, Phys. Fluids 25 (2013) 1–18.
  33. M.D. Mat, K. Aldas, Experimental and numerical investigation of effect ofparticle size on particle distribution in particulate metal matrix composites,Appl. Math. Comput. 177 (2006) 300–307.
  34. K. Aldas, M.D. Mat, Experimental and theoretical analysis of particledistribution in particulate metal matrix composites, J. Mater. Process.Technol. 160 (2005) 289–295.
  35. A. Tamburini, A. Cipollina, G. Micale, A. Brucato, M. Ciofalo, CFD simulations ofdense solid–liquid suspensions in baffled stirred tanks: prediction of solidparticle distribution, Chem. Eng. J. 223 (2013) 875–890.
  36. A.S. Berrouk, D.E. Stock, D. Laurence, J.J. Riley, Heavy particle dispersion from apoint source in turbulent pipe flow, Int. J. Multiphase Flow 34 (2008) 916–923.
Casting

Effect of Casting Parameters on Microstructure and Casting Quality of Si-Al Alloy for Vacuum Sputtering

진공 스퍼터링용 Si-Al 합금의 미세 구조 및 주조 품질에 미치는 주조 매개변수의 영향

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 Si-30wt.% Al 합금의 주조 품질을 분석함.
  • 실험 결과와 시뮬레이션을 비교하여 주조 결함(수축 기공 및 조성 편석) 발생 원인을 규명함.
  • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 등의 주조 매개변수가 주조물의 미세 구조 및 품질에 미치는 영향을 연구함.
  • Si-Al 합금의 비전도성 진공 금속화(Non-Conductive Vacuum Metallization, NCVM) 특성을 평가하여 최적 조성을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 및 시뮬레이션 설정
    • Si-Al 합금(20, 25, 30, 35wt.% Al)을 진공 유도로에서 용해한 후 얇은 금형에 주조함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 수행하여 주조 유동 및 응고 과정에서의 결함 발생 패턴을 분석함.
    • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 변화가 미세 구조 및 수축 기공 형성에 미치는 영향을 평가함.
  2. 미세 구조 및 필름 특성 분석
    • 주조 후, 광학 현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 Si-Al 합금의 미세 조직을 관찰함.
    • 반사율 측정(n&k 분석기 1280)을 통해 Si-Al 박막의 반사율 특성을 평가함.
    • Si-30wt.%Al 박막을 유리 기판에 스퍼터링하여 전도성 및 비전도성 특성을 비교 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 결과와 FLOW-3D® 시뮬레이션 비교를 통해 주조 결함 및 응고 거동을 분석함.
    • 응고 속도를 조절하여 수축 기공 및 조성 편석을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

주요 결과

  1. Si-Al 박막의 반사율 및 전도성 변화
    • Al 함량이 증가할수록 박막의 반사율이 증가하나, 전기 전도성이 향상됨.
    • 비전도성 특성을 유지하면서 반사율을 극대화하려면 Al 함량을 30wt.%로 유지하는 것이 최적.
  2. 주조 결함 분석
    • Si-Al 합금은 응고 시 심각한 조성 편석과 다량의 수축 기공(shrinkage pores)을 형성.
    • 두꺼운 금형을 사용할 경우 수축 기공이 증가하지만, 얇은 금형을 사용하면 기공 형성이 감소함.
    • 주조 온도를 1270°C, 금형 온도를 50°C로 설정하면 Al 편석이 억제되고 수축 기공이 4% 이하로 감소.
    • 반대로 주조 온도 1300°C 이상, 금형 온도 200°C 이상에서는 심각한 수축 기공과 Al 편석이 발생.
  3. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • 시뮬레이션 결과, 얇은 금형을 사용할 경우 주조물 표면에 “hot spot”이 형성되며 국부적인 과열로 인해 표면 결함 발생.
    • 용탕이 라이저(riser)에서 금형 내부로 흐를 때, 고온 영역에서 표면 기포(casting pits)가 집중적으로 형성됨.
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율이 5~8% 수준으로 확인됨.
  4. 최적 주조 조건 및 개선 방안
    • U자형 주조 결함(U-shaped defect)은 주조 흐름이 갑자기 증가할 때 발생하며, 주조 흐름을 안정화하기 위해 턴디시(tundish) 사용 필요.
    • 용탕이 금형 내부로 직접 유입되도록 개선하면 “hot spot” 발생 억제 가능.
    • 최적화된 주조 조건: 주조 온도 1270°C, 금형 온도 50°C, 얇은 금형 사용.

결론

  • Si-30wt.% Al 합금은 NCVM 박막의 최적 조성을 제공하며, 반사율과 비전도성을 동시에 만족시킴.
  • 주조 결함(수축 기공, 조성 편석)은 금형 두께 및 주조 조건을 최적화하여 크게 줄일 수 있음.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용한 주조 결함 예측이 높은 신뢰도를 보이며, 실험 데이터와 유사한 결과를 제공함.
  • 향후 연구에서는 주조 공정 최적화를 위한 추가적인 냉각 제어 및 형상 설계가 필요.

Reference

  1. J.C. Pan: Industial Materials Magazine, 253(2008) p. 189.
  2. J.C. Pan: Industial Materials Magazine, 255(2008) p. 193.
  3. S. P. Nikanorov: Material Science and Engineering A, 390(2005) p. 63.
  4. G. J. Davies: Solidification and Casting, Applied Science Publisher, London, 1984.
  5. M. C. Flemings: Solidification Processing, McgrawHill, New York, 1978.
  6. W. G. Winegard: An Introduction to The Solidification of Metals, London, 1964.
  7. B. Chalmers: Principles of Solidification, Robert E. Krieger Publishing Company, London, 1964.
  8. D. A. Porter: Phase Transformations in Metals and Alloys, Stanley Thornes, UK, 1981.
HPDC

Design of Gating System for Radiator Die Castings Based on FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 기반으로 한 라디에이터 다이캐스팅 주입 시스템 설계

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D®를 사용하여 라디에이터 다이캐스팅 공정의 게이팅 시스템(Gating System) 설계 최적화를 수행함.
  • 두 가지 다른 게이트 구조를 비교 분석하여 금속 충진(filling) 및 결함 형성을 평가함.
  • 기포(Porosity), 산화물(Oxide Inclusion), 불완전 충진(Incomplete Filling) 등의 결함을 예측하고 최적의 설계안을 도출함.
  • 최적화된 게이팅 시스템이 충진 균일성 및 표면 결함 감소에 미치는 영향을 분석함.

연구 방법

  1. 다이캐스팅 모델링 및 실험 설정
    • 라디에이터 고압 다이캐스팅(HPDC)을 위한 두 가지 게이트 구조를 설계함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 금속 충진 과정 및 결함 발생 영역을 예측함.
    • 실험적으로 주입 온도(680°C), 금형 예열 온도(220°C), 주입 속도(60m/s) 조건을 설정함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 모델을 적용하여 충진 거동을 해석함.
    • 난류 모델 및 자유 표면 추적 기법을 활용하여 공기 혼입 및 금속 유동 패턴을 평가함.
    • 네 가지 게이팅 시스템 변형 모델을 추가적으로 분석하여 최적 설계를 도출함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 각 게이팅 구조에서 금속 충진 균일성, 표면 결함 분포, 산화물 혼입 여부를 평가함.
    • 시뮬레이션을 통해 예측된 결함 위치를 실제 주조 실험과 비교하여 검증함.
    • 최적의 게이트 및 오버플로우 트로프(Overflow Trough) 설계를 도출함.

주요 결과

  1. 충진 균일성 및 유동 패턴 분석
    • 최적의 게이팅 시스템에서는 금속이 고르게 충진되며 표면 결함이 최소화됨.
    • 일부 설계에서는 유속이 너무 빠르게 형성되며 산화물 혼입 및 불완전 충진 발생.
    • 오버플로우 트로프를 적절히 배치하면 유동 균형이 개선되며 기공 발생이 감소함.
  2. 결함 예측 및 최적화 가능성
    • 기포 및 산화물 결함은 특정 영역에서 집중적으로 발생하며, 게이팅 디자인 변경으로 30% 이상 감소 가능.
    • 충진 속도가 너무 빠르면 난류 효과가 증가하여 불완전 충진 및 산화물 혼입이 심화됨.
    • 유동 방향을 제어하기 위한 게이트 크기 및 배치 최적화 필요.
  3. CFD 시뮬레이션 검증 결과
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션은 실험 데이터와 85% 이상의 상관관계를 보임.
    • 시뮬레이션을 활용하여 충진 패턴 및 결함 예측이 가능하며, 최적 설계 도출에 효과적.
    • 추가 연구를 통해 다양한 재료 및 환경 조건에서도 적용 가능성 확인 필요.

결론

  • FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션을 활용하여 다이캐스팅 게이팅 시스템 최적화 가능.
  • 최적의 게이팅 설계로 기포 및 산화물 결함을 30% 이상 감소 가능.
  • 충진 속도 및 유동 균형을 고려한 설계가 표면 결함 억제에 중요.
  • 향후 연구에서는 다양한 다이캐스팅 소재 및 복합 설계 적용을 추가적으로 분석할 필요.

Reference

  1. Peng, Y.,Wang,S.C., Zheng,K.H. (2013)Research progress of high performance magnesium alloycasting technology .J. Casting Technology , 34: 203 -204.
  2. Chen,X.H., Geng,Y.X., Liu,J. (2013)Research progress of functional materials of magnesium andmagnesium alloys.J. Journal of Materials Science and Engineering, 31: 148-152.
  3. An,S.J.(2015)Mg-Al-Mn alloy by super vacuum die casting.J. Scripta Material, 67: 879-882.
  4. Qi,W.J.,Song,D.F.,Cai,C.(2014)Research on vacuum technology for vacuum die casting ofmagnesium alloy radiators.J. Casting, 63: 328-329.
  5. Chen,S.T., Qi,W.J., Song,D.F.(2013)Optimization of pouring system for magnesium alloy radiatordie casting.J. Special casting and non-ferrous alloys, 33:1134-1136.
  6. Song,D.F., Qi,W.J., Wang,H.Y., et al. (2015)Study on die-casting process of magnesium alloy heatsink for LED.J.Casting, 64: 403-404.
  7. Li,X.B., Cao,W.T., Bai,J.Y.(2010)Study on the heat dissipation performance of AZ91D.J. Journalof Henan University of Technology, 29:685-688.
Schematic-representation-of-the-structure-of-a-rapid-shell-system-2

Advancing Current Materials and Methods Used in the Investment Casting of Cobalt Prosthesis

코발트 보형물 정밀 주조에서 사용되는 최신 소재 및 방법의 발전

연구 목적

  • 본 논문은 MedCast 프로젝트의 일환으로 정밀 주조(investment casting)에서 사용되는 재료 및 공정 방법을 개선하는 연구를 진행함.
  • 특히, 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 기술과 주조 공정 시뮬레이션(Casting Modelling)에 중점을 둠.
  • 쉘 건조 시간 단축산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment, OFEM) 및 미세 기공 결함 감소를 목표로 함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 주조 결함 분석 및 최적화 전략을 도출함.

연구 방법

  1. 고속 쉘 건조 기술(Rapid Shell Technology) 평가
    • 기존 세라믹 쉘 시스템과 비교하여 고속 쉘 건조 기술이 주조 품질에 미치는 영향을 평가함.
    • 쉘의 미세 구조(microstructure) 변화, 기공 형성, 기계적 강도 감소(20%) 등을 분석함.
    • 추가적인 쉘 코팅을 통해 강도를 보완하면서도 건조 시간 단축(1/3 감소) 가능성을 탐색함.
  2. FLOW-3D® 기반 주조 공정 시뮬레이션
    • 산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment Model, OFEM) 모델을 적용하여 산화물 형성 및 최종 위치 예측.
    • 입자 추적 기법을 활용하여 주형 사전 가열 시 생성된 재의 거동을 모델링함.
    • 산화물과 미세 입자(ash particles)의 이동 경로를 예측하고, 결함이 발생하는 주요 영역을 파악함.
  3. 실험 데이터 검증
    • 실제 주조 실험(in-process foundry trials)을 수행하여 시뮬레이션 결과를 검증함.
    • 기공 발생 패턴과 OFEM 예측값을 비교하여 시뮬레이션의 정확성을 평가함.
    • 실험 데이터를 기반으로 주조 결함 저감 전략을 도출함.
  4. 추가 분석
    • 쉘 건조 속도, 산화물 형성 과정, 용탕 충진 패턴 등을 종합적으로 고려하여 최적화 방안을 연구함.
    • 주조 결함을 최소화할 수 있는 쉘 코팅 두께 및 건조 환경 조정 전략을 평가함.

주요 결과

  1. 쉘 건조 속도 및 기계적 특성 변화
    • 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 공정을 적용한 결과, 건조 시간이 1/3로 단축됨.
    • 그러나 기존 쉘 대비 기계적 강도가 20% 감소하는 경향이 확인됨.
    • 추가적인 코팅을 적용하면 강도 저하를 보완하면서도 건조 시간 단축 가능.
  2. 산화물 필름 및 미세 입자 추적 결과
    • FLOW-3D® OFEM 모델을 활용한 시뮬레이션에서, 산화물 필름 혼입이 특정 위치에 집중됨을 확인함.
    • 주형 사전 가열 과정에서 발생한 재(ash) 입자가 주형 내부에 부착됨 → 이는 최종 주조물 표면의 미세 기공 결함(pinhole defects) 발생 원인이 됨.
    • 실험 데이터와 비교했을 때, 입자 추적 시뮬레이션 결과가 높은 상관성을 보임.
  3. 주조 결함 분석 및 개선 가능성
    • 실험 결과, 주조물 상단(top row)에서 기공 결함이 가장 많음.
    • 이는 용탕 충진 시 난류(turbulent flow)와 산화물 혼입이 주요 원인으로 분석됨.
    • 용탕 충진 경로 및 주형 내부 표면 처리 방식을 개선하면 기공 결함을 30% 이상 줄일 수 있음.
  4. 실험과 시뮬레이션 비교 검증
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터 간 80~90%의 상관 관계를 확인함.
    • 다만, 실험에서는 예상보다 더 많은 미세 기공이 발생함 → 이는 주형 내부 잔류 왁스(wax residue) 연소 영향 때문으로 추정됨.
    • 주형 사전 세척 및 표면 처리 개선이 필요함.

결론

  • 고속 쉘 건조 기술은 기존 방식 대비 건조 시간 단축 효과가 크지만, 기계적 강도 저하 문제 해결 필요.
  • FLOW-3D® OFEM 시뮬레이션을 활용하여 산화물 및 미세 기공 결함 원인을 효과적으로 분석 가능.
  • 실험 결과와 시뮬레이션이 높은 일치도를 보이며, 주조 결함 개선을 위한 설계 최적화 가능성 확인.
  • 향후 연구에서는 주형 표면 처리 및 용탕 충진 최적화를 추가적으로 고려해야 함.

Reference

  1. Rapid Shell Build for investment Casting: Wax to De-Wax in Minutes. Jones, S.Deaerborn, MI: 53rd ICI Conference, 2005.
  2. Improved Investment Casting Process. Jones, S. University of Birmingham: PatentNo. PCT/GB2005/000408, 7th February 2005.
  3. Swelling Behaviours of Polyacrylate Superabsorbent in the Mixtures of Water andHydrophilic Solvents. J Chen, J Shen. Guandong, China: Journal of Applied PolymerScience Vol. 75, Issue 11, Pages 1331-1338 , March 2000.
  4. Improved Investmnet Casting Process. Jones, S. Birmingham: European Patent05708244.8, February 2005.
  5. The Influence of Autoclave Steam on Polymer and Organic Fibre Modified CeramicShells. C Yuan, S Jones, S Blackburn. Birmingham: Journal of European CeramicSociety, Pages 1081-1087, 2005.
  6. Methods of testing refractory materials. Properties measured under an applied stress.Determination of Modulus of Rupture at ambient temperature. BSI. 1984.
  7. Evaluation of the Mechanical Properties of Investment Casting Shells. R Hyde, SLeyland, P Withey, S Jones. Bath, UK: 22nd BICTA Conference Proceedings, 1995.
  8. Methods of Testing Refractory Materials, Part 10: Investment casting shell mouldsystems. BSI. 1994.
  9. The Impact of Ceramic Shell Strength on Hot Tearing during Investment Casting. SNorouzi, H Farhangi. Paris : American Institute of Physics, Vol. 1315, Pages 662-667,2010.
  10. International, ASTM. Standard Specification for Total Knee Prosthesis. s.l.: ASTM.F2083 – 11.
  11. FLOW3D. [Online] www.flow3d.com.
  12. MR Barkhudarov, CW Hirt. Casting Simulation: Mold Filling and Solidification -Benchmark Calculations using Flow-3D; Technical Report. Sante Fe: Flow Science,1993.
  13. Krack, R. Using Solidification Simulations for Optimising Die Cooling Systems.Sante Fe: Flow Science, 2008.
  14. Optimisation of gating System Design for Die Casting of Thin MagnesiumAlloy-Based Multi-Cavity LCD Housings. BD Lee, UH Baek and JW Han. 1, s.l.:Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 16. 1059-9495.
  15. Factors Affecting the Nucleation Kinetics of Microporosity Formation in AluminumAlloy A356. L Yao, S Cockcroft, C Reilly, J Zhu. 3, s.l.: Metallurgical and MaterialsTransactions, 2011, Vol. 43.
  16. Development of Quantitive Quality Assessment Criteria Using Process Modelling(Thesis). Reilly, C. PhD Thesis, University of Birmingham: s.n., 2010.
  17. Numerical Modelling of Entrainment of Oxide Film Defects in Filling AluminiumAlloy Castings. X Yang, X Huang, X Dai, J Campbell. 321, s.l.: International Journalof Cast Metal Research , 2004, Vol. 17.
  18. Investigating Surface Entrainment Events Using CFD for the Assessment ofCasting Filling Methods. C Reilly, MR Jolly, NR Green. s.l.: TMS, 2008.
  19. Inclusion Transport Phenomena in Casting Furnaces. S Instone, A Buchholz, GGruen. s.l.: TMS, 2008.
  20. Lide, DR. CRC Handbook of Chemistry and Physics. s.l.: CRC Press, 2006. ISBN0-8493-0487-3.
FLOW-3D MESH

Characterizing Flow Losses Occurring in Air Vents and Ejector Pins in High-Pressure Die Castings

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화

연구 목적

  • 본 논문은 **FLOW-3D®**를 사용하여 **고압 다이캐스팅(HPDC)**에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실을 수치적으로 분석함.
  • 주조 과정에서 발생하는 **기공(porosity), 공기 함유량, 유동 손실 계수(loss coefficient)**를 측정하고 모델링함.
  • 실험 데이터를 바탕으로 CFD 모델을 보정하여 실제 다이캐스팅 공정의 유동 손실을 예측함.
  • 공기 배출 및 유동 손실을 효과적으로 제어할 수 있는 주조 설계 최적화 방안을 제안함.

연구 방법

  1. 공기 유동 및 손실 모델링
    • 공기 유동 손실은 배출구, 이젝터 핀, 잔류 누출 경로에서 발생하는 것으로 가정됨.
    • FLOW-3D®의 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 활용하여 유동 손실을 분석함.
    • Darcy 마찰계수 및 Moody 다이어그램을 활용한 기존 이론 모델과 비교 검증함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 유체 유동을 분석하기 위해 압력 강하(pressure drop) 및 공기 배출 경로를 모델링함.
    • 공기 유동을 비압축성 가스로 모델링한 경우단열 기포 모델을 적용한 경우를 비교 분석함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  3. 실험 데이터 기반 검증
    • 실험은 Littler DieCast에서 수행되었으며, 금속이 없는 상태에서 공기 유동 실험을 진행함.
    • 다음의 5가지 조건에서 실험을 수행함.
      1. 모든 배출구 개방 (All Open)
      2. 배큠 밸브 닫힘 (Vacuum Closed)
      3. 분할선 닫힘 (Parting Line Closed)
      4. 이젝터 핀 및 분할선 닫힘 (Ejector and Parting Line Closed)
      5. 모든 배출구 닫힘 (All Closed)
    • 압력 변화 곡선을 측정하여 유동 손실을 정량화함.
  4. 추가 분석
    • 배출구 크기, 이젝터 핀 배치, 누출 경로 변화에 따른 유동 손실 변화를 분석함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교하여 손실 계수를 보정함.
    • 고압 다이캐스팅에서 공기 배출 효율을 높일 수 있는 설계 변경안을 평가함.

주요 결과

  1. 유동 손실 및 압력 강하 분석
    • 실험 결과, 배큠 밸브가 주요 배출 경로이며, 밸브가 닫힐 경우 내부 압력이 증가함.
    • 이젝터 핀이 열려 있을 경우에도 압력 강하가 크지 않음 (압력 차 2psi 이하).
    • 분할선 배출은 압력에 거의 영향을 미치지 않으며, 배출 설계 시 주요 고려 대상이 아님.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • “All Closed” 실험과 CFD 결과 비교 시, 압력 차이가 5% 이내로 유사하게 예측됨.
    • 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 적용한 경우, 실험과 가장 일치하는 압력 곡선을 보임.
    • 잔류 누출(Residual Leak)이 존재할 경우, 모델과 실험 간 차이가 발생하며, 이는 금형 설계 시 고려해야 함.
  3. 배출 경로 최적화 가능성
    • 배큠 밸브가 없는 경우에도, 연장된 러너 시스템이 자연 배출구 역할을 수행할 수 있음.
    • 잔류 누출 경로(shot sleeve, parting line 등)가 전체 유동 손실에 미치는 영향이 큼.
    • 이젝터 핀 및 잔류 배출구를 최적화하면 배큠 밸브 없이도 효과적인 공기 배출 가능.
  4. 설계 개선 및 향후 연구 방향
    • FLOW-3D®를 활용하여 밸브 형상 및 배출 경로 최적화 가능.
    • 잔류 누출을 고려한 CFD 모델을 추가적으로 보정할 필요가 있음.
    • 실제 금속 충진 실험과 결합하여 기공 형성 및 공기 배출 성능을 종합적으로 분석해야 함.

결론

  • FLOW-3D® 시뮬레이션은 고압 다이캐스팅의 공기 유동 손실 분석에 효과적임.
  • 배큠 밸브가 없어도 연장된 러너 시스템을 활용하여 공기 배출 가능함.
  • 단열 기포 모델을 적용한 CFD 결과가 실험과 가장 높은 일치도를 보임.
  • 향후 연구에서는 금속 충진 과정까지 포함한 종합적인 유동 해석이 필요함.

Reference

  1. White, F.M., Fluid Mechanics, 4th ed., p 256, John Fellows Publishing Co., New York, NY (1940)
  2. Flow of Fluids Through Valves, Fittings, and Pipe, Crane Technical Paper No. 410, Joliet, IL: Crane Co., 1988.
  3. C.W. Hirt and B.D. Nichols, “Volume-of-Fluid (VOF) Method for the Dynamics of. Free Boundaries,” J.
    Comp. Phys., 39, 1981, pp. 201-225.
  4. FLOW-3D® v 9.4 Manual
  5. Mold Filling Simulation of High Pressure Die Casting for Predicting Gas Porosity, Modeling of asting, Welding, and Advanced Solidification Processes X, TMS (The Mineral, Metals, & Materials Society), 2003, pp. 335
  6. Modeling of Air Venting in Pressure Die Casting Process, Nouri-Borujerdi, A., Goldak, J.A., AD, Journal of Manufacturing and Science and Engineering, ASME, 2004
Filling

Assessment of Casting Filling and Solidification by Numerical Simulations and Experimental Validation

주조 충진 및 응고 과정의 수치 시뮬레이션과 실험적 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 주조 과정에서의 충진(filling) 및 응고(solidification) 현상을 수치적으로 분석함.
  • 실험 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 결과를 검증하고, 주조 결함(defects) 발생 메커니즘을 연구함.
  • 유동 거동 및 응고 과정이 주조물의 품질에 미치는 영향을 평가함.
  • 주조 공정 최적화를 위한 수치 해석 기법의 적용 가능성을 검토함.

연구 방법

  1. 주조 공정 모델링
    • 실험적으로 알루미늄 합금(A356) 주조를 수행하고, 충진 및 응고 과정을 분석함.
    • 주조물 형상, 주입 온도, 유량 조건 등을 고려하여 3D 모델을 생성함.
    • 실험 데이터를 통해 응고 과정에서의 열전달 및 수축 결함을 측정함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 충진 과정을 모델링함.
    • 응고 모델을 사용하여 열전달 및 상변화(phase change) 과정을 해석함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 채택하여 충진 시 유동 특성을 평가함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터를 바탕으로 충진 패턴 및 기공 형성을 시뮬레이션 결과와 비교함.
    • 주조물 내부의 온도 분포 및 응고 속도를 검토하여 모델 신뢰성을 평가함.
    • 실험적으로 관찰된 수축 기공(shrinkage porosity)과 시뮬레이션 예측 결과를 비교함.
  4. 추가 분석
    • 충진 속도, 금형 온도, 냉각 속도 등 다양한 공정 조건 변화가 주조 품질에 미치는 영향을 분석함.
    • 주조물의 내부 결함을 최소화하기 위한 설계 변경 가능성을 평가함.
    • 향후 연구 방향으로 다중 재료 주조 및 복합 냉각 시스템을 고려함.

주요 결과

  1. 충진 패턴 및 유동 거동
    • 충진 과정에서 난류 유동이 발생하며, 금형 형상에 따라 국부적 와류(vortex)가 형성됨.
    • 충진 속도가 과도하게 높을 경우 기공이 증가하며, 용탕 내 공기 혼입이 심화됨.
    • 적절한 게이트 및 러너 설계를 통해 균일한 충진 패턴을 확보할 수 있음.
  2. 응고 거동 및 수축 기공 형성
    • 냉각 속도가 빠를수록 미세한 결정립 구조가 형성되며, 수축 기공이 감소하는 경향을 보임.
    • 주조물의 중심부에서 응고 지연이 발생하며, 이로 인해 수축 기공이 집중됨.
    • 냉각 채널을 최적화함으로써 내부 결함을 줄일 수 있음.
  3. 시뮬레이션과 실험 비교
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며, 높은 신뢰성을 나타냄.
    • 응고 과정에서의 미세한 열전달 차이로 인해 일부 국부적 오차(약 3~5%)가 발생함.
    • 모델 개선을 위해 고급 열전달 모델 및 미세구조 형성 모델을 추가적으로 고려해야 함.
  4. 주조 공정 최적화 방안
    • 충진 속도 조절 및 냉각 경로 최적화를 통해 내부 결함을 최소화할 수 있음.
    • 냉각 속도 조절을 통해 미세조직을 균일화하고, 주조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있음.
    • 향후 연구에서는 다중 재료 및 복합 냉각 시스템을 적용한 추가적인 시뮬레이션이 필요함.

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션은 주조 충진 및 응고 과정의 분석에 효과적임.
  • 실험 데이터를 기반으로 모델을 검증한 결과, 높은 정확성을 보임.
  • 냉각 속도 및 충진 조건이 주조 결함 발생에 중요한 영향을 미침.
  • 향후 연구에서는 다중 재료 주조 및 복합 냉각 시스템 적용이 필요함.

Reference

  1. N. R. Green and J. Campbell, Influence in Oxide Film Filling Defects on the Strength ofAl-7si-Mg Alloy Castings, Transactions of the American foundry society 114 (1994) 341 -347.
  2. J. Campbell, Castings 2nd Edition (Butterworth Heinemann, Oxford, 2003).
  3. MAGMASOFT,Www.Magmasoft.De/Ms/Products_En_Optimization_Magmafrontier/Index.Php.
  4. V. Kokot and P. Burnbeck, What Is a Good Gating System? Or Quantifying Quality- butHow?, Modeling of casting, welding and advanced solidification process XI (2006) 119-126.
  5. J. Campbell, The Modeling of Entrainment Defects During Casting, in TMS AnnualMeeting, v 2006, Simulation of Aluminum Shape Casting Processing: From Alloy Design toMechanical Properties ( Minerals, Metals and Materials Society, San Antonio, TX, UnitedStates, 2006) p. 123-132.
  6. N. W. Lai, W. D. Griffiths and J. Campbell, Modelling of the Potential for Oxide FilmEntrainment in Light Metal Alloy Castings, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process X. (2003) 415-422.
  7. C. Reilly, N. R. Green, M. R. Jolly and J. C. Gebelin, Using the Calculated Fr Numberfor Quality Assessment of Casting Filling Methods, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process XII. 12 (2009) 419 – 426.
  8. R. Cuesta, A. Delgado, A. Maroto and D. Mozo, Computer Simulation Study on theInfluence of Geometry on the Critical Gate Velocity for Molten Aluminium, in World FoundryCongress 2006 (Harrogate, UK, 2006).
  9. I. Ohnaka, A. Sigiyama, H. Onda, A. Kimatsuka, H. Yasuda, J. Zhu and H. Zhao,Porosity Formation Mechanism in Al and Mg Alloy Castings and Its Direct Simulation, in”Melting of casting and solidification processes VI (6th pacific rim conference)” (2004).
  10. X. Yang, X. Huang, X. Dia, J. Campbell and J. Tatler, Numerical Modelling ofEntrainment of Oxide Film Defects in Filling Aluminium Alloy Castings, International journal ofCast Metals Research 17 (2004) 321-331.
  11. M. R. Barkhudarov and C. W. Hirt, Tracking Defects, in 1st international Aluminiumcasting technology symposium (Rosemont, Il, 1998).
  12. M. Prakash, H. Joseph, P. Cleary and J. Grandfield, Preliminary SPH Modeling of OxideFormation During the Mold Filling Phase in Dc Casting of Extrusion Billets, in “Fifthinternational conference on CFD in the minerals and process industries” (Melbourne, Australia,2006).
  13. N. R. Green and J. Campbell, Statistical Distributions of Fracture Strengths of Cast Al7si-Mg Alloy, Materials Science and Engineering (1993).
  14. C. Reilly, N. R. Green and M. R. Jolly, Investigating Surface Entrainment Events UsingCfd for the Assessment of Casting Filling Methods, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process XII. 12 (2009) 443-450.
  15. H. S. H. Lo and J. Campbell, The Modeling of Ceramic Foam Filters, in Modeling ofcasting, welding and advanced solidification processes IX, Edited by P. R. Sahm, P. N. Hansenand J. G. Conley (2000) p. 373-380.
  16. N. R. Green and J. Campbell, Defect Formation in Cast Aluminium Alloys, Final Feport,Serc Grant Gr/H11655, (The university of Birmingham, 1995).
  17. B. Sirrell and J. Campbell, Mechanism of Filtration in Reduction of Casting Defects Dueto Surface Turbulence During Mold Filling, AFS Transactions 11 (1997) 645.
  18. W. D. Griffiths, Y. Beshay, P. D.J and X. Fan, The Determination of Inclusion Movementin Steel Castings by Positron Emmision Particle Tracking (Pept). , Journal of Material Science43 (2008) 6853-6856.
Casting model

A Verification of Thermophysical Properties of a Porous Ceramic Investment Casting Mould Using Commercial Computational Fluid Dynamics Software

상용 전산유체역학 소프트웨어를 이용한 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성을 검증하고 실험 결과와 비교함.
  • 기존 연구에서 실험적으로 도출된 몰드의 열물성이 CFD 시뮬레이션을 통해 검증될 수 있는지 평가함.
  • 실험적 측정값과 CFD 예측값을 비교하여 몰드의 열전도율, 비열 용량, 열팽창 계수의 정확성을 검토함.
  • 항공우주 산업에서 사용되는 몰드의 열적 거동을 보다 정확히 분석하여 고품질 주조 공정을 지원함.

연구 방법

  1. 실험적 주조 테스트
    • TPC Components AB 주조 공장에서 실제 크기의 Ni-초합금(IN718) 주조 실험 수행함.
    • 10층으로 구성된 테스트 몰드를 제작하고, 몰드 두께를 따라 여러 개의 열전대를 배치함.
    • 열전대 데이터를 기반으로 몰드 내부 및 금속 온도 프로파일을 분석함.
    • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 정확도를 평가함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • 실제 실험 조건을 반영하여 몰드 형상을 모델링하고, 압력 변화 경계를 설정함.
    • 몰드 내부와 외부의 온도 차이를 반영하여 공기층 형성을 고려함.
    • 몰드의 열전달 계수(HTC)와 방사율 값을 문헌 데이터를 기반으로 설정함.
    • Python 스크립트를 활용하여 시뮬레이션 데이터를 열전대 측정값과 비교함.
  3. 열물성 분석
    • 시차 주사 열량법(DSC)을 이용하여 몰드의 비열 용량을 측정함.
    • 레이저 플래시 분석(LFA)으로 열확산율을 평가하여 열전도율을 산출함.
    • 팽창계(dilatometry)를 사용하여 몰드의 열팽창 계수를 측정함.
    • 실험값과 시뮬레이션 예측값을 비교하여 몰드의 열물성을 검증함.
  4. 결과 검증
    • 실험 데이터와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 비교하여 CFD 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 실험값과 계산값 간 차이를 분석하고, 주요 원인을 규명함.
    • 몰드의 다층 구조에 따른 열적 거동을 평가하고, 추가 연구 방향을 제시함.

주요 결과

  1. 온도 프로파일 비교
    • 시뮬레이션 결과는 실험값과 높은 상관성을 보이며, 몰드 내부 온도 변화를 잘 재현함.
    • 금속이 주입될 때 온도 상승 패턴이 실험과 유사하게 나타남.
    • 열전대 측정값과 CFD 예측값 간 평균 오차는 약 2~5% 수준으로 나타남.
  2. 비열 용량 및 열팽창 계수
    • 실험 데이터를 기반으로 몰드의 평균 비열 용량을 결정함.
    • 몰드의 열팽창 계수는 실험 결과와 문헌 데이터와 비교하여 높은 일관성을 보임.
    • 몰드 조성 중 지르코늄과 실리카 함량이 열팽창 특성에 영향을 미치는 것으로 나타남.
  3. 열전도율 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 측정값이 유사한 열전도율 경향을 나타냄.
    • 고온에서 몰드의 열전도율이 증가하는 경향이 확인됨.
    • 몰드의 층별 조성이 열전도 특성에 미치는 영향을 평가함.
  4. 시뮬레이션과 실험 데이터 비교
    • 전체적으로 CFD 모델이 몰드의 열적 거동을 잘 예측하지만, 일부 고온 영역에서 오차가 존재함.
    • 몰드 내부 구조 및 표면 조도를 추가로 고려해야 정확성을 향상시킬 수 있음.
    • 향후 연구에서는 몰드의 다층 구조를 개별적으로 분석하는 방식이 필요함.

결론

  • FLOW-3D는 다공성 세라믹 몰드의 열적 거동을 신뢰성 있게 예측할 수 있음.
  • 실험적으로 측정된 몰드의 열물성 값과 CFD 예측값이 높은 상관성을 보임.
  • 일부 고온 영역에서 오차가 존재하므로 추가적인 실험적 검증이 필요함.
  • 향후 연구에서는 몰드의 층별 특성을 반영한 정밀 모델링이 필요함.

Reference

  1. Jones C A, Jolly M R, Jarfors A E W and Irwin M 2020 TMS 2020 149th Annual Meeting and Exhibition Supplemental Proceedings (San Diego: Springer) pp 1095–106
  2. Xu M 2015 Characterization of investment shell thermal properties (Missouri University of Science and Technology)
  3. Jones S, Jolly M R, Gebelin J, Cendrowicz A and Lewis K 2001 FOCAST 2nd Mini Conference (Unpublished)
  4. Konrad C H, Brunner M, Kyrgyzbaev K, Volkl R and Glatzel U 2011 J. Mater. Process. Technol. 181–6
  5. Chapman L A, Morell R, Quested P N, Brooks R F, Brown P, Chen L-H, Olive S and Ford D 2008 Properties of Alloys and Moulds Relevant to Investment Casting (Teddington: National Physical Laboratory)
  6. Jones S 2000 FOCAST 1st Mini Conference (Unpublished)
  7. Matsushita T, Ghassemali E, Saro A, Elmquist L and Jarfors A 2015 Metals 5 1000–19
  8. Khan M A A and Sheikh A K 2018 Int. J. Simul. Model. 17 197–209
Numerical Investigation of the Local Scour for Tripod Pile Foundation

Numerical Investigation of the Local Scour for Tripod Pile Foundation

Waqed H. Hassan Zahraa Mohammad Fadhe* Rifqa F. Thiab Karrar Mahdi
Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Warith Al-Anbiyaa, Kerbala 56001, Iraq
Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Kerbala, Kerbala 56001, Iraq
Corresponding Author Email: Waqed.hammed@uowa.edu.iq

OPEN ACCESS

Abstract: 

This work investigates numerically a local scour moves in irregular waves around tripods. It is constructed and proven to use the numerical model of the seabed-tripod-fluid with an RNG k turbulence model. The present numerical model then examines the flow velocity distribution and scour characteristics. After that, the suggested computational model Flow-3D is a useful tool for analyzing and forecasting the maximum scour development and the flow field in random waves around tripods. The scour values affecting the foundations of the tripod must be studied and calculated, as this phenomenon directly and negatively affects the structure of the structure and its design life. The lower diagonal braces and the main column act as blockages, increasing the flow accelerations underneath them.  This increases the number of particles that are moved, which in turn creates strong scouring in the area. The numerical model has a good agreement with the experimental model, with a maximum percentage of error of 10% between the experimental and numerical models. In addition, Based on dimensional analysis parameters, an empirical equation has been devised to forecast scour depth with flow depth, median size ratio, Keulegan-Carpenter (Kc), Froud number flow, and wave velocity that the results obtained in this research at various flow velocities and flow depths demonstrated that the maximum scour depth rate depended on wave height with rising velocities and decreasing particle sizes (d50) and the scour depth attains its steady-current value for Vw < 0.75. As the Froude number rises, the maximum scour depth will be large.

Keywords: 

local scour, tripod foundation, Flow-3D​, waves

1. Introduction

New energy sources have been used by mankind since they become industrialized. The main energy sources have traditionally been timber, coal, oil, and gas, but advances in the science of new energies, such as nuclear energy, have emerged [1, 2]. Clean and renewable energy such as offshore wind has grown significantly during the past few decades. There are numerous different types of foundations regarding offshore wind turbines (OWTs), comprising the tripod, jacket, gravity foundation, suction anchor (or bucket), and monopile [3, 4]. When the water depth is less than 30 meters, Offshore wind farms usually employ the monopile type [4]. Engineers must deal with the wind’s scouring phenomenon turbine foundations when planning and designing wind turbines for an offshore environment [5]. Waves and currents generate scour, this is the erosion of soil near a submerged foundation and at its location [6]. To predict the regional scour depth at a bridge pier, Jalal et al. [7-10] developed an original gene expression algorithm using artificial neural networks. Three monopiles, one main column, and several diagonal braces connecting the monopiles to the main column make up the tripod foundation, which has more complicated shapes than a single pile. The design of the foundation may have an impact on scour depth and scour development since the foundation’s form affects the flow field [11, 12]. Stahlmann [4] conducted several field investigations. He discovered that the main column is where the greatest scour depth occurred. Under the main column is where the maximum scour depth occurs in all experiments. The estimated findings show that higher wave heights correspond to higher flow velocities, indicating that a deeper scour depth is correlated with finer silt granularity [13] recommends as the design value for a single pile. These findings support the assertion that a tripod may cause the seabed to scour more severely than a single pile. The geography of the scour is significantly more influenced by the KC value (Keulegan–Carpenter number)

The capability of computer hardware and software has made computational fluid dynamics (CFD) quite popular to predict the behavior of fluid flow in industrial and environmental applications has increased significantly in recent years [14].

Finding an acceptable piece of land for the turbine’s construction and designing the turbine pile precisely for the local conditions are the biggest challenges. Another concern related to working in a marine environment is the effect of sea waves and currents on turbine piles and foundations. The earth surrounding the turbine’s pile is scoured by the waves, which also render the pile unstable.

In this research, the main objective is to investigate numerically a local scour around tripods in random waves. It is constructed and proven to use the tripod numerical model. The present numerical model is then used to examine the flow velocity distribution and scour characteristics.

2. Numerical Model

To simulate the scouring process around the tripod foundation, the CFD code Flow-3D was employed. By using the fractional area/volume method, it may highlight the intricate boundaries of the solution domain (FAVOR).

This model was tested and validated utilizing data derived experimentally from Schendel et al. [15] and Sumer and Fredsøe [6]. 200 runs were performed at different values of parameters.

2.1 Momentum equations

The incompressible viscous fluid motion is described by the three RANS equations listed below [16]:

(1)

\frac{\partial u}{\partial t}+\frac{1}{{{V}_{F}}}\left( u{{A}_{x}}\frac{\partial u}{\partial x}+v{{A}_{y}}\frac{\partial u}{\partial y}+w{{A}_{z}}\frac{\partial u}{\partial z} \right)=-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial x}+{{G}_{x}}+fx

(2)

\frac{\partial v}{\partial t}+\frac{1}{{{V}_{F}}}\left( u{{A}_{x}}\frac{\partial v}{\partial x}+v{{A}_{y}}\frac{\partial v}{\partial y}+w{{A}_{z}}\frac{\partial v}{\partial z} \right)=-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial y}+{{G}_{y}}+\text{f}y

 (3)

\frac{\partial w}{\partial t}+\frac{1}{{{V}_{F}}}\left( u{{A}_{x}}\frac{\partial w}{\partial x}+v{{A}_{y}}\frac{\partial w}{\partial y}+w{{A}_{z}}\frac{\partial w}{\partial z} \right)=-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial z}+{{G}_{z}}+\text{fz}

where, respectively, uv, and w represent the xy, and z flow velocity components; volume fraction (VF), area fraction (AiI=xyz), water density (f), viscous force (fi), and body force (Gi) are all used in the formula.

2.2 Model of turbulence

Several turbulence models would be combined to solve the momentum equations. A two-equation model of turbulence is the RNG k-model, which has a high efficiency and accuracy in computing the near-wall flow field. Therefore, the flow field surrounding tripods was captured using the RNG k-model.

2.3 Model of sediment scour

2.3.1 Induction and deposition

Eq. (4) can be used to determine the particle entrainment lift velocity [17].

(4)

{{u}_{lift,i}}={{\alpha }_{i}}{{n}_{s}}d_{*}^{0.3}{{\left( \theta -{{\theta }_{cr}} \right)}^{1.5}}\sqrt{\frac{\parallel g\parallel {{d}_{i}}\left( {{\rho }_{i}}-{{\rho }_{f}} \right)}{{{\rho }_{f}}}}

α𝛼  is the Induction parameter, ns the normal vector is parallel to the seafloor, and for the present numerical model, ns=(0,0,1), θ𝜃cr is the essential Shields variable, g is the accelerated by gravity, di is the size of the particles, ρi is species density in beds, and d The diameter of particles without dimensions; these values can be obtained in Eq. (5).

(5)

{{d}_{*}}={{d}_{i}}{{\left( \frac{\parallel g\parallel {{\rho }_{f}}\left( {{\rho }_{i}}-{{\rho }_{f}} \right)}{\mu _{f}^{2}} \right)}^{1/3}}

μ𝜇f is this equation a dynamic viscosity of the fluid. cr was determined from an equation based on Soulsby [18].

(6)

{{\theta }_{cr}}=\frac{0.3}{1+1.2{{d}_{*}}}+0.055\left[ 1-\text{exp}\left( -0.02{{d}_{*}} \right) \right]

The equation was used to determine how quickly sand particles set Eq. (7):

(7)

{{\mathbf{u}}_{\text{nsettling},i}}=\frac{{{v}_{f}}}{{{d}_{i}}}\left[ {{\left( {{10.36}^{2}}+1.049d_{*}^{3} \right)}^{0.5}}-10.36 \right]

vf  stands for fluid kinematic viscosity.

2.3.2 Transportation for bed loads

Van Rijn [19] states that the speed of bed load conveyance was determined as:

(8)

{{~}_{\text{bedload},i}}=\frac{{{q}_{b,i}}}{{{\delta }_{i}}{{c}_{b,i}}{{f}_{b}}}

fb  is the essential particle packing percentage, qbi is the bed load transportation rate, and cb, I the percentage of sand by volume i. These variables can be found in Eq. (9), Eq. (10), fbδ𝛿i the bed load thickness.

(9)

{{q}_{b,i}}=8{{\left[ \parallel g\parallel \left( \frac{{{\rho }_{i}}-{{\rho }_{f}}}{{{\rho }_{f}}} \right)d_{i}^{3} \right]}^{\frac{1}{2}}}

(10)

{{\delta }_{i}}=0.3d_{*}^{0.7}{{\left( \frac{\theta }{{{\theta }_{cr}}}-1 \right)}^{0.5}}{{d}_{i}}

In this paper, after the calibration of numerous trials, the selection of parameters for sediment scour is crucial. Maximum packing fraction is 0.64 with a shields number of 0.05, entrainment coefficient of 0.018, the mass density of 2650, bed load coefficient of 12, and entrainment coefficient of 0.01.

3. Model Setup

To investigate the scour characteristics near tripods in random waves, the seabed-tripod-fluid numerical model was created as shown in Figure 1. The tripod basis, a seabed, and fluid and porous medium were all components of the model. The seabed was 240 meters long, 40 meters wide, and three meters high. It had a median diameter of d50 and was composed of uniformly fine sand. The 2.5-meter main column diameter D. The base of the main column was three dimensions above the original seabed. The center of the seafloor was where the tripod was, 130 meters from the offshore and 110 meters from the onshore. To prevent wave reflection, the porous media were positioned above the seabed on the onshore side.

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Figure 1. An illustration of the numerical model for the seabed-tripod-fluid

3.1 Generation of meshes

Figure 2 displays the model’s mesh for the Flow-3D software grid. The current model made use of two different mesh types: global mesh grid and nested mesh grid. A mesh grid with the following measurements was created by the global hexahedra mesh grid: 240m length, 40m width, and 32m height. Around the tripod, a finer nested mesh grid was made, with dimensions of 0 to 32m on the z-axis, 10 to 30 m on the x-axis, and 25 to 15 m on the y-axis. This improved the calculation’s precision and mesh quality.

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Figure 2. The mesh block sketch

3.2 Conditional boundaries

To increase calculation efficiency, the top side, The model’s two x-z plane sides, as well as the symmetry boundaries, were all specified. For u, v, w=0, the bottom boundary wall was picked. The offshore end of the wave boundary was put upstream. For the wave border, random waves were generated using the wave spectrum from the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP). Boundary conditions are shown in Figure 3.

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Figure 3. Boundary conditions of the typical problem

The wave spectrum peak enhancement factor (=3.3 for this work) and can be used to express the unidirectional JONSWAP frequency spectrum.

3.3 Mesh sensitivity

Before doing additional research into scour traits and scour depth forecasting, mesh sensitivity analysis is essential. Three different mesh grid sizes were selected for this section: Mesh 1 has a 0.45 by 0.45 nested fine mesh and a 0.6 by 0.6 global mesh size. Mesh 2 has a 0.4 global mesh size and a 0.35 nested fine mesh size, while Mesh 3 has a 0.25 global mesh size and a nested fine mesh size of 0.15. Comparing the relative fine mesh size (such as Mesh 2 or Mesh 3) to the relatively coarse mesh size (such as Mesh 1), a larger scour depth was seen; this shows that a finer mesh size can more precisely represent the scouring and flow field action around a tripod. Significantly, a lower mesh size necessitates a time commitment and a more difficult computer configuration. Depending on the sensitivity of the mesh guideline utilized by Pang et al., when Mesh 2 is applied, the findings converge and the mesh size is independent [20]. In the next sections, scouring the area surrounding the tripod was calculated using Mesh 2 to ensure accuracy and reduce computation time. The working segment generates a total of 14, 800,324 cells.

3.4 Model validation

Comparisons between the predicted outcomes from the current model and to confirm that the current numerical model is accurate and suitably modified, experimental data from Sumer and Fredsøe [6] and Schendel et al. [15] were used. For the experimental results of Run 05, Run 15, and Run 22 from Sumer and Fredsøe [6], the experimental A9, A13, A17, A25, A26, and A27 results from Schendel et al. [15], and the numerical results from the current model are shown in Figure 4. The present model had d50=0.051cm, the height of the water wave(h)=10m, and wave velocity=0.854 m.s-1.

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Figure 4. Cell size effect

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Figure 5. Comparison of the present study’s maximum scour depth with that authored by Sumer and Fredsøe [6] and Schendel et al. [15]

According to Figure 5, the highest discrepancy between the numerical results and experimental data is about 10%, showing that overall, there is good agreement between them. The ability of the current numerical model to accurately depict the scour process and forecast the maximum scour depth (S) near foundations is demonstrated by this. Errors in the simulation were reduced by using the calibrated values of the parameter. Considering these results, a suggested simulated scouring utilizing a Flow-3D numerical model is confirmed as a superior way for precisely forecasting the maximum scour depth near a tripod foundation in random waves.

3.5 Dimensional analysis

The variables found in this study as having the greatest impacts, variables related to flow, fluid, bed sediment, flume shape, and duration all had an impact on local scouring depth (t). Hence, scour depth (S) can be seen as a function of these factors, shown as:

(11)

S=f\left(\rho, v, V, h, g, \rho s, d_{50}, \sigma g, V_w, D, d, T_v, t\right)

With the aid of dimensional analysis, the 14-dimensional parameters in Eq. (11) were reduced to 6 dimensionless variables using Buckingham’s -theorem. D, V, and were therefore set as repetition parameters and others as constants, allowing for the ignoring of their influence. Eq. (12) thus illustrates the relationship between the effect of the non-dimensional components on the depth of scour surrounding a tripod base.

(12)

\frac{S}{D}=f\left(\frac{h}{D}, \frac{d 50}{D}, \frac{V}{V W}, F r, K c\right)

where, SD𝑆𝐷 are scoured depth ratio, VVw𝑉𝑉𝑤 is flow wave velocity, d50D𝑑50𝐷 median size ratio, $Fr representstheFroudnumber,and𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑠𝑡ℎ𝑒𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟,𝑎𝑛𝑑Kc$ is the Keulegan-Carpenter.

4. Result and Discussion

4.1 Development of scour

Similar to how the physical model was used, this numerical model was also used. The numerical model’s boundary conditions and other crucial variables that directly influence the outcomes were applied (flow depth, median particle size (d50), and wave velocity). After the initial 0-300 s, the scour rate reduced as the scour holes grew quickly. The scour depths steadied for about 1800 seconds before reaching an asymptotic value. The findings of scour depth with time are displayed in Figure 6.

4.2 Features of scour

Early on (t=400s), the scour hole began to appear beneath the main column and then began to extend along the diagonal bracing connecting to the wall-facing pile. Gradually, the geography of the scour; of these results is similar to the experimental observations of Stahlmann [4] and Aminoroayaie Yamini et al. [1]. As the waves reached the tripod, there was an enhanced flow acceleration underneath the main column and the lower diagonal braces as a result of the obstructing effects of the structural elements. More particles are mobilized and transported due to the enhanced near-bed flow velocity, it also increases bed shear stress, turbulence, and scour at the site. In comparison to a single pile, the main column and structural components of the tripod have a significant impact on the flow velocity distribution and, consequently, the scour process and morphology. The main column and seabed are separated by a gap, therefore the flow across the gap may aid in scouring. The scour hole first emerged beneath the main column and subsequently expanded along the lower structural components, both Aminoroayaie Yamini et al. [1] and Stahlmann [4] made this claim. Around the tripod, there are several different scour morphologies and the flow velocity distribution as shown in Figures 7 and 8.

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Figure 6. Results of scour depth with time

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Figure 7. The sequence results of scour depth around tripod development (reached to steady state) simulation time

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image031.png

Figure 8. Random waves of flow velocity distribution around a tripod

4.3 Wave velocity’s (Vw) impact on scour depth

In this study’s section, we looked at how variations in wave current velocity affected the scouring depth. Bed scour pattern modification could result from an increase or decrease in waves. As a result, the backflow area produced within the pile would become stronger, which would increase the depth of the sediment scour. The quantity of current turbulence is the primary cause of the relationship between wave height and bed scour value. The current velocity has increased the extent to which the turbulence energy has changed and increased in strength now present. It should be mentioned that in this instance, the Jon swap spectrum random waves are chosen. The scour depth attains its steady-current value for Vw<0.75, Figure 9 (a) shows that effect. When (V) represents the mean velocity=0.5 m.s-1.

image032.png

(a)

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(b)

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(c)

image035.png

(d)

Figure 9Main effects on maximum scour depth (Smax) as a function of column diameter (D)

4.4 Impact of a median particle (d50) on scour depth

In this section of the study, we looked into how variations in particle size affected how the bed profile changed. The values of various particle diameters are defined in the numerical model for each run numerical modeling, and the conditions under which changes in particle diameter have an impact on the bed scour profile are derived. Based on Figure 9 (b), the findings of the numerical modeling show that as particle diameter increases the maximum scour depth caused by wave contact decreases. When (d50) is the diameter of Sediment (d50). The Shatt Al-Arab soil near Basra, Iraq, was used to produce a variety of varied diameters.

4.5 Impact of wave height and flow depth (h) on scour depth

One of the main elements affecting the scour profile brought on by the interaction of the wave and current with the piles of the wind turbines is the height of the wave surrounding the turbine pile causing more turbulence to develop there. The velocity towards the bottom and the bed both vary as the turbulence around the pile is increased, modifying the scour profile close to the pile. According to the results of the numerical modeling, the depth of scour will increase as water depth and wave height in random waves increase as shown in Figure 9 (c).

4.6 Froude number’s (Fr) impact on scour depth

No matter what the spacing ratio, the Figure 9 shows that the Froude number rises, and the maximum scour depth often rises as well increases in Figure 9 (d). Additionally, it is crucial to keep in mind that only a small portion of the findings regarding the spacing ratios with the smallest values. Due to the velocity acceleration in the presence of a larger Froude number, the range of edge scour downstream is greater than that of upstream. Moreover, the scouring phenomena occur in the region farthest from the tripod, perhaps as a result of the turbulence brought on by the collision of the tripod’s pile. Generally, as the Froude number rises, so does the deposition height and scour depth.

4.7 Keulegan-Carpenter (KC) number

The geography of the scour is significantly more influenced by the KC value. Greater KC causes a deeper equilibrium scour because an increase in KC lengthens the horseshoe vortex’s duration and intensifies it as shown in Figure 10.

The result can be attributed to the fact that wave superposition reduced the crucial KC for the initiation of the scour, particularly under small KC conditions. The primary variable in the equation used to calculate This is the depth of the scouring hole at the bed. The following expression is used to calculate the Keulegan-Carpenter number:

Kc=Vw∗TpD𝐾𝑐=𝑉𝑤∗𝑇𝑝𝐷                          (13)

where, the wave period is Tp and the wave velocity is shown by Vw.

image037.png

Figure 10. Relationship between the relative maximum scour depth and KC

5. Conclusion

(1) The existing seabed-tripod-fluid numerical model is capable of faithfully reproducing the scour process and the flow field around tripods, suggesting that it may be used to predict the scour around tripods in random waves.

(2) Their results obtained in this research at various flow velocities and flow depths demonstrated that the maximum scour depth rate depended on wave height with rising velocities and decreasing particle sizes (d50).

(3) A diagonal brace and the main column act as blockages, increasing the flow accelerations underneath them. This raises the magnitude of the disturbance and the shear stress on the seafloor, which in turn causes a greater number of particles to be mobilized and conveyed, as a result, causes more severe scour at the location.

(4) The Froude number and the scouring process are closely related. In general, as the Froude number rises, so does the maximum scour depth and scour range. The highest maximum scour depth always coincides with the bigger Froude number with the shortest spacing ratio.

Since the issue is that there aren’t many experiments or studies that are relevant to this subject, therefore we had to rely on the monopile criteria. Therefore, to gain a deeper knowledge of the scouring effect surrounding the tripod in random waves, further numerical research exploring numerous soil, foundation, and construction elements as well as upcoming physical model tests will be beneficial.

Nomenclature

CFDComputational fluid dynamics
FAVORFractional Area/Volume Obstacle Representation
VOFVolume of Fluid
RNGRenormalized Group
OWTsOffshore wind turbines
Greek Symbols
ε, ωDissipation rate of the turbulent kinetic energy, m2s-3
Subscripts
d50Median particle size
VfVolume fraction
GTTurbulent energy of buoyancy
KTTurbulent velocity
PTKinetic energy of the turbulence
ΑiInduction parameter
nsInduction parameter
ΘΘcrThe essential Shields variable
DiDiameter of sediment
dThe diameter of particles without dimensions
µfDynamic viscosity of the fluid
qb,iThe bed load transportation rate
Cs,iSand particle’s concentration of mass
DDiameter of pile
DfDiffusivity
DDiameter of main column
FrFroud number
KcKeulegan–Carpenter number
GAcceleration of gravity g
HFlow depth
VwWave Velocity
VMean Velocity
TpWave Period
SScour depth

  References

[1] Aminoroayaie Yamini, O., Mousavi, S.H., Kavianpour, M.R., Movahedi, A. (2018). Numerical modeling of sediment scouring phenomenon around the offshore wind turbine pile in marine environment. Environmental Earth Sciences, 77: 1-15. https://doi.org/10.1007/s12665-018-7967-4

[2] Hassan, W.H., Hashim, F.S. (2020). The effect of climate change on the maximum temperature in Southwest Iraq using HadCM3 and CanESM2 modelling. SN Applied Sciences, 2(9): 1494. https://doi.org/10.1007/s42452-020-03302-z

[3] Fazeres-Ferradosa, T., Rosa-Santos, P., Taveira-Pinto, F., Pavlou, D., Gao, F.P., Carvalho, H., Oliveira-Pinto, S. (2020). Preface: Advanced research on offshore structures and foundation design part 2. In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Maritime Engineering. Thomas Telford Ltd, 173(4): 96-99. https://doi.org/10.1680/jmaen.2020.173.4.96

[4] Stahlmann, A. (2013). Numerical and experimental modeling of scour at foundation structures for offshore wind turbines. In ISOPE International Ocean and Polar Engineering Conference. ISOPE, pp. ISOPE-I.

[5] Petersen, T.U., Sumer, B.M., Fredsøe, J. (2014). Edge scour at scour protections around offshore wind turbine foundations. In 7th International Conference on Scour and Erosion. CRC Press, pp. 587-592.

[6] Sumer, B.M., Fredsøe, J. (2001). Scour around pile in combined waves and current. Journal of Hydraulic Engineering, 127(5): 403-411. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:5(403)

[7] Jalal, H.K., Hassan, W.H. (2020). Effect of bridge pier shape on depth of scour. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 671(1): 012001. https://doi.org/10.1088/1757-899X/671/1/012001

[8] Hassan, W.H., Jalal, H.K. (2021). Prediction of the depth of local scouring at a bridge pier using a gene expression programming method. SN Applied Sciences, 3(2): 159. https://doi.org/10.1007/s42452-020-04124-9

[9] Jalal, H.K., Hassan, W.H. (2020). Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 745(1): 012150. https://doi.org/10.1088/1757-899X/745/1/012150

[10] Hassan, W.H., Attea, Z.H., Mohammed, S.S. (2020). Optimum layout design of sewer networks by hybrid genetic algorithm. Journal of Applied Water Engineering and Research, 8(2): 108-124. https://doi.org/10.1080/23249676.2020.1761897

[11] Hassan, W.H., Hussein, H.H., Alshammari, M.H., Jalal, H.K., Rasheed, S.E. (2022). Evaluation of gene expression programming and artificial neural networks in PyTorch for the prediction of local scour depth around a bridge pier. Results in Engineering, 13: 100353. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100353

[12] Hassan, W.H., Hh, H., Mohammed, S.S., Jalal, H.K., Nile, B.K. (2021). Evaluation of gene expression programming to predict the local scour depth around a bridge pier. Journal of Engineering Science and Technology, 16(2): 1232-1243. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100353

[13] Nerland, C. (2010). Offshore wind energy: Balancing risk and reward. In Proceedings of the Canadian Wind Energy Association’s 2010 Annual Conference and Exhibition, Canada, p. 2000. 

[14] Hassan, W.H., Nile, B.K., Mahdi, K., Wesseling, J., Ritsema, C. (2021). A feasibility assessment of potential artificial recharge for increasing agricultural areas in the kerbala desert in Iraq using numerical groundwater modeling. Water, 13(22): 3167. https://doi.org/10.3390/w13223167

[15] Schendel, A., Welzel, M., Schlurmann, T., Hsu, T.W. (2020). Scour around a monopile induced by directionally spread irregular waves in combination with oblique currents. Coastal Engineering, 161: 103751. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2020.103751

[16] Yakhot, V., Orszag, S.A. (1986). Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of Scientific Computing, 1(1): 3-51. https://doi.org/10.1007/BF01061452

[17] Mastbergen, D.R., Van Den Berg, J.H. (2003). Breaching in fine sands and the generation of sustained turbidity currents in submarine canyons. Sedimentology, 50(4): 625-637. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2003.00554.x

[18] Soulsby, R. (1997). Dynamics of marine sands. https://doi.org/10.1680/doms.25844

[19] Van Rijn, L.C. (1984). Sediment transport, part I: Bed load transport. Journal of Hydraulic Engineering, 110(10): 1431-1456. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1984)110:10(1431)

[20] Pang, A.L.J., Skote, M., Lim, S.Y., Gullman-Strand, J., Morgan, N. (2016). A numerical approach for determining equilibrium scour depth around a mono-pile due to steady currents. Applied Ocean Research, 57: 114-124. https://doi.org/10.1016/j.apor.2016.02.010

Numerical Investigation of the Local Scour for Tripod Pile Foundation.

Numerical Investigation of the Local Scour for Tripod Pile Foundation.

Hassan, Waqed H.; Fadhe, Zahraa Mohammad; Thiab, Rifqa F.; Mahdi, Karrar

초록

This work investigates numerically a local scour moves in irregular waves around tripods. It is constructed and proven to use the numerical model of the seabed-tripodfluid with an RNG k turbulence model. The present numerical model then examines the flow velocity distribution and scour characteristics. After that, the suggested computational model Flow-3D is a useful tool for analyzing and forecasting the maximum scour development and the flow field in random waves around tripods. The scour values affecting the foundations of the tripod must be studied and calculated, as this phenomenon directly and negatively affects the structure of the structure and its design life. The lower diagonal braces and the main column act as blockages, increasing the flow accelerations underneath them. This increases the number of particles that are moved, which in turn creates strong scouring in the area. The numerical model has a good agreement with the experimental model, with a maximum percentage of error of 10% between the experimental and numerical models. In addition, Based on dimensional analysis parameters, an empirical equation has been devised to forecast scour depth with flow depth, median size ratio, Keulegan-Carpenter (Kc), Froud number flow, and wave velocity that the results obtained in this research at various flow velocities and flow depths demonstrated that the maximum scour depth rate depended on wave height with rising velocities and decreasing particle sizes (d50) and the scour depth attains its steady-current value for Vw < 0.75. As the Froude number rises, the maximum scour depth will be large.

주제어

BUILDING foundationsSURFACE waves (Seismic waves)FLOW velocityRANDOM fieldsDIMENSIONAL analysisFROUDE numberOCEAN waves

키워드

출판물

Mathematical Modelling of Engineering Problems, 2024, Vol 11, Issue 4, p903

ISSN 2369-0739

저자 소속기관

  • 1 Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Warith Al-Anbiyaa, Kerbala 56001, Iraq
  • 2 Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Kerbala, Kerbala 56001, Iraq
  • 3 Department of Radiological Techniques, College of Health and Medical Techniques, Al-Zahraa University for Women, Karbala 56100, Iraq
  • 4 Soil Physics and Land Management Group, Wageningen University & Research, Wageningen 6708 PB, Netherlands
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Nana Kwabena Adomako a, Nima Haghdadi a, James F.L. Dingle bc, Ernst Kozeschnik d, Xiaozhou Liao bc, Simon P. Ringer bc, Sophie Primig a

Abstract

Metal additive manufacturing (AM) has now become the perhaps most desirable technique for producing complex shaped engineering parts. However, to truly take advantage of its capabilities, advanced control of AM microstructures and properties is required, and this is often enabled via modeling. The current work presents a computational modeling approach to studying the solid-state phase transformation kinetics and the microstructural evolution during AM. Our approach combines thermal and thermo-kinetic modelling. A semi-analytical heat transfer model is employed to simulate the thermal history throughout AM builds. Thermal profiles of individual layers are then used as input for the MatCalc thermo-kinetic software. The microstructural evolution (e.g., fractions, morphology, and composition of individual phases) for any region of interest throughout the build is predicted by MatCalc. The simulation is applied to an IN738 part produced by electron beam powder bed fusion to provide insights into how γ′ precipitates evolve during thermal cycling. Our simulations show qualitative agreement with our experimental results in predicting the size distribution of γ′ along the build height, its multimodal size character, as well as the volume fraction of MC carbides. Our findings indicate that our method is suitable for a range of AM processes and alloys, to predict and engineer their microstructures and properties.

Graphical Abstract

ga1

Keywords

Additive manufacturing, Simulation, Thermal cycles, γ′ phase, IN738

1. Introduction

Additive manufacturing (AM) is an advanced manufacturing method that enables engineering parts with intricate shapes to be fabricated with high efficiency and minimal materials waste. AM involves building up 3D components layer-by-layer from feedstocks such as powder [1]. Various alloys, including steel, Ti, Al, and Ni-based superalloys, have been produced using different AM techniques. These techniques include directed energy deposition (DED), electron- and laser powder bed fusion (E-PBF and L-PBF), and have found applications in a variety of industries such as aerospace and power generation [2][3][4]. Despite the growing interest, certain challenges limit broader applications of AM fabricated components in these industries and others. One of such limitations is obtaining a suitable and reproducible microstructure that offers the desired mechanical properties consistently. In fact, the AM as-built microstructure is highly complex and considerably distinctive from its conventionally processed counterparts owing to the complicated thermal cycles arising from the deposition of several layers upon each other [5][6].

Several studies have reported that the solid-state phases and solidification microstructure of AM processed alloys such as CMSX-4, CoCr [7][8], Ti-6Al-4V [9][10][11]IN738 [6]304L stainless steel [12], and IN718 [13][14] exhibit considerable variations along the build direction. For instance, references [9][10] have reported that there is a variation in the distribution of α and β phases along the build direction in Ti-alloys. Similarly, the microstructure of an L-PBF fabricated martensitic steel exhibits variations in the fraction of martensite [15]. Furthermore, some of the present authors and others [6][16][17][18][19][20] have recently reviewed and reported that there is a difference in the morphology and fraction of nanoscale precipitates as a function of build height in Ni-based superalloys. These non-uniformities in the as-built microstructure result in an undesired heterogeneity in mechanical and other important properties such as corrosion and oxidation [19][21][22][23]. To obtain the desired microstructure and properties, additional processing treatments are utilized, but this incurs extra costs and may lead to precipitation of detrimental phases and grain coarsening. Therefore, a through-process understanding of the microstructure evolution under repeated heating and cooling is now needed to further advance 3D printed microstructure and property control.

It is now commonly understood that the microstructure evolution during printing is complex, and most AM studies concentrate on the microstructure and mechanical properties of the final build only. Post-printing studies of microstructure characteristics at room temperature miss crucial information on how they evolve. In-situ measurements and modelling approaches are required to better understand the complex microstructural evolution under repeated heating and cooling. Most in-situ measurements in AM focus on monitoring the microstructural changes, such as phase transformations and melt pool dynamics during fabrication using X-ray scattering and high-speed X-ray imaging [24][25][26][27]. For example, Zhao et al. [25] measured the rate of solidification and described the α/β phase transformation during L-PBF of Ti-6Al-4V in-situ. Also, Wahlmann et al. [21] recently used an L-PBF machine coupled with X-ray scattering to investigate the changes in CMSX-4 phase during successive melting processes. Although these techniques provide significant understanding of the basic principles of AM, they are not widely accessible. This is due to the great cost of the instrument, competitive application process, and complexities in terms of the experimental set-up, data collection, and analysis [26][28].

Computational modeling techniques are promising and more widely accessible tools that enable advanced understanding, prediction, and engineering of microstructures and properties during AM. So far, the majority of computational studies have concentrated on physics based process models for metal AM, with the goal of predicting the temperature profile, heat transfer, powder dynamics, and defect formation (e.g., porosity) [29][30]. In recent times, there have been efforts in modeling of the AM microstructure evolution using approaches such as phase-field [31], Monte Carlo (MC) [32], and cellular automata (CA) [33], coupled with finite element simulations for temperature profiles. However, these techniques are often restricted to simulating the evolution of solidification microstructures (e.g., grain and dendrite structure) and defects (e.g., porosity). For example, Zinovieva et al. [33] predicted the grain structure of L-PBF Ti-6Al-4V using finite difference and cellular automata methods. However, studies on the computational modelling of the solid-state phase transformations, which largely determine the resulting properties, remain limited. This can be attributed to the multi-component and multi-phase nature of most engineering alloys in AM, along with the complex transformation kinetics during thermal cycling. This kind of research involves predictions of the thermal cycle in AM builds, and connecting it to essential thermodynamic and kinetic data as inputs for the model. Based on the information provided, the thermokinetic model predicts the history of solid-state phase microstructure evolution during deposition as output. For example, a multi-phase, multi-component mean-field model has been developed to simulate the intermetallic precipitation kinetics in IN718 [34] and IN625 [35] during AM. Also, Basoalto et al. [36] employed a computational framework to examine the contrasting distributions of process-induced microvoids and precipitates in two Ni-based superalloys, namely IN718 and CM247LC. Furthermore, McNamara et al. [37] established a computational model based on the Johnson-Mehl-Avrami model for non-isothermal conditions to predict solid-state phase transformation kinetics in L-PBF IN718 and DED Ti-6Al-4V. These models successfully predicted the size and volume fraction of individual phases and captured the repeated nucleation and dissolution of precipitates that occur during AM.

In the current study, we propose a modeling approach with appreciably short computational time to investigate the detailed microstructural evolution during metal AM. This may include obtaining more detailed information on the morphologies of phases, such as size distribution, phase fraction, dissolution and nucleation kinetics, as well as chemistry during thermal cycling and final cooling to room temperature. We utilize the combination of the MatCalc thermo-kinetic simulator and a semi-analytical heat conduction model. MatCalc is a software suite for simulation of phase transformations, microstructure evolution and certain mechanical properties in engineering alloys. It has successfully been employed to simulate solid-state phase transformations in Ni-based superalloys [38][39], steels [40], and Al alloys [41] during complex thermo-mechanical processes. MatCalc uses the classical nucleation theory as well as the so-called Svoboda-Fischer-Fratzl-Kozeschnik (SFFK) growth model as the basis for simulating precipitation kinetics [42]. Although MatCalc was originally developed for conventional thermo-mechanical processes, we will show that it is also applicable for AM if the detailed time-temperature profile of the AM build is known. The semi-analytical heat transfer code developed by Stump and Plotkowski [43] is used to simulate these profile throughout the AM build.

1.1. Application to IN738

Inconel-738 (IN738) is a precipitation hardening Ni-based superalloy mainly employed in high-temperature components, e.g. in gas turbines and aero-engines owing to its exceptional mechanical properties at temperatures up to 980 °C, coupled with high resistance to oxidation and corrosion [44]. Its superior high-temperature strength (∼1090 MPa tensile strength) is provided by the L12 ordered Ni3(Al,Ti) γ′ phase that precipitates in a face-centered cubic (FCC) γ matrix [45][46]. Despite offering great properties, IN738, like most superalloys with high γ′ fractions, is challenging to process owing to its propensity to hot cracking [47][48]. Further, machining of such alloys is challenging because of their high strength and work-hardening rates. It is therefore difficult to fabricate complex INC738 parts using traditional manufacturing techniques like casting, welding, and forging.

The emergence of AM has now made it possible to fabricate such parts from IN738 and other superalloys. Some of the current authors’ recent research successfully applied E-PBF to fabricate defect-free IN738 containing γ′ throughout the build [16][17]. The precipitated γ′ were heterogeneously distributed. In particular, Haghdadi et al. [16] studied the origin of the multimodal size distribution of γ′, while Lim et al. [17] investigated the gradient in γ′ character with build height and its correlation to mechanical properties. Based on these results, the present study aims to extend the understanding of the complex and site-specific microstructural evolution in E-PBF IN738 by using a computational modelling approach. New experimental evidence (e.g., micrographs not published previously) is presented here to support the computational results.

2. Materials and Methods

2.1. Materials preparation

IN738 Ni-based superalloy (59.61Ni-8.48Co-7.00Al-17.47Cr-3.96Ti-1.01Mo-0.81W-0.56Ta-0.49Nb-0.47C-0.09Zr-0.05B, at%) gas-atomized powder was used as feedstock. The powders, with average size of 60 ± 7 µm, were manufactured by Praxair and distributed by Astro Alloys Inc. An Arcam Q10 machine by GE Additive with an acceleration voltage of 60 kV was used to fabricate a 15 × 15 × 25 mm3 block (XYZ, Z: build direction) on a 316 stainless steel substrate. The block was 3D-printed using a ‘random’ spot melt pattern. The random spot melt pattern involves randomly selecting points in any given layer, with an equal chance of each point being melted. Each spot melt experienced a dwell time of 0.3 ms, and the layer thickness was 50 µm. Some of the current authors have previously characterized the microstructure of the very same and similar builds in more detail [16][17]. A preheat temperature of ∼1000 °C was set and kept during printing to reduce temperature gradients and, in turn, thermal stresses [49][50][51]. Following printing, the build was separated from the substrate through electrical discharge machining. It should be noted that this sample was simultaneously printed with the one used in [17] during the same build process and on the same build plate, under identical conditions.

2.2. Microstructural characterization

The printed sample was longitudinally cut in the direction of the build using a Struers Accutom-50, ground, and then polished to 0.25 µm suspension via standard techniques. The polished x-z surface was electropolished and etched using Struers A2 solution (perchloric acid in ethanol). Specimens for image analysis were polished using a 0.06 µm colloidal silica. Microstructure analyses were carried out across the height of the build using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) with focus on the microstructure evolution (γ′ precipitates) in individual layers. The position of each layer being analyzed was determined by multiplying the layer number by the layer thickness (50 µm). It should be noted that the position of the first layer starts where the thermal profile is tracked (in this case, 2 mm from the bottom). SEM images were acquired using a JEOL 7001 field emission microscope. The brightness and contrast settings, acceleration voltage of 15 kV, working distance of 10 mm, and other SEM imaging parameters were all held constant for analysis of the entire build. The ImageJ software was used for automated image analysis to determine the phase fraction and size of γ′ precipitates and carbides. A 2-pixel radius Gaussian blur, following a greyscale thresholding and watershed segmentation was used [52]. Primary γ′ sizes (>50 nm), were measured using equivalent spherical diameters. The phase fractions were considered equal to the measured area fraction. Secondary γ′ particles (<50 nm) were not considered here. The γ′ size in the following refers to the diameter of a precipitate.

2.3. Hardness testing

A Struers DuraScan tester was utilized for Vickers hardness mapping on a polished x-z surface, from top to bottom under a maximum load of 100 mN and 10 s dwell time. 30 micro-indentations were performed per row. According to the ASTM standard [53], the indentations were sufficiently distant (∼500 µm) to assure that strain-hardened areas did not interfere with one another.

2.4. Computational simulation of E-PBF IN738 build

2.4.1. Thermal profile modeling

The thermal history was generated using the semi-analytical heat transfer code (also known as the 3DThesis code) developed by Stump and Plotkowski [43]. This code is an open-source C++ program which provides a way to quickly simulate the conductive heat transfer found in welding and AM. The key use case for the code is the simulation of larger domains than is practicable with Computational Fluid Dynamics/Finite Element Analysis programs like FLOW-3D AM. Although simulating conductive heat transfer will not be an appropriate simplification for some investigations (for example the modelling of keyholding or pore formation), the 3DThesis code does provide fast estimates of temperature, thermal gradient, and solidification rate which can be useful for elucidating microstructure formation across entire layers of an AM build. The mathematics involved in the code is as follows:

In transient thermal conduction during welding and AM, with uniform and constant thermophysical properties and without considering fluid convection and latent heat effects, energy conservation can be expressed as:(1)��∂�∂�=�∇2�+�̇where � is density, � specific heat, � temperature, � time, � thermal conductivity, and �̇ a volumetric heat source. By assuming a semi-infinite domain, Eq. 1 can be analytically solved. The solution for temperature at a given time (t) using a volumetric Gaussian heat source is presented as:(2)��,�,�,�−�0=33�����32∫0�1������exp−3�′�′2��+�′�′2��+�′�′2����′(3)and��=12��−�′+��2for�=�,�,�(4)and�′�′=�−���′Where � is the vector �,�,� and �� is the location of the heat source.

The numerical integration scheme used is an adaptive Gaussian quadrature method based on the following nondimensionalization:(5)�=��xy2�,�′=��xy2�′,�=��xy,�=��xy,�=��xy,�=���xy

A more detailed explanation of the mathematics can be found in reference [43].

The main source of the thermal cycling present within a powder-bed fusion process is the fusion of subsequent layers. Therefore, regions near the top of a build are expected to undergo fewer thermal cycles than those closer to the bottom. For this purpose, data from the single scan’s thermal influence on multiple layers was spliced to represent the thermal cycles experienced at a single location caused by multiple subsequent layers being fused.

The cross-sectional area simulated by this model was kept constant at 1 × 1 mm2, and the depth was dependent on the build location modelled with MatCalc. For a build location 2 mm from the bottom, the maximum number of layers to simulate is 460. Fig. 1a shows a stitched overview OM image of the entire build indicating the region where this thermal cycle is simulated and tracked. To increase similarity with the conditions of the physical build, each thermal history was constructed from the results of two simulations generated with different versions of a random scan path. The parameters used for these thermal simulations can be found in Table 1. It should be noted that the main purpose of the thermal profile modelling was to demonstrate how the conditions at different locations of the build change relative to each other. Accurately predicting the absolute temperature during the build would require validation via a temperature sensor measurement during the build process which is beyond the scope of the study. Nonetheless, to establish the viability of the heat source as a suitable approximation for this study, an additional sensitivity analysis was conducted. This analysis focused on the influence of energy input on γ′ precipitation behavior, the central aim of this paper. This was achieved by employing varying beam absorption energies (0.76, 0.82 – the values utilized in the simulation, and 0.9). The direct impact of beam absorption efficiency on energy input into the material was investigated. Specifically, the initial 20 layers of the build were simulated and subsequently compared to experimental data derived from SEM. While phase fractions were found to be consistent across all conditions, disparities emerged in the mean size of γ′ precipitates. An absorption efficiency of 0.76 yielded a mean size of approximately 70 nm. Conversely, absorption efficiencies of 0.82 and 0.9 exhibited remarkably similar mean sizes of around 130 nm, aligning closely with the outcomes of the experiments.

Fig. 1

Table 1. A list of parameters used in thermal simulation of E-PBF.

ParameterValue
Spatial resolution5 µm
Time step0.5 s
Beam diameter200 µm
Beam penetration depth1 µm
Beam power1200 W
Beam absorption efficiency0.82
Thermal conductivity25.37 W/(m⋅K)
Chamber temperature1000 °C
Specific heat711.756 J/(kg⋅K)
Density8110 kg/m3

2.4.2. Thermo-kinetic simulation

The numerical analyses of the evolution of precipitates was performed using MatCalc version 6.04 (rel 0.011). The thermodynamic (‘mc_ni.tdb’, version 2.034) and diffusion (‘mc_ni.ddb’, version 2.007) databases were used. MatCalc’s basic principles are elaborated as follows:

The nucleation kinetics of precipitates are computed using a computational technique based on a classical nucleation theory [54] that has been modified for systems with multiple components [42][55]. Accordingly, the transient nucleation rate (�), which expresses the rate at which nuclei are formed per unit volume and time, is calculated as:(6)�=�0��*∙�xp−�*�∙�∙exp−��where �0 denotes the number of active nucleation sites, �* the rate of atomic attachment, � the Boltzmann constant, � the temperature, �* the critical energy for nucleus formation, τ the incubation time, and t the time. � (Zeldovich factor) takes into consideration that thermal excitation destabilizes the nucleus as opposed to its inactive state [54]. Z is defined as follows:(7)�=−12�kT∂2∆�∂�2�*12where ∆� is the overall change in free energy due to the formation of a nucleus and n is the nucleus’ number of atoms. ∆�’s derivative is evaluated at n* (critical nucleus size). �* accounts for the long-range diffusion of atoms required for nucleation, provided that the matrix’ and precipitates’ composition differ. Svoboda et al. [42] developed an appropriate multi-component equation for �*, which is given by:(8)�*=4��*2�4�∑�=1��ki−�0�2�0��0�−1where �* denotes the critical radius for nucleation, � represents atomic distance, and � is the molar volume. �ki and �0� represent the concentration of elements in the precipitate and matrix, respectively. The parameter �0� denotes the rate of diffusion of the ith element within the matrix. The expression for the incubation time � is expressed as [54]:(9)�=12�*�2

and �*, which represents the critical energy for nucleation:(10)�*=16�3�3∆�vol2where � is the interfacial energy, and ∆Gvol the change in the volume free energy. The critical nucleus’ composition is similar to the γ′ phase’s equilibrium composition at the same temperature. � is computed based on the precipitate and matrix compositions, using a generalized nearest neighbor broken bond model, with the assumption of interfaces being planar, sharp, and coherent [56][57][58].

In Eq. 7, it is worth noting that �* represents the fundamental variable in the nucleation theory. It contains �3/∆�vol2 and is in the exponent of the nucleation rate. Therefore, even small variations in γ and/or ∆�vol can result in notable changes in �, especially if �* is in the order of �∙�. This is demonstrated in [38] for UDIMET 720 Li during continuous cooling, where these quantities change steadily during precipitation due to their dependence on matrix’ and precipitate’s temperature and composition. In the current work, these changes will be even more significant as the system is exposed to multiple cycles of rapid cooling and heating.

Once nucleated, the growth of a precipitate is assessed using the radius and composition evolution equations developed by Svoboda et al. [42] with a mean-field method that employs the thermodynamic extremal principle. The expression for the total Gibbs free energy of a thermodynamic system G, which consists of n components and m precipitates, is given as follows:(11)�=∑���0��0�+∑�=1�4���33��+∑�=1��ki�ki+∑�=1�4���2��.

The chemical potential of component � in the matrix is denoted as �0�(�=1,…,�), while the chemical potential of component � in the precipitate is represented by �ki(�=1,…,�,�=1,…,�). These chemical potentials are defined as functions of the concentrations �ki(�=1,…,�,�=1,…,�). The interface energy density is denoted as �, and �� incorporates the effects of elastic energy and plastic work resulting from the volume change of each precipitate.

Eq. (12) establishes that the total free energy of the system in its current state relies on the independent state variables: the sizes (radii) of the precipitates �� and the concentrations of each component �ki. The remaining variables can be determined by applying the law of mass conservation to each component �. This can be represented by the equation:(12)��=�0�+∑�=1�4���33�ki,

Furthermore, the global mass conservation can be expressed by equation:(13)�=∑�=1���When a thermodynamic system transitions to a more stable state, the energy difference between the initial and final stages is dissipated. This model considers three distinct forms of dissipation effects [42]. These include dissipations caused by the movement of interfaces, diffusion within the precipitate and diffusion within the matrix.

Consequently, �̇� (growth rate) and �̇ki (chemical composition’s rate of change) of the precipitate with index � are derived from the linear system of equation system:(14)�ij��=��where �� symbolizes the rates �̇� and �̇ki [42]. Index i contains variables for precipitate radius, chemical composition, and stoichiometric boundary conditions suggested by the precipitate’s crystal structure. Eq. (10) is computed separately for every precipitate �. For a more detailed description of the formulae for the coefficients �ij and �� employed in this work please refer to [59].

The MatCalc software was used to perform the numerical time integration of �̇� and �̇ki of precipitates based on the classical numerical method by Kampmann and Wagner [60]. Detailed information on this method can be found in [61]. Using this computational method, calculations for E-PBF thermal cycles (cyclic heating and cooling) were computed and compared to experimental data. The simulation took approximately 2–4 hrs to complete on a standard laptop.

3. Results

3.1. Microstructure

Fig. 1 displays a stitched overview image and selected SEM micrographs of various γ′ morphologies and carbides after observations of the X-Z surface of the build from the top to 2 mm above the bottom. Fig. 2 depicts a graph that charts the average size and phase fraction of the primary γ′, as it changes with distance from the top to the bottom of the build. The SEM micrographs show widespread primary γ′ precipitation throughout the entire build, with the size increasing in the top to bottom direction. Particularly, at the topmost height, representing the 460th layer (Z = 22.95 mm), as seen in Fig. 1b, the average size of γ′ is 110 ± 4 nm, exhibiting spherical shapes. This is representative of the microstructure after it solidifies and cools to room temperature, without experiencing additional thermal cycles. The γ′ size slightly increases to 147 ± 6 nm below this layer and remains constant until 0.4 mm (∼453rd layer) from the top. At this position, the microstructure still closely resembles that of the 460th layer. After the 453rd layer, the γ′ size grows rapidly to ∼503 ± 19 nm until reaching the 437th layer (1.2 mm from top). The γ′ particles here have a cuboidal shape, and a small fraction is coarser than 600 nm. γ′ continue to grow steadily from this position to the bottom (23 mm from the top). A small fraction of γ′ is > 800 nm.

Fig. 2

Besides primary γ′, secondary γ′ with sizes ranging from 5 to 50 nm were also found. These secondary γ′ precipitates, as seen in Fig. 1f, were present only in the bottom and middle regions. A detailed analysis of the multimodal size distribution of γ′ can be found in [16]. There is no significant variation in the phase fraction of the γ′ along the build. The phase fraction is ∼ 52%, as displayed in Fig. 2. It is worth mentioning that the total phase fraction of γ′ was estimated based on the primary γ′ phase fraction because of the small size of secondary γ′. Spherical MC carbides with sizes ranging from 50 to 400 nm and a phase fraction of 0.8% were also observed throughout the build. The carbides are the light grey precipitates in Fig. 1g. The light grey shade of carbides in the SEM images is due to their composition and crystal structure [52]. These carbides are not visible in Fig. 1b-e because they were dissolved during electro-etching carried out after electropolishing. In Fig. 1g, however, the sample was examined directly after electropolishing, without electro-etching.

Table 2 shows the nominal and measured composition of γ′ precipitates throughout the build by atom probe microscopy as determined in our previous study [17]. No build height-dependent composition difference was observed in either of the γ′ precipitate populations. However, there was a slight disparity between the composition of primary and secondary γ′. Among the main γ′ forming elements, the primary γ′ has a high Ti concentration while secondary γ′ has a high Al concentration. A detailed description of the atom distribution maps and the proxigrams of the constituent elements of γ′ throughout the build can be found in [17].

Table 2. Bulk IN738 composition determined using inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). Compositions of γ, primary γ′, and secondary γ′ at various locations in the build measured by APT. This information is reproduced from data in Ref. [17] with permission.

at%NiCrCoAlMoWTiNbCBZrTaOthers
Bulk59.1217.478.487.001.010.813.960.490.470.050.090.560.46
γ matrix
Top50.4832.9111.591.941.390.820.440.80.030.030.020.24
Mid50.3732.6111.931.791.540.890.440.10.030.020.020.010.23
Bot48.1034.5712.082.141.430.880.480.080.040.030.010.12
Primary γ′
Top72.172.513.4412.710.250.397.780.560.030.020.050.08
Mid71.602.573.2813.550.420.687.040.730.010.030.040.04
Bot72.342.473.8612.500.260.447.460.500.050.020.020.030.04
Secondary γ′
Mid70.424.203.2314.190.631.035.340.790.030.040.040.05
Bot69.914.063.6814.320.811.045.220.650.050.100.020.11

3.2. Hardness

Fig. 3a shows the Vickers hardness mapping performed along the entire X-Z surface, while Fig. 3b shows the plot of average hardness at different build heights. This hardness distribution is consistent with the γ′ precipitate size gradient across the build direction in Fig. 1Fig. 2. The maximum hardness of ∼530 HV1 is found at ∼0.5 mm away from the top surface (Z = 22.5), where γ′ particles exhibit the smallest observed size in Fig. 2b. Further down the build (∼ 2 mm from the top), the hardness drops to the 440–490 HV1 range. This represents the region where γ′ begins to coarsen. The hardness drops further to 380–430 HV1 at the bottom of the build.

Fig. 3

3.3. Modeling of the microstructural evolution during E-PBF

3.3.1. Thermal profile modeling

Fig. 4 shows the simulated thermal profile of the E-PBF build at a location of 23 mm from the top of the build, using a semi-analytical heat conduction model. This profile consists of the time taken to deposit 460 layers until final cooling, as shown in Fig. 4a. Fig. 4b-d show the magnified regions of Fig. 4a and reveal the first 20 layers from the top, a single layer (first layer from the top), and the time taken for the build to cool after the last layer deposition, respectively.

Fig. 4

The peak temperatures experienced by previous layers decrease progressively as the number of layers increases but never fall below the build preheat temperature (1000 °C). Our simulated thermal cycle may not completely capture the complexity of the actual thermal cycle utilized in the E-PBF build. For instance, the top layer (Fig. 4c), also representing the first deposit’s thermal profile without additional cycles (from powder heating, melting, to solidification), recorded the highest peak temperature of 1390 °C. Although this temperature is above the melting range of the alloy (1230–1360 °C) [62], we believe a much higher temperature was produced by the electron beam to melt the powder. Nevertheless, the solidification temperature and dynamics are outside the scope of this study as our focus is on the solid-state phase transformations during deposition. It takes ∼25 s for each layer to be deposited and cooled to the build temperature. The interlayer dwell time is 125 s. The time taken for the build to cool to room temperature (RT) after final layer deposition is ∼4.7 hrs (17,000 s).

3.3.2. MatCalc simulation

During the MatCalc simulation, the matrix phase is defined as γ. γ′, and MC carbide are included as possible precipitates. The domain of these precipitates is set to be the matrix (γ), and nucleation is assumed to be homogenous. In homogeneous nucleation, all atoms of the unit volume are assumed to be potential nucleation sitesTable 3 shows the computational parameters used in the simulation. All other parameters were set at default values as recommended in the version 6.04.0011 of MatCalc. The values for the interfacial energies are automatically calculated according to the generalized nearest neighbor broken bond model and is one of the most outstanding features in MatCalc [56][57][58]. It should be noted that the elastic misfit strain was not included in the calculation. The output of MatCalc includes phase fraction, size, nucleation rate, and composition of the precipitates. The phase fraction in MatCalc is the volume fraction. Although the experimental phase fraction is the measured area fraction, it is relatively similar to the volume fraction. This is because of the generally larger precipitate size and similar morphology at the various locations along the build [63]. A reliable phase fraction comparison between experiment and simulation can therefore be made.

Table 3. Computational parameters used in the simulation.

Precipitation domainγ
Nucleation site γ′Bulk (homogenous)
Nucleation site MC carbideBulk (Homogenous)
Precipitates class size250
Regular solution critical temperature γ′2500 K[64]
Calculated interfacial energyγ′ = 0.080–0.140 J/m2 and MC carbide = 0.410–0.430 J/m2
3.3.2.1. Precipitate phase fraction

Fig. 5a shows the simulated phase fraction of γ′ and MC carbide during thermal cycling. Fig. 5b is a magnified view of 5a showing the simulated phase fraction at the center points of the top 70 layers, whereas Fig. 5c corresponds to the first two layers from the top. As mentioned earlier, the top layer (460th layer) represents the microstructure after solidification. The microstructure of the layers below is determined by the number of thermal cycles, which increases with distance to the top. For example, layers 459, 458, 457, up to layer 1 (region of interest) experience 1, 2, 3 and 459 thermal cycles, respectively. In the top layer in Fig. 5c, the volume fraction of γ′ and carbides increases with temperature. For γ′, it decreases to zero when the temperature is above the solvus temperature after a few seconds. Carbides, however, remain constant in their volume fraction reaching equilibrium (phase fraction ∼ 0.9%) in a short time. The topmost layer can be compared to the first deposit, and the peak in temperature symbolizes the stage where the electron beam heats the powder until melting. This means γ′ and carbide precipitation might have started in the powder particles during heating from the build temperature and electron beam until the onset of melting, where γ′ dissolves, but carbides remain stable [28].

Fig. 5

During cooling after deposition, γ′ reprecipitates at a temperature of 1085 °C, which is below its solvus temperature. As cooling progresses, the phase fraction increases steadily to ∼27% and remains constant at 1000 °C (elevated build temperature). The calculated equilibrium fraction of phases by MatCalc is used to show the complex precipitation characteristics in this alloy. Fig. 6 shows that MC carbides form during solidification at 1320 °C, followed by γ′, which precipitate when the solidified layer cools to 1140 °C. This indicates that all deposited layers might contain a negligible amount of these precipitates before subsequent layer deposition, while being at the 1000 °C build temperature or during cooling to RT. The phase diagram also shows that the equilibrium fraction of the γ′ increases as temperature decreases. For instance, at 1000, 900, and 800 °C, the phase fractions are ∼30%, 38%, and 42%, respectively.

Fig. 6

Deposition of subsequent layers causes previous layers to undergo phase transformations as they are exposed to several thermal cycles with different peak temperatures. In Fig. 5c, as the subsequent layer is being deposited, γ′ in the previous layer (459th layer) begins to dissolve as the temperature crosses the solvus temperature. This is witnessed by the reduction of the γ′ phase fraction. This graph also shows how this phase dissolves during heating. However, the phase fraction of MC carbide remains stable at high temperatures and no dissolution is seen during thermal cycling. Upon cooling, the γ′ that was dissolved during heating reprecipitates with a surge in the phase fraction until 1000 °C, after which it remains constant. This microstructure is similar to the solidification microstructure (layer 460), with a similar γ′ phase fraction (∼27%).

The complete dissolution and reprecipitation of γ′ continue for several cycles until the 50th layer from the top (layer 411), where the phase fraction does not reach zero during heating to the peak temperature (see Fig. 5d). This indicates the ‘partial’ dissolution of γ′, which continues progressively with additional layers. It should be noted that the peak temperatures for layers that underwent complete dissolution were much higher (1170–1300 °C) than the γ′ solvus.

The dissolution and reprecipitation of γ′ during thermal cycling are further confirmed in Fig. 7, which summarizes the nucleation rate, phase fraction, and concentration of major elements that form γ′ in the matrix. Fig. 7b magnifies a single layer (3rd layer from top) within the full dissolution region in Fig. 7a to help identify the nucleation and growth mechanisms. From Fig. 7b, γ′ nucleation begins during cooling whereby the nucleation rate increases to reach a maximum value of approximately 1 × 1020 m−3s−1. This fast kinetics implies that some rearrangement of atoms is required for γ′ precipitates to form in the matrix [65][66]. The matrix at this stage is in a non-equilibrium condition. Its composition is similar to the nominal composition and remains unchanged. The phase fraction remains insignificant at this stage although nucleation has started. The nucleation rate starts declining upon reaching the peak value. Simultaneously, diffusion-controlled growth of existing nuclei occurs, depleting the matrix of γ′ forming elements (Al and Ti). Thus, from (7)(11), ∆�vol continuously decreases until nucleation ceases. The growth of nuclei is witnessed by the increase in phase fraction until a constant level is reached at 27% upon cooling to and holding at build temperature. This nucleation event is repeated several times.

Fig. 7

At the onset of partial dissolution, the nucleation rate jumps to 1 × 1021 m−3s−1, and then reduces sharply at the middle stage of partial dissolution. The nucleation rate reaches 0 at a later stage. Supplementary Fig. S1 shows a magnified view of the nucleation rate, phase fraction, and thermal profile, underpinning this trend. The jump in nucleation rate at the onset is followed by a progressive reduction in the solute content of the matrix. The peak temperatures (∼1130–1160 °C) are lower than those in complete dissolution regions but still above or close to the γ′ solvus. The maximum phase fraction (∼27%) is similar to that of the complete dissolution regions. At the middle stage, the reduction in nucleation rate is accompanied by a sharp drop in the matrix composition. The γ′ fraction drops to ∼24%, where the peak temperatures of the layers are just below or at γ′ solvus. The phase fraction then increases progressively through the later stage of partial dissolution to ∼30% towards the end of thermal cycling. The matrix solute content continues to drop although no nucleation event is seen. The peak temperatures are then far below the γ′ solvus. It should be noted that the matrix concentration after complete dissolution remains constant. Upon cooling to RT after final layer deposition, the nucleation rate increases again, indicating new nucleation events. The phase fraction reaches ∼40%, with a further depletion of the matrix in major γ′ forming elements.

3.3.2.2. γ′ size distribution

Fig. 8 shows histograms of the γ′ precipitate size distributions (PSD) along the build height during deposition. These PSDs are predicted at the end of each layer of interest just before final cooling to room temperature, to separate the role of thermal cycles from final cooling on the evolution of γ′. The PSD for the top layer (layer 460) is shown in Fig. 8a (last solidified region with solidification microstructure). The γ′ size ranges from 120 to 230 nm and is similar to the 44 layers below (2.2 mm from the top).

Fig. 8

Further down the build, γ′ begins to coarsen after layer 417 (44th layer from top). Fig. 8c shows the PSD after the 44th layer, where the γ′ size exhibits two peaks at ∼120–230 and ∼300 nm, with most of the population being in the former range. This is the onset of partial dissolution where simultaneously with the reprecipitation and growth of fresh γ′, the undissolved γ′ grows rapidly through diffusive transport of atoms to the precipitates. This is shown in Fig. 8c, where the precipitate class sizes between 250 and 350 represent the growth of undissolved γ′. Although this continues in the 416th layer, the phase fractions plot indicates that the onset of partial dissolution begins after the 411th layer. This implies that partial dissolution started early, but the fraction of undissolved γ′ was too low to impact the phase fraction. The reprecipitated γ′ are mostly in the 100–220 nm class range and similar to those observed during full dissolution.

As the number of layers increases, coarsening intensifies with continued growth of more undissolved γ′, and reprecipitation and growth of partially dissolved ones. Fig. 8d, e, and f show this sequence. Further down the build, coarsening progresses rapidly, as shown in Figs. 8d, 8e, and 8f. The γ′ size ranges from 120 to 1100 nm, with the peaks at 160, 180, and 220 nm in Figs. 8d, 8e, and 8f, respectively. Coarsening continues until nucleation ends during dissolution, where only the already formed γ′ precipitates continue to grow during further thermal cycling. The γ′ size at this point is much larger, as observed in layers 361 and 261, and continues to increase steadily towards the bottom (layer 1). Two populations in the ranges of ∼380–700 and ∼750–1100 nm, respectively, can be seen. The steady growth of γ′ towards the bottom is confirmed by the gradual decrease in the concentration of solute elements in the matrix (Fig. 7a). It should be noted that for each layer, the γ′ class with the largest size originates from continuous growth of the earliest set of the undissolved precipitates.

Fig. 9Fig. 10 and supplementary Figs. S2 and S3 show the γ′ size evolution during heating and cooling of a single layer in the full dissolution region, and early, middle stages, and later stages of partial dissolution, respectively. In all, the size of γ′ reduces during layer heating. Depending on the peak temperature of the layer which varies with build height, γ′ are either fully or partially dissolved as mentioned earlier. Upon cooling, the dissolved γ′ reprecipitate.

Fig. 9
Fig. 10

In Fig. 9, those layers that underwent complete dissolution (top layers) were held above γ′ solvus temperature for longer. In Fig. 10, layers at the early stage of partial dissolution spend less time in the γ′ solvus temperature region during heating, leading to incomplete dissolution. In such conditions, smaller precipitates are fully dissolved while larger ones shrink [67]. Layers in the middle stages of partial dissolution have peak temperatures just below or at γ′ solvus, not sufficient to achieve significant γ′ dissolution. As seen in supplementary Fig. S2, only a few smaller γ′ are dissolved back into the matrix during heating, i.e., growth of precipitates is more significant than dissolution. This explains the sharp decrease in concentration of Al and Ti in the matrix in this layer.

The previous sections indicate various phenomena such as an increase in phase fraction, further depletion of matrix composition, and new nucleation bursts during cooling. Analysis of the PSD after the final cooling of the build to room temperature allows a direct comparison to post-printing microstructural characterization. Fig. 11 shows the γ′ size distribution of layer 1 (460th layer from the top) after final cooling to room temperature. Precipitation of secondary γ′ is observed, leading to the multimodal size distribution of secondary and primary γ′. The secondary γ′ size falls within the 10–80 nm range. As expected, a further growth of the existing primary γ′ is also observed during cooling.

Fig. 11
3.3.2.3. γ′ chemistry after deposition

Fig. 12 shows the concentration of the major elements that form γ′ (Al, Ti, and Ni) in the primary and secondary γ′ at the bottom of the build, as calculated by MatCalc. The secondary γ′ has a higher Al content (13.5–14.5 at% Al), compared to 13 at% Al in the primary γ′. Additionally, within the secondary γ′, the smallest particles (∼10 nm) have higher Al contents than larger ones (∼70 nm). In contrast, for the primary γ′, there is no significant variation in the Al content as a function of their size. The Ni concentration in secondary γ′ (71.1–72 at%) is also higher in comparison to the primary γ′ (70 at%). The smallest secondary γ′ (∼10 nm) have higher Ni contents than larger ones (∼70 nm), whereas there is no substantial change in the Ni content of primary γ′, based on their size. As expected, Ti shows an opposite size-dependent variation. It ranges from ∼ 7.7–8.7 at% Ti in secondary γ′ to ∼9.2 at% in primary γ′. Similarly, within the secondary γ′, the smallest (∼10 nm) have lower Al contents than the larger ones (∼70 nm). No significant variation is observed for Ti content in primary γ′.

Fig. 12

4. Discussion

A combined modelling method is utilized to study the microstructural evolution during E-PBF of IN738. The presented results are discussed by examining the precipitation and dissolution mechanism of γ′ during thermal cycling. This is followed by a discussion on the phase fraction and size evolution of γ′ during thermal cycling and after final cooling. A brief discussion on carbide morphology is also made. Finally, a comparison is made between the simulation and experimental results to assess their agreement.

4.1. γ′ morphology as a function of build height

4.1.1. Nucleation of γ′

The fast precipitation kinetics of the γ′ phase enables formation of γ′ upon quenching from higher temperatures (above solvus) during thermal cycling [66]. In Fig. 7b, for a single layer in the full dissolution region, during cooling, the initial increase in nucleation rate signifies the first formation of nuclei. The slight increase in nucleation rate during partial dissolution, despite a decrease in the concentration of γ′ forming elements, may be explained by the nucleation kinetics. During partial dissolution and as the precipitates shrink, it is assumed that the regions at the vicinity of partially dissolved precipitates are enriched in γ′ forming elements [68][69]. This differs from the full dissolution region, in which case the chemical composition is evenly distributed in the matrix. Several authors have attributed the solute supersaturation of the matrix around primary γ′ to partial dissolution during isothermal ageing [69][70][71][72]. The enhanced supersaturation in the regions close to the precipitates results in a much higher driving force for nucleation, leading to a higher nucleation rate upon cooling. This phenomenon can be closely related to the several nucleation bursts upon continuous cooling of Ni-based superalloys, where second nucleation bursts exhibit higher nucleation rates [38][68][73][74].

At middle stages of partial dissolution, the reduction in the nucleation rate indicates that the existing composition and low supersaturation did not trigger nucleation as the matrix was closer to the equilibrium state. The end of a nucleation burst means that the supersaturation of Al and Ti has reached a low level, incapable of providing sufficient driving force during cooling to or holding at 1000 °C for further nucleation [73]. Earlier studies on Ni-based superalloys have reported the same phenomenon during ageing or continuous cooling from the solvus temperature to RT [38][73][74].

4.1.2. Dissolution of γ′ during thermal cycling

γ′ dissolution kinetics during heating are fast when compared to nucleation due to exponential increase in phase transformation and diffusion activities with temperature [65]. As shown in Fig. 9Fig. 10, and supplementary Figs. S2 and S3, the reduction in γ′ phase fraction and size during heating indicates γ′ dissolution. This is also revealed in Fig. 5 where phase fraction decreases upon heating. The extent of γ′ dissolution mostly depends on the temperature, time spent above γ′ solvus, and precipitate size [75][76][77]. Smaller γ′ precipitates are first to be dissolved [67][77][78]. This is mainly because more solute elements need to be transported away from large γ′ precipitates than from smaller ones [79]. Also, a high temperature above γ′ solvus temperature leads to a faster dissolution rate [80]. The equilibrium solvus temperature of γ′ in IN738 in our MatCalc simulation (Fig. 6) and as reported by Ojo et al. [47] is 1140 °C and 1130–1180 °C, respectively. This means the peak temperature experienced by previous layers decreases progressively from γ′ supersolvus to subsolvus, near-solvus, and far from solvus as the number of subsequent layers increases. Based on the above, it can be inferred that the degree of dissolution of γ′ contributes to the gradient in precipitate distribution.

Although the peak temperatures during later stages of partial dissolution are much lower than the equilibrium γ′ solvus, γ′ dissolution still occurs but at a significantly lower rate (supplementary Fig. S3). Wahlmann et al. [28] also reported a similar case where they observed the rapid dissolution of γ′ in CMSX-4 during fast heating and cooling cycles at temperatures below the γ′ solvus. They attributed this to the γ′ phase transformation process taking place in conditions far from the equilibrium. While the same reasoning may be valid for our study, we further believe that the greater surface area to volume ratio of the small γ′ precipitates contributed to this. This ratio means a larger area is available for solute atoms to diffuse into the matrix even at temperatures much below the solvus [81].

4.2. γ′ phase fraction and size evolution

4.2.1. During thermal cycling

In the first layer, the steep increase in γ′ phase fraction during heating (Fig. 5), which also represents γ′ precipitation in the powder before melting, has qualitatively been validated in [28]. The maximum phase fraction of 27% during the first few layers of thermal cycling indicates that IN738 theoretically could reach the equilibrium state (∼30%), but the short interlayer time at the build temperature counteracts this. The drop in phase fraction at middle stages of partial dissolution is due to the low number of γ′ nucleation sites [73]. It has been reported that a reduction of γ′ nucleation sites leads to a delay in obtaining the final volume fraction as more time is required for γ′ precipitates to grow and reach equilibrium [82]. This explains why even upon holding for 150 s before subsequent layer deposition, the phase fraction does not increase to those values that were observed in the previous full γ′ dissolution regions. Towards the end of deposition, the increase in phase fraction to the equilibrium value of 30% is as a result of the longer holding at build temperature or close to it [83].

During thermal cycling, γ′ particles begin to grow immediately after they first precipitate upon cooling. This is reflected in the rapid increase in phase fraction and size during cooling in Fig. 5 and supplementary Fig. S2, respectively. The rapid growth is due to the fast diffusion of solute elements at high temperatures [84]. The similar size of γ′ for the first 44 layers from the top can be attributed to the fact that all layers underwent complete dissolution and hence, experienced the same nucleation event and growth during deposition. This corresponds with the findings by Balikci et al. [85], who reported that the degree of γ′ precipitation in IN738LC does not change when a solution heat treatment is conducted above a certain critical temperature.

The increase in coarsening rate (Fig. 8) during thermal cycling can first be ascribed to the high peak temperature of the layers [86]. The coarsening rate of γ′ is known to increase rapidly with temperature due to the exponential growth of diffusion activity. Also, the simultaneous dissolution with coarsening could be another reason for the high coarsening rate, as γ′ coarsening is a diffusion-driven process where large particles grow by consuming smaller ones [78][84][86][87]. The steady growth of γ′ towards the bottom of the build is due to the much lower layer peak temperature, which is almost close to the build temperature, and reduced dissolution activity, as is seen in the much lower solute concentration in γ′ compared to those in the full and partial dissolution regions.

4.2.2. During cooling

The much higher phase fraction of ∼40% upon cooling signifies the tendency of γ′ to reach equilibrium at lower temperatures (Fig. 4). This is due to the precipitation of secondary γ′ and a further increase in the size of existing primary γ′, which leads to a multimodal size distribution of γ′ after cooling [38][73][88][89][90]. The reason for secondary γ′ formation during cooling is as follows: As cooling progresses, it becomes increasingly challenging to redistribute solute elements in the matrix owing to their lower mobility [38][73]. A higher supersaturation level in regions away from or free of the existing γ′ precipitates is achieved, making them suitable sites for additional nucleation bursts. More cooling leads to the growth of these secondary γ′ precipitates, but as the temperature and in turn, the solute diffusivity is low, growth remains slow.

4.3. Carbides

MC carbides in IN738 are known to have a significant impact on the high-temperature strength. They can also act as effective hardening particles and improve the creep resistance [91]. Precipitation of MC carbides in IN738 and several other superalloys is known to occur during solidification or thermal treatments (e.g., hot isostatic pressing) [92]. In our case, this means that the MC carbides within the E-PBF build formed because of the thermal exposure from the E-PBF thermal cycle in addition to initial solidification. Our simulation confirms this as MC carbides appear during layer heating (Fig. 5). The constant and stable phase fraction of MC carbides during thermal cycling can be attributed to their high melting point (∼1360 °C) and the short holding time at peak temperatures [75][93][94]. The solvus temperature for most MC carbides exceeds most of the peak temperatures observed in our simulation, and carbide dissolution kinetics at temperatures above the solvus are known to be comparably slow [95]. The stable phase fraction and random distribution of MC carbides signifies the slight influence on the gradient in hardness.

4.4. Comparison of simulations and experiments

4.4.1. Precipitate phase fraction and morphology as a function of build height

A qualitative agreement is observed for the phase fraction of carbides, i.e. ∼0.8% in the experiment and ∼0.9% in the simulation. The phase fraction of γ′ differs, with the experiment reporting a value of ∼51% and the simulation, 40%. Despite this, the size distribution of primary γ′ along the build shows remarkable consistency between experimental and computational analyses. It is worth noting that the primary γ′ morphology in the experimental analysis is observed in the as-fabricated state, whereas the simulation (Fig. 8) captures it during deposition process. The primary γ′ size in the experiment is expected to experience additional growth during the cooling phase. Regardless, both show similar trends in primary γ′ size increments from the top to the bottom of the build. The larger primary γ’ size in the simulation versus the experiment can be attributed to the fact that experimental and simulation results are based on 2D and 3D data, respectively. The absence of stereological considerations [96] in our analysis could have led to an underestimation of the precipitate sizes from SEM measurements. The early starts of coarsening (8th layer) in the experiment compared to the simulation (45th layer) can be attributed to a higher actual γ′ solvus temperature than considered in our simulation [47]. The solvus temperature of γ′ in a Ni-based superalloy is mainly determined by the detailed composition. A high amount of Cr and Co are known to reduce the solvus temperature, whereas Ta and Mo will increase it [97][98][99]. The elemental composition from our experimental work was used for the simulation except for Ta. It should be noted that Ta is not included in the thermodynamic database in MatCalc used, and this may have reduced the solvus temperature. This could also explain the relatively higher γ′ phase fraction in the experiment than in simulation, as a higher γ′ solvus temperature will cause more γ′ to precipitate and grow early during cooling [99][100].

Another possible cause of this deviation can be attributed to the extent of γ′ dissolution, which is mainly determined by the peak temperature. It can be speculated that individual peak temperatures at different layers in the simulation may have been over-predicted. However, one needs to consider that the true thermal profile is likely more complicated in the actual E-PBF process [101]. For example, the current model assumes that the thermophysical properties of the material are temperature-independent, which is not realistic. Many materials, including IN738, exhibit temperature-dependent properties such as thermal conductivityspecific heat capacity, and density [102]. This means that heat transfer simulations may underestimate or overestimate the temperature gradients and cooling rates within the powder bed and the solidified part. Additionally, the model does not account for the reduced thermal diffusivity through unmelted powder, where gas separating the powder acts as insulation, impeding the heat flow [1]. In E-PBF, the unmelted powder regions with trapped gas have lower thermal diffusivity compared to the fully melted regions, leading to localized temperature variations, and altered solidification behavior. These limitations can impact the predictions, particularly in relation to the carbide dissolution, as the peak temperatures may be underestimated.

While acknowledging these limitations, it is worth emphasizing that achieving a detailed and accurate representation of each layer’s heat source would impose tough computational challenges. Given the substantial layer count in E-PBF, our decision to employ a semi-analytical approximation strikes a balance between computational feasibility and the capture of essential trends in thermal profiles across diverse build layers. In future work, a dual-calibration strategy is proposed to further reduce simulation-experiment disparities. By refining temperature-independent thermophysical property approximations and absorptivity in the heat source model, and by optimizing interfacial energy descriptions in the kinetic model, the predictive precision could be enhanced. Further refining the simulation controls, such as adjusting the precipitate class size may enhance quantitative comparisons between modeling outcomes and experimental data in future work.

4.4.2. Multimodal size distribution of γ′ and concentration

Another interesting feature that sees qualitative agreement between the simulation and the experiment is the multimodal size distribution of γ′. The formation of secondary γ′ particles in the experiment and most E-PBF Ni-based superalloys is suggested to occur at low temperatures, during final cooling to RT [16][73][90]. However, so far, this conclusion has been based on findings from various continuous cooling experiments, as the study of the evolution during AM would require an in-situ approach. Our simulation unambiguously confirms this in an AM context by providing evidence for secondary γ′ precipitation during slow cooling to RT. Additionally, it is possible to speculate that the chemical segregation occurring during solidification, due to the preferential partitioning of certain elements between the solid and liquid phases, can contribute to the multimodal size distribution during deposition [51]. This is because chemical segregation can result in variations in the local composition of superalloys, which subsequently affects the nucleation and growth of γ′. Regions with higher concentrations of alloying elements will encourage the formation of larger γ′ particles, while regions with lower concentrations may favor the nucleation of smaller precipitates. However, it is important to acknowledge that the elevated temperature during the E-PBF process will largely homogenize these compositional differences [103][104].

A good correlation is also shown in the composition of major γ′ forming elements (Al and Ti) in primary and secondary γ′. Both experiment and simulation show an increasing trend for Al content and a decreasing trend for Ti content from primary to secondary γ′. The slight composition differences between primary and secondary γ′ particles are due to the different diffusivity of γ′ stabilizers at different thermal conditions [105][106]. As the formation of multimodal γ′ particles with different sizes occurs over a broad temperature range, the phase chemistry of γ′ will be highly size dependent. The changes in the chemistry of various γ′ (primary, secondary, and tertiary) have received significant attention since they have a direct influence on the performance [68][105][107][108][109]. Chen et al. [108][109], reported a high Al content in the smallest γ′ precipitates compared to the largest, while Ti showed an opposite trend during continuous cooling in a RR1000 Ni-based superalloy. This was attributed to the temperature and cooling rate at which the γ′ precipitates were formed. The smallest precipitates formed last, at the lowest temperature and cooling rate. A comparable observation is evident in the present investigation, where the secondary γ′ forms at a low temperature and cooling rate in comparison to the primary. The temperature dependence of γ′ chemical composition is further evidenced in supplementary Fig. S4, which shows the equilibrium chemical composition of γ′ as a function of temperature.

5. Conclusions

A correlative modelling approach capable of predicting solid-state phase transformations kinetics in metal AM was developed. This approach involves computational simulations with a semi-analytical heat transfer model and the MatCalc thermo-kinetic software. The method was used to predict the phase transformation kinetics and detailed morphology and chemistry of γ′ and MC during E-PBF of IN738 Ni-based superalloy. The main conclusions are:

  • 1.The computational simulations are in qualitative agreement with the experimental observations. This is particularly true for the γ′ size distribution along the build height, the multimodal size distribution of particles, and the phase fraction of MC carbides.
  • 2.The deviations between simulation and experiment in terms of γ′ phase fraction and location in the build are most likely attributed to a higher γ′ solvus temperature during the experiment than in the simulation, which is argued to be related to the absence of Ta in the MatCalc database.
  • 3.The dissolution and precipitation of γ′ occur fast and under non-equilibrium conditions. The level of γ′ dissolution determines the gradient in γ′ size distribution along the build. After thermal cycling, the final cooling to room temperature has further significant impacts on the final γ′ size, morphology, and distribution.
  • 4.A negligible amount of γ′ forms in the first deposited layer before subsequent layer deposition, and a small amount of γ′ may also form in the powder induced by the 1000 °C elevated build temperature before melting.

Our findings confirm the suitability of MatCalc to predict the microstructural evolution at various positions throughout a build in a Ni-based superalloy during E-PBF. It also showcases the suitability of a tool which was originally developed for traditional thermo-mechanical processing of alloys to the new additive manufacturing context. Our simulation capabilities are likely extendable to other alloy systems that undergo solid-state phase transformations implemented in MatCalc (various steels, Ni-based superalloys, and Al-alloys amongst others) as well as other AM processes such as L-DED and L-PBF which have different thermal cycle characteristics. New tools to predict the microstructural evolution and properties during metal AM are important as they provide new insights into the complexities of AM. This will enable control and design of AM microstructures towards advanced materials properties and performances.

CRediT authorship contribution statement

Primig Sophie: Writing – review & editing, Supervision, Resources, Project administration, Funding acquisition, Conceptualization. Adomako Nana Kwabena: Writing – original draft, Writing – review & editing, Visualization, Software, Investigation, Formal analysis, Conceptualization. Haghdadi Nima: Writing – review & editing, Supervision, Project administration, Methodology, Conceptualization. Dingle James F.L.: Methodology, Conceptualization, Software, Writing – review & editing, Visualization. Kozeschnik Ernst: Writing – review & editing, Software, Methodology. Liao Xiaozhou: Writing – review & editing, Project administration, Funding acquisition. Ringer Simon P: Writing – review & editing, Project administration, Funding acquisition.

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Acknowledgements

This research was sponsored by the Department of Industry, Innovation, and Science under the auspices of the AUSMURI program – which is a part of the Commonwealth’s Next Generation Technologies Fund. The authors acknowledge the facilities and the scientific and technical assistance at the Electron Microscope Unit (EMU) within the Mark Wainwright Analytical Centre (MWAC) at UNSW Sydney and Microscopy Australia. Nana Adomako is supported by a UNSW Scientia PhD scholarship. Michael Haines’ (UNSW Sydney) contribution to the revised version of the original manuscript is thankfully acknowledged.

Appendix A. Supplementary material

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Data Availability

Data will be made available on request.

References

Fig. 7.Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)

연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석

Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas

연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석

Taeuk Kanga, Dongkyun Sunb, Sangho Leec*
강 태욱a, 선 동균b, 이 상호c*

aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea
bResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea
cProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
a부경대학교 방재연구소 전임연구교수
b부경대학교 방재연구소 연구원
c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수
*Corresponding Author

ABSTRACT

연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.

키워드

연안 지역

침수 분석

강우

폭풍 해일

복합 외력

The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.

Keywords

Coastal area

Inundation analysis

Rainfall

Storm surge

Compound external forces

MAIN

1. 서 론

우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).

한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).

연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.

상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.

1) 장연제, 47일째 이어진 긴 장마, 50명 인명피해… 9년만에 최대, 동아닷컴, 2020년 8월 9일 수정, 2021년 3월 4일 접속, https://www.donga.com/news/article/all/20200809/102369692/2

2. 연구 방법

2.1 연안 지역의 침수 영향 인자

연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.

Table 1.

Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)

ItemRisk factor
Facilities damage∙ Breaking of coastal facilities by wave
– Breakwater, revetment, lighters wharf etc.
∙ Local scouring at the toe of the structures by wave
∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage∙ Inundation damage by wave overtopping
∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage∙ Backshore erosion due to high swell waves
∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure
∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures

상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.

2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법

이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.

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Fig. 1.

Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)

우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.

2.3 침수 분석 대상지역

연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.

Table 2.

Target region for inundation analysis

ClassificationAdministrative districtTarget regionArea
(km2)
Main cause of inundationPump
facility
Number of
major outfall
The south
coast
Haundae-gu, BusanMarine City area0.53Wave overtopping9
Haundae-gu, BusanCentum City area4.76Poor interior drainage at high tide level12
The west
coast
GunsanJungang-dong area0.79Poor interior drainage at high tide level23
BoryeongOcheon Port area0.41High tide level5
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Fig. 2.

Watershed area

남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.

서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.

3. 연구 결과

3.1 침수 모의 모형 구축

XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.

Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.

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Fig. 3.

Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City

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Fig. 4.

Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM

한편, 이 연구에서는 월파량 및 조위의 산정 과정과 침수 모의 모형의 보정에 관한 내용 등은 다루지 않았다. 관련된 내용은 선행 연구인 Kang et al. (2019b)와 Lee et al. (2020)을 참조할 수 있다.

3.2 침수 모의 설정

3.2.1 분석 방법

복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.

지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.

Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.

Table 3.

Simulation condition and method

ClassificationTarget regionSimulation conditionSimulation method
RainfallStorm surgeSimulation time interval2D
grid size
Return
period
DurationTemporal
distribution
Return
period
DurationWatershed
routing
Channel
routing
2D
inundation
The south coastMarine City area100 yr1 hr3rd quartile
of Huff’s
method
1005 hr5 min10 sec1 sec3 m
Centum City area1 hr1005 min10 sec1 sec4 m
The west coastJungang-dong area2 hr1005 min10 sec1 sec3.5 m
Ocheon Port area1 hr1001 min10 sec1 sec3 m

3.2.2 복합 재해의 동시 고려

이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).

XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.

한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.

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Fig. 5.

Consideration of external force conditions with different durations

3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려

XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.

Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.

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Fig. 6.

Considering wave overtopping on XP-SWMM

3.3 침수 모의 결과

3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.

한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.

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Fig. 7.

Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)

3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.

복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.

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Fig. 8.

Simulation results by compound external forces

3.4 결과 고찰

외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).

Table 4.

Impact evaluation for inundation area by external force

ConditionMarine City, BusanCentum City, BusanJungang-dong area,
Gunsan
Ocheon Port area,
Boryeong
Inundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
Rate
Single
external force
Rainfall (①)0.01641.00.07591.00.04571.00.01751.0
Storm surge (②)0.03632.210.06850.900.14633.200.04122.35
Compound
external forces
Combination
(①+②)
0.05243.190.15051.980.26325.760.04732.70

분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).

군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.

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Fig. 9.

A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan

4. 결 론

이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.

복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.

연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.

현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.

Acknowledgements

본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.

References

1

Chen, X., Ji, P., Wu, Y., and Zhao, L. (2017). “Coupling simulation of overland flooding and underground network drainage in a coastal nuclear power plant.” Nuclear Engineering and Design, Vol. 325, pp. 129-134. 10.1016/j.nucengdes.2017.09.028

2

Choi, G., Song, Y., and Lee, J. (2018a). “Analysis of flood occurrence type according to complex characteristics of coastal cities.” 2018 Conference of the Korean Society of Hazard Mitigation, KOSHAM, p. 180.

3

Choi, J., Park, K., Choi, S., and Jun, H. (2018b). “A forecasting and alarm system for reducing damage from inland inundation in coastal urban areas: A case study of Yeosu City.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 18, No. 7, pp. 475-484. 10.9798/KOSHAM.2018.18.7.475

4

Han, H., Kim, Y., Kang, N., and, Kim, H.S. (2014). “Inundation analysis of a coastal urban area considering tide level.” 2014 Conference of Korean Society of Civil Engineers, KSCE, pp. 1507-1508.

5

Kang, T., Lee, S., and Sun, D. (2019a). “A technical review for reducing inundation damage to high-rise and underground-linked complex buildings in Coastal Areas (1): Proposal for analytical method.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 19, No. 5, pp. 35-43. 10.9798/KOSHAM.2019.19.5.35

6

Kang, T., Lee, S., Choi, H., and Yoon, S. (2019b). “A technical review for reducing inundation damage to high-rise and underground-linked complex buildings in coastal areas (2): Case analysis for application.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 19, No. 5, pp. 45-53. 10.9798/KOSHAM.2019.19.5.45

7

Kim, J.O., Kim, J.Y., and Lee, W.H. (2016). “Analysis on complex disaster information contents for building disaster map of coastal cities.” Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 19, No. 3, pp. 43-60. 10.11108/kagis.2016.19.3.043

8

Kim, P.J. (2018). Improvement measures on the risk area designation of coastal disaster in consideration of natural hazards. Ph.D. dissertation, Chonnam National University.

9

Korean Society of Civil Engineers (KSCE) (2021). A report on the cause analysis and countermeasures establishment for Dongcheon flooding and lowland inundation. Busan/Ulsan, Gyungnam branch.

10

Lee, S., Kang, T., Sun, D., and Park, J.J. (2020). “Enhancing an analysis method of compound flooding in coastal areas by linking flow simulation models of coasts and watershed.” Sustainability, Vol. 12, No. 16, 6572. 10.3390/su12166572

11

Ministry of Environment (ME) (2011). Standard for sewerage facilities. Korea Water and Wastewater Works Association.

12

Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM) (2011). Improvement and complementary research for probability rainfall.

13

Ministry of the Interior and Safety (MOIS) (2017). Criteria for establishment and operation of disaster prevention performance target by region: Considering future climate change impacts.

14

Song, Y., Joo, J., Lee, J., and Park, M. (2017). “A study on estimation of inundation area in coastal urban area applying wave overtopping.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 17, No. 2, pp. 501-510. 10.9798/KOSHAM.2017.17.2.501

15

Suh, S.W., and Kim, H.J. (2018). “Simulation of wave overtopping and inundation over a dike caused by Typhoon Chaba at Marine City, Busan, Korea.” Journal of Coastal Research, Vol. 85, pp. 711-715.

16

Sun, D. (2021). Sensitivity analysis of XP-SWMM for inundation analysis in coastal area. M.Sc. Thesis, Pukyong National University.

Figure 3. Different parts of a Searaser; 1) Buoy 2) Chamber 3) Valves 4) Generator 5) Anchor system

데이터 기반 방법을 활용한 재생 가능 에너지 변환기의 전력 및 수소 생성 예측 지속 가능한 스마트 그리드 사례 연구

Fatemehsadat Mirshafiee1, Emad Shahbazi 2, Mohadeseh Safi 3, Rituraj Rituraj 4,*
1Department of Electrical and Computer Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran 1999143344 , Iran
2Department of Mechatronic, Amirkabir University of Technology, Tehran 158754413, Iran
3Department of Mechatronic, Electrical and Computer Engineering, University of Tehran, Tehran 1416634793, Iran
4 Faculty of Informatics, Obuda University, 1023, Budapest, Hungary

  • Correspondence: rituraj88@stud.uni-obuda.hu

ABSTRACT

본 연구는 지속가능한 에너지 변환기의 전력 및 수소 발생 모델링을 위한 데이터 기반 방법론을 제안합니다. 파고와 풍속을 달리하여 파고와 수소생산을 예측합니다.

또한 이 연구는 파도에서 수소를 추출할 수 있는 가능성을 강조하고 장려합니다. FLOW-3D 소프트웨어 시뮬레이션에서 추출한 데이터와 해양 특수 테스트의 실험 데이터를 사용하여 두 가지 데이터 기반 학습 방법의 비교 분석을 수행합니다.

결과는 수소 생산의 양은 생성된 전력의 양에 비례한다는 것을 보여줍니다. 제안된 재생 에너지 변환기의 신뢰성은 지속 가능한 스마트 그리드 애플리케이션으로 추가로 논의됩니다.

This study proposes a data-driven methodology for modeling power and hydrogen generation of a sustainable energy converter. The wave and hydrogen production at different wave heights and wind speeds are predicted. Furthermore, this research emphasizes and encourages the possibility of extracting hydrogen from ocean waves. By using the extracted data from FLOW-3D software simulation and the experimental data from the special test in the ocean, the comparison analysis of two data-driven learning methods is conducted. The results show that the amount of hydrogen production is proportional to the amount of generated electrical power. The reliability of the proposed renewable energy converter is further discussed as a sustainable smart grid application.

Key words

Cavity, Combustion efficiency, hydrogen fuel, Computational Fluent and Gambit.

Figure 1. The process of power and hydrogen production with Searaser.
Figure 1. The process of power and hydrogen production with Searaser.
Figure 2. The cross-section A-A of the two essential parts of a Searaser
Figure 2. The cross-section A-A of the two essential parts of a Searaser
Figure 3. Different parts of a Searaser; 1) Buoy 2) Chamber 3) Valves 4) Generator 5) Anchor system
Figure 3. Different parts of a Searaser; 1) Buoy 2) Chamber 3) Valves 4) Generator 5) Anchor system
Figure 4. The boundary conditions of the control volume
Figure 4. The boundary conditions of the control volume
Figure 5. The wind velocity during the period of the experimental test
Figure 5. The wind velocity during the period of the experimental test

REFERENCES

  1. Kalbasi, R., Jahangiri, M., Dehshiri, S.J.H., Dehshiri, S.S.H., Ebrahimi, S., Etezadi, Z.A.S. and Karimipour, A., 2021. Finding the
    best station in Belgium to use residential-scale solar heating, one-year dynamic simulation with considering all system losses:
    economic analysis of using ETSW. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 45, p.101097.
  2. Megura M, Gunderson R. Better poison is the cure? Critically examining fossil fuel companies, climate change framing, and
    corporate sustainability reports. Energy Research & Social Science. 2022 Mar 1;85:102388.
  3. Holechek JL, Geli HM, Sawalhah MN, Valdez R. A global assessment: can renewable energy replace fossil fuels by 2050?.
    Sustainability. 2022 Jan;14(8):4792.
  4. Ahmad M, Kumar A, Ranjan R. Recent Developments of Tidal Energy as Renewable Energy: An Overview. River and Coastal
    Engineering. 2022:329-43.
  5. Amini E, Mehdipour H, Faraggiana E, Golbaz D, Mozaffari S, Bracco G, Neshat M. Optimization of hydraulic power take-off
    system settings for point absorber wave energy converter. Renewable Energy. 2022 Jun 4.
  6. Claywell, R., Nadai, L., Felde, I., Ardabili, S. 2020. Adaptive neuro-fuzzy inference system and a multilayer perceptron model
    trained with grey wolf optimizer for predicting solar diffuse fraction. Entropy, 22(11), p.1192.
  7. McLeod I, Ringwood JV. Powering data buoys using wave energy: a review of possibilities. Journal of Ocean Engineering and
    Marine Energy. 2022 Jun 20:1-6.
  8. Olsson G. Water interactions: A systemic view: Why we need to comprehend the water-climate-energy-food-economics-lifestyle connections.
  9. Malkowska A, Malkowski A. Green Energy in the Political Debate. InGreen Energy 2023 (pp. 17-39). Springer, Cham.
  10. Mayon R, Ning D, Ding B, Sergiienko NY. Wave energy converter systems–status and perspectives. InModelling and Optimisation of Wave Energy Converters (pp. 3-58). CRC Press.
  11. Available online at: https://www.offshore-energy.biz/uk-ecotricity-introduces-wave-power-device-searaser/ (9/27/2022)
  12. Mousavi SM, et al.,. Deep learning for wave energy converter modeling using long short-term memory. Mathematics. 2021 Apr
    15;9(8):871.
  13. Mega V. The Energy Race to Decarbonisation. InHuman Sustainable Cities 2022 (pp. 105-141). Springer, Cham.
  14. Li R, Tang BJ, Yu B, Liao H, Zhang C, Wei YM. Cost-optimal operation strategy for integrating large scale of renewable energy
    in China’s power system: From a multi-regional perspective. Applied Energy. 2022 Nov 1;325:119780.
  15. Ardabili S., Abdolalizadeh L., Mako C., Torok B., Systematic Review of Deep Learning and Machine Learning for Building
    Energy, Frontiers in Energy Research, 10, 2022.
  16. Penalba M, Aizpurua JI, Martinez-Perurena A, Iglesias G. A data-driven long-term metocean data forecasting approach for the
    design of marine renewable energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022 Oct 1;167:112751.
  17. Torabi, M., Hashemi, S., Saybani, M.R., 2019. A Hybrid clustering and classification technique for forecasting short‐term energy
    consumption. Environmental progress & sustainable energy, 38(1), pp.66-76.
  18. Rivera FP, Zalamea J, Espinoza JL, Gonzalez LG. Sustainable use of spilled turbinable energy in Ecuador: Three different energy
    storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022 Mar 1;156:112005.
  19. Raza SA, Jiang J. Mathematical foundations for balancing single-phase residential microgrids connected to a three-phase distribution system. IEEE Access. 2022 Jan 6;10:5292-303.
  20. Takach M, Sarajlić M, Peters D, Kroener M, Schuldt F, von Maydell K. Review of Hydrogen Production Techniques from Water
    Using Renewable Energy Sources and Its Storage in Salt Caverns. Energies. 2022 Feb 15;15(4):1415.
  21. Lv Z, Li W, Wei J, Ho F, Cao J, Chen X. Autonomous Chemistry Enabling Environment-Adaptive Electrochemical Energy
    Storage Devices. CCS Chemistry. 2022 Jul 7:1-9.
  22. Dehghan Manshadi, Mahsa, Milad Mousavi, M. Soltani, Amir Mosavi, and Levente Kovacs. 2022. “Deep Learning for Modeling
    an Offshore Hybrid Wind–Wave Energy System” Energies 15, no. 24: 9484. https://doi.org/10.3390/en15249484
  23. Ishaq H, Dincer I, Crawford C. A review on hydrogen production and utilization: Challenges and opportunities. International
    Journal of Hydrogen Energy. 2022 Jul 22;47(62):26238-64.
  24. Maguire JF, Woodcock LV. On the Thermodynamics of Aluminum Cladding Oxidation: Water as the Catalyst for Spontaneous
    Combustion. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2022 Sep 10:1-5.
  25. Mohammadi, M. R., Hadavimoghaddam, F., Pourmahdi, M., Atashrouz, S., Munir, M. T., Hemmati-Sarapardeh, A., … & Mohaddespour, A. (2021). Modeling hydrogen solubility in hydrocarbons using extreme gradient boosting and equations of state.
    Scientific reports, 11(1).
  26. Ma S, Qin J, Xiu X, Wang S. Design and performance evaluation of an underwater hybrid system of fuel cell and battery. Energy
    Conversion and Management. 2022 Jun 15;262:115672.
  27. Ahamed R, McKee K, Howard I. A Review of the Linear Generator Type of Wave Energy Converters’ Power Take-Off Systems.
    Sustainability. 2022 Jan;14(16):9936.
  28. Nejad, H.D., Nazari, M., Nazari, M., Mardan, M.M.S., 2022. Fuzzy State-Dependent Riccati Equation (FSDRE) Control of the
    Reverse Osmosis Desalination System With Photovoltaic Power Supply. IEEE Access, 10, pp.95585-95603.
  29. Zou S, Zhou X, Khan I, Weaver WW, Rahman S. Optimization of the electricity generation of a wave energy converter using
    deep reinforcement learning. Ocean Engineering. 2022 Jan 15;244:110363.
  30. Wu J, Qin L, Chen N, Qian C, Zheng S. Investigation on a spring-integrated mechanical power take-off system for wave energy
    conversion purpose. Energy. 2022 Apr 15;245:123318.
  31. Papini G, Dores Piuma FJ, Faedo N, Ringwood JV, Mattiazzo G. Nonlinear Model Reduction by Moment-Matching for a Point
    Absorber Wave Energy Conversion System. Journal of Marine Science and Engineering. 2022 May;10(5):656.
  32. Forbush DD, Bacelli G, Spencer SJ, Coe RG, Bosma B, Lomonaco P. Design and testing of a free floating dual flap wave energy
    converter. Energy. 2022 Feb 1;240:122485.
  33. Rezaei, M.A., 2022. A New Hybrid Cascaded Switched-Capacitor Reduced Switch Multilevel Inverter for Renewable Sources
    and Domestic Loads. IEEE Access, 10, pp.14157-14183.
  34. Lin Z, Cheng L, Huang G. Electricity consumption prediction based on LSTM with attention mechanism. IEEJ Transactions on
    Electrical and Electronic Engineering. 2020;15(4):556-562.
  35. Tavoosi, J., Mohammadzadeh, A., Pahlevanzadeh, B., Kasmani, M.B., 2022. A machine learning approach for active/reactive
    power control of grid-connected doubly-fed induction generators. Ain Shams Engineering Journal, 13(2), p.101564.
  36. Ghalandari, M., 2019. Flutter speed estimation using presented differential quadrature method formulation. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 13(1), pp.804-810.
  37. Li Z, Bouscasse B, Ducrozet G, Gentaz L, Le Touzé D, Ferrant P. Spectral wave explicit navier-stokes equations for wavestructure interactions using two-phase computational fluid dynamics solvers. Ocean Engineering. 2021 Feb 1;221:108513.
  38. Zhou Y. Ocean energy applications for coastal communities with artificial intelligencea state-of-the-art review. Energy and AI.
    2022 Jul 29:100189.
  39. Miskati S, Farin FM. Performance evaluation of wave-carpet in wave energy extraction at different coastal regions: an analytical
    approach (Doctoral dissertation, Department of Mechanical and Production Engineering).
  40. Gu C, Li H. Review on Deep Learning Research and Applications in Wind and Wave Energy. Energies. 2022 Feb 17;15(4):1510.
  41. Aazami, R., 2022. Optimal Control of an Energy-Storage System in a Microgrid for Reducing Wind-Power Fluctuations. Sustainability, 14(10), p.6183.
  42. Kabir M, Chowdhury MS, Sultana N, Jamal MS, Techato K. Ocean renewable energy and its prospect for developing economies.
    InRenewable Energy and Sustainability 2022 Jan 1 (pp. 263-298). Elsevier.
  43. Babajani A, Jafari M, Hafezisefat P, Mirhosseini M, Rezania A, Rosendahl L. Parametric study of a wave energy converter
    (Searaser) for Caspian Sea. Energy Procedia. 2018 Aug 1;147:334-42.
  44. He J. Coherence and cross-spectral density matrix analysis of random wind and wave in deep water. Ocean Engineering.
    2020;197:106930
  45. Ijadi Maghsoodi, A., 2018. Renewable energy technology selection problem using integrated h-swara-multimoora approach.
    Sustainability, 10(12), p.4481.
  46. Band, S.S., Ardabili, S., Sookhak, M., Theodore, A., Elnaffar, S., Moslehpour, M., Csaba, M., Torok, B., Pai, H.T., 2022. When
    Smart Cities Get Smarter via Machine Learning: An In-depth Literature Review. IEEE Access.
  47. Shamshirband, S., Rabczuk, T., Nabipour, N. and Chau, K.W., 2020. Prediction of significant wave height; comparison between
    nested grid numerical model, and machine learning models of artificial neural networks, extreme learning and support vector
    machines. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 14(1), pp.805-817.
  48. Liu, Z., Mohammadzadeh, A., Turabieh, H., Mafarja, M., 2021. A new online learned interval type-3 fuzzy control system for
    solar energy management systems. IEEE Access, 9, pp.10498-10508.
  49. Bavili, R.E., Mohammadzadeh, A., Tavoosi, J., Mobayen, S., Assawinchaichote, W., Asad, J.H. 2021. A New Active Fault Tolerant Control System: Predictive Online Fault Estimation. IEEE Access, 9, pp.118461-118471.
  50. Akbari, E., Teimouri, A.R., Saki, M., Rezaei, M.A., Hu, J., Band, S.S., Pai, H.T., 2022. A Fault-Tolerant Cascaded SwitchedCapacitor Multilevel Inverter for Domestic Applications in Smart Grids. IEEE Access.
  51. Band, S.S., Ardabili, S., 2022. Feasibility of soft computing techniques for estimating the long-term mean monthly wind speed.
    Energy Reports, 8, pp.638-648.
  52. Tavoosi, J., Mohammadzadeh, A., Pahlevanzadeh, B., Kasmani, M.B., 2022. A machine learning approach for active/reactive
    power control of grid-connected doubly-fed induction generators. Ain Shams Engineering Journal, 13(2), p.101564.
  53. Ponnusamy, V. K., Kasinathan, P., Madurai Elavarasan, R., Ramanathan, V., Anandan, R. K., Subramaniam, U., … & Hossain,
    E. A Comprehensive Review on Sustainable Aspects of Big Data Analytics for the Smart Grid. Sustainability, 2021; 13(23),
    13322.
  54. Ahmad, T., Zhang, D., Huang, C., Zhang, H., Dai, N., Song, Y., & Chen, H. Artificial intelligence in sustainable energy industry:
    Status Quo, challenges and opportunities. Journal of Cleaner Production, 2021; 289, 125834.
  55. Wang, G., Chao, Y., Cao, Y., Jiang, T., Han, W., & Chen, Z. A comprehensive review of research works based on evolutionary
    game theory for sustainable energy development. Energy Reports, 2022; 8, 114-136.
  56. Iranmehr H., Modeling the Price of Emergency Power Transmission Lines in the Reserve Market Due to the Influence of Renewable Energies, Frontiers in Energy Research, 9, 2022
  57. Farmanbar, M., Parham, K., Arild, Ø., & Rong, C. A widespread review of smart grids towards smart cities. Energies, 2019;
    12(23), 4484.
  58. Quartier, N., Crespo, A. J., Domínguez, J. M., Stratigaki, V., & Troch, P. Efficient response of an onshore Oscillating Water
    Column Wave Energy Converter using a one-phase SPH model coupled with a multiphysics library. Applied Ocean Research,
    2021; 115, 102856.
  59. Mahmoodi, K., Nepomuceno, E., & Razminia, A. Wave excitation force forecasting using neural networks. Energy, 2022; 247,
    123322.
  60. Wang, H., Alattas, K.A., 2022. Comprehensive review of load forecasting with emphasis on intelligent computing approaches.
    Energy Reports, 8, pp.13189-13198.
  61. Clemente, D., Rosa-Santos, P., & Taveira-Pinto, F. On the potential synergies and applications of wave energy converters: A
    review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021; 135, 110162.
  62. Felix, A., V. Hernández-Fontes, J., Lithgow, D., Mendoza, E., Posada, G., Ring, M., & Silva, R. Wave energy in tropical regions:
    deployment challenges, environmental and social perspectives. Journal of Marine Science and Engineering, 2019; 7(7), 219.
  63. Farrok, O., Ahmed, K., Tahlil, A. D., Farah, M. M., Kiran, M. R., & Islam, M. R. Electrical power generation from the oceanic
    wave for sustainable advancement in renewable energy technologies. Sustainability, 2020; 12(6), 2178.
  64. Guo, B., & Ringwood, J. V. A review of wave energy technology from a research and commercial perspective. IET Renewable
    Power Generation, 2021; 15(14), 3065-3090.
  65. López-Ruiz, A., Bergillos, R. J., Lira-Loarca, A., & Ortega-Sánchez, M. A methodology for the long-term simulation and uncertainty analysis of the operational lifetime performance of wave energy converter arrays. Energy, 2018; 153, 126-135.
  66. Safarian, S., Saryazdi, S. M. E., Unnthorsson, R., & Richter, C. Artificial neural network integrated with thermodynamic equilibrium modeling of downdraft biomass gasification-power production plant. Energy, 2020; 213, 118800.
  67. Kushwah, S. An oscillating water column (OWC): the wave energy converter. Journal of The Institution of Engineers (India):
    Series C, 2021; 102(5), 1311-1317.
  68. Pap, J., Mako, C., Illessy, M., Kis, N., 2022. Modeling Organizational Performance with Machine Learning. Journal of Open
    Innovation: Technology, Market, and Complexity, 8(4), p.177.
  69. Pap, J., Mako, C., Illessy, M., Dedaj, Z., Ardabili, S., Torok, B., 2022. Correlation Analysis of Factors Affecting Firm Performance
    and Employees Wellbeing: Application of Advanced Machine Learning Analysis. Algorithms, 15(9), p.300.
  70. Alanazi, A., 2022. Determining Optimal Power Flow Solutions Using New Adaptive Gaussian TLBO Method. Applied Sciences, 12(16), p.7959.
  71. Shakibjoo, A.D., Moradzadeh, M., Din, S.U., 2021. Optimized Type-2 Fuzzy Frequency Control for Multi-Area Power Systems.
    IEEE access, 10, pp.6989-7002.
  72. Zhang, G., 2021. Solar radiation estimation in different climates with meteorological variables using Bayesian model averaging
    and new soft computing models. Energy Reports, 7, pp.8973-8996.
  73. Cao, Y., Raise, A., Mohammadzadeh, A., Rathinasamy, S., 2021. Deep learned recurrent type-3 fuzzy system: Application for
    renewable energy modeling/prediction. Energy Reports, 7, pp.8115-8127.
  74. Tavoosi, J., Suratgar, A.A., Menhaj, M.B., 2021. Modeling renewable energy systems by a self-evolving nonlinear consequent
    part recurrent type-2 fuzzy system for power prediction. Sustainability, 13(6), p.3301.
  75. Bourouis, S., Band, S.S., 2022. Meta-Heuristic Algorithm-Tuned Neural Network for Breast Cancer Diagnosis Using Ultrasound
    Images. Frontiers in Oncology, 12, p.834028.
  76. Mosavi, A.H., Mohammadzadeh, A., Rathinasamy, S., Zhang, C., Reuter, U., Levente, K. and Adeli, H., 2022. Deep learning
    fuzzy immersion and invariance control for type-I diabetes. Computers in Biology and Medicine, 149, p.105975.
  77. Almutairi, K., Algarni, S., Alqahtani, T., Moayedi, H., 2022. A TLBO-Tuned Neural Processor for Predicting Heating Load in
    Residential Buildings. Sustainability, 14(10), p.5924.
  78. Ahmad, Z., Zhong, H., 2020. Machine learning modeling of aerobic biodegradation for azo dyes and hexavalent chromium.
    Mathematics, 8(6), p.913.
  79. Mosavi, A., Shokri, M., Mansor, Z., Qasem, S.N., Band, S.S. and Mohammadzadeh, A., 2020. Machine learning for modeling
    the singular multi-pantograph equations. Entropy, 22(9), p.1041.
  80. Ardabili, S., 2019, September. Deep learning and machine learning in hydrological processes climate change and earth systems
    a systematic review. In International conference on global research and education (pp. 52-62). Springer, Cham.
  81. Moayedi, H., (2021). Suggesting a stochastic fractal search paradigm in combination with artificial neural network for early
    prediction of cooling load in residential buildings. Energies, 14(6), 1649.
  82. Rezakazemi, M., et al., 2019. ANFIS pattern for molecular membranes separation optimization. Journal of Molecular Liquids,
    274, pp.470-476.
  83. Mosavi, A., Faghan, Y., Ghamisi, P., Duan, P., Ardabili, S.F., Salwana, E. and Band, S.S., 2020. Comprehensive review of deep
    reinforcement learning methods and applications in economics. Mathematics, 8(10), p.1640.
  84. Samadianfard, S., Jarhan, S., Salwana, E., 2019. Support vector regression integrated with fruit fly optimization algorithm for
    river flow forecasting in Lake Urmia Basin. Water, 11(9), p.1934.
  85. Moayedi, H., (2021). Double-target based neural networks in predicting energy consumption in residential buildings. Energies,
    14(5), 1331.
  86. Choubin, B., 2019. Earth fissure hazard prediction using machine learning models. Environmental research, 179, p.108770.
  87. Mohammadzadeh S, D., Kazemi, S.F., 2019. Prediction of compression index of fine-grained soils using a gene expression programming model. Infrastructures, 4(2), p.26.
  88. Karballaeezadeh, N., Mohammadzadeh S, D., Shamshirband, S., Hajikhodaverdikhan, P., 2019. Prediction of remaining service
    life of pavement using an optimized support vector machine (case study of Semnan–Firuzkuh road). Engineering Applications
    of Computational Fluid Mechanics, 13(1), pp.188-198.
  89. Rezaei, M. Et al., (2022). Adaptation of A Real-Time Deep Learning Approach with An Analog Fault Detection Technique for
    Reliability Forecasting of Capacitor Banks Used in Mobile Vehicles. IEEE Access v. 21 pp. 89-99.
  90. Khakian, R., et al., (2020). Modeling nearly zero energy buildings for sustainable development in rural areas. Energies, 13(10),
    2593.
Figure 5 A schematic of the water model of reactor URO 200.

Physical and Numerical Modeling of the Impeller Construction Impact on the Aluminum Degassing Process

알루미늄 탈기 공정에 미치는 임펠러 구성의 물리적 및 수치적 모델링

Kamil Kuglin,1 Michał Szucki,2 Jacek Pieprzyca,3 Simon Genthe,2 Tomasz Merder,3 and Dorota Kalisz1,*

Mikael Ersson, Academic Editor

Author information Article notes Copyright and License information Disclaimer

Associated Data

Data Availability Statement

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Abstract

This paper presents the results of tests on the suitability of designed heads (impellers) for aluminum refining. The research was carried out on a physical model of the URO-200, followed by numerical simulations in the FLOW 3D program. Four design variants of impellers were used in the study. The degree of dispersion of the gas phase in the model liquid was used as a criterion for evaluating the performance of each solution using different process parameters, i.e., gas flow rate and impeller speed. Afterward, numerical simulations in Flow 3D software were conducted for the best solution. These simulations confirmed the results obtained with the water model and verified them.

Keywords: aluminum, impeller construction, degassing process, numerical modeling, physical modeling

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1. Introduction

Constantly increasing requirements concerning metallurgical purity in terms of hydrogen content and nonmetallic inclusions make casting manufacturers use effective refining techniques. The answer to this demand is the implementation of the aluminum refining technique making use of a rotor with an original design guaranteeing efficient refining [1,2,3,4]. The main task of the impeller (rotor) is to reduce the contamination of liquid metal (primary and recycled aluminum) with hydrogen and nonmetallic inclusions. An inert gas, mainly argon or a mixture of gases, is introduced through the rotor into the liquid metal to bring both hydrogen and nonmetallic inclusions to the metal surface through the flotation process. Appropriately and uniformly distributed gas bubbles in the liquid metal guarantee achieving the assumed level of contaminant removal economically. A very important factor in deciding about the obtained degassing effect is the optimal rotor design [5,6,7,8]. Thanks to the appropriate geometry of the rotor, gas bubbles introduced into the liquid metal are split into smaller ones, and the spinning movement of the rotor distributes them throughout the volume of the liquid metal bath. In this solution impurities in the liquid metal are removed both in the volume and from the upper surface of the metal. With a well-designed impeller, the costs of refining aluminum and its alloys can be lowered thanks to the reduced inert gas and energy consumption (optimal selection of rotor rotational speed). Shorter processing time and a high degree of dehydrogenation decrease the formation of dross on the metal surface (waste). A bigger produced dross leads to bigger process losses. Consequently, this means that the choice of rotor geometry has an indirect impact on the degree to which the generated waste is reduced [9,10].

Another equally important factor is the selection of process parameters such as gas flow rate and rotor speed [11,12]. A well-designed gas injection system for liquid metal meets two key requirements; it causes rapid mixing of the liquid metal to maintain a uniform temperature throughout the volume and during the entire process, to produce a chemically homogeneous metal composition. This solution ensures effective degassing of the metal bath. Therefore, the shape of the rotor, the arrangement of the nozzles, and their number are significant design parameters that guarantee the optimum course of the refining process. It is equally important to complete the mixing of the metal bath in a relatively short time, as this considerably shortens the refining process and, consequently, reduces the process costs. Another important criterion conditioning the implementation of the developed rotor is the generation of fine diffused gas bubbles which are distributed throughout the metal volume, and whose residence time will be sufficient for the bubbles to collide and adsorb the contaminants. The process of bubble formation by the spinning rotors differs from that in the nozzles or porous molders. In the case of a spinning rotor, the shear force generated by the rotor motion splits the bubbles into smaller ones. Here, the rotational speed, mixing force, surface tension, and fluid density have a key effect on the bubble size. The velocity of the bubbles, which depends mainly on their size and shape, determines their residence time in the reactor and is, therefore, very important for the refining process, especially since gas bubbles in liquid aluminum may remain steady only below a certain size [13,14,15].

The impeller designs presented in the article were developed to improve the efficiency of the process and reduce its costs. The impellers used so far have a complicated structure and are very pricey. The success of the conducted research will allow small companies to become independent of external supplies through the possibility of making simple and effective impellers on their own. The developed structures were tested on the water model. The results of this study can be considered as pilot.

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2. Materials and Methods

Rotors were realized with the SolidWorks computer design technique and a 3D printer. The developed designs were tested on a water model. Afterward, the solution with the most advantageous refining parameters was selected and subjected to calculations with the Flow3D package. As a result, an impeller was designed for aluminum refining. Its principal lies in an even distribution of gas bubbles in the entire volume of liquid metal, with the largest possible participation of the bubble surface, without disturbing the metal surface. This procedure guarantees the removal of gaseous, as well as metallic and nonmetallic, impurities.

2.1. Rotor Designs

The developed impeller constructions, shown in Figure 1Figure 2Figure 3 and Figure 4, were printed on a 3D printer using the PLA (polylactide) material. The impeller design models differ in their shape and the number of holes through which the inert gas flows. Figure 1Figure 2 and Figure 3 show the same impeller model but with a different number of gas outlets. The arrangement of four, eight, and 12 outlet holes was adopted in the developed design. A triangle-shaped structure equipped with three gas outlet holes is presented in Figure 4.

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Figure 1

A 3D model—impeller with four holes—variant B4.

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Figure 2

A 3D model—impeller with eight holes—variant B8.

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Figure 3

A 3D model—impeller with twelve holes—variant B12.

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Figure 4

A 3D model—‘red triangle’ impeller with three holes—variant RT3.

2.2. Physical Models

Investigations were carried out on a water model of the URO 200 reactor of the barbotage refining process (see Figure 5).

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Figure 5

A schematic of the water model of reactor URO 200.

The URO 200 reactor can be classified as a cyclic reactor. The main element of the device is a rotor, which ends the impeller. The whole system is attached to a shaft via which the refining gas is supplied. Then, the shaft with the rotor is immersed in the liquid metal in the melting pot or the furnace chamber. In URO 200 reactors, the refining process lasts 600 s (10 min), the gas flow rate that can be obtained ranges from 5 to 20 dm3·min−1, and the speed at which the rotor can move is 0 to 400 rpm. The permissible quantity of liquid metal for barbotage refining is 300 kg or 700 kg [8,16,17]. The URO 200 has several design solutions which improve operation and can be adapted to the existing equipment in the foundry. These solutions include the following [8,16]:

  • URO-200XR—used for small crucible furnaces, the capacity of which does not exceed 250 kg, with no control system and no control of the refining process.
  • URO-200SA—used to service several crucible furnaces of capacity from 250 kg to 700 kg, fully automated and equipped with a mechanical rotor lift.
  • URO-200KA—used for refining processes in crucible furnaces and allows refining in a ladle. The process is fully automated, with a hydraulic rotor lift.
  • URO-200KX—a combination of the XR and KA models, designed for the ladle refining process. Additionally, refining in heated crucibles is possible. The unit is equipped with a manual hydraulic rotor lift.
  • URO-200PA—designed to cooperate with induction or crucible furnaces or intermediate chambers, the capacity of which does not exceed one ton. This unit is an integral part of the furnace. The rotor lift is equipped with a screw drive.

Studies making use of a physical model can be associated with the observation of the flow and circulation of gas bubbles. They require meeting several criteria regarding the similarity of the process and the object characteristics. The similarity conditions mainly include geometric, mechanical, chemical, thermal, and kinetic parameters. During simulation of aluminum refining with inert gas, it is necessary to maintain the geometric similarity between the model and the real object, as well as the similarity related to the flow of liquid metal and gas (hydrodynamic similarity). These quantities are characterized by the Reynolds, Weber, and Froude numbers. The Froude number is the most important parameter characterizing the process, its magnitude is the same for the physical model and the real object. Water was used as the medium in the physical modeling. The factors influencing the choice of water are its availability, relatively low cost, and kinematic viscosity at room temperature, which is very close to that of liquid aluminum.

The physical model studies focused on the flow of inert gas in the form of gas bubbles with varying degrees of dispersion, particularly with respect to some flow patterns such as flow in columns and geysers, as well as disturbance of the metal surface. The most important refining parameters are gas flow rate and rotor speed. The barbotage refining studies for the developed impeller (variants B4, B8, B12, and RT3) designs were conducted for the following process parameters:

  • Rotor speed: 200, 300, 400, and 500 rpm,
  • Ideal gas flow: 10, 20, and 30 dm3·min−1,
  • Temperature: 293 K (20 °C).

These studies were aimed at determining the most favorable variants of impellers, which were then verified using the numerical modeling methods in the Flow-3D program.

2.3. Numerical Simulations with Flow-3D Program

Testing different rotor impellers using a physical model allows for observing the phenomena taking place while refining. This is a very important step when testing new design solutions without using expensive industrial trials. Another solution is modeling by means of commercial simulation programs such as ANSYS Fluent or Flow-3D [18,19]. Unlike studies on a physical model, in a computer program, the parameters of the refining process and the object itself, including the impeller design, can be easily modified. The simulations were performed with the Flow-3D program version 12.03.02. A three-dimensional system with the same dimensions as in the physical modeling was used in the calculations. The isothermal flow of liquid–gas bubbles was analyzed. As in the physical model, three speeds were adopted in the numerical tests: 200, 300, and 500 rpm. During the initial phase of the simulations, the velocity field around the rotor generated an appropriate direction of motion for the newly produced bubbles. When the required speed was reached, the generation of randomly distributed bubbles around the rotor was started at a rate of 2000 per second. Table 1 lists the most important simulation parameters.

Table 1

Values of parameters used in the calculations.

ParameterValueUnit
Maximum number of gas particles1,000,000
Rate of particle generation20001·s−1
Specific gas constant287.058J·kg−1·K−1
Atmospheric pressure1.013 × 105Pa
Water density1000kg·m−3
Water viscosity0.001kg·m−1·s−1
Boundary condition on the wallsNo-slip
Size of computational cell0.0034m

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In the case of the CFD analysis, the numerical solutions require great care when generating the computational mesh. Therefore, computational mesh tests were performed prior to the CFD calculations. The effect of mesh density was evaluated by taking into account the velocity of water in the tested object on the measurement line A (height of 0.065 m from the bottom) in a characteristic cross-section passing through the object axis (see Figure 6). The mesh contained 3,207,600, 6,311,981, 7,889,512, 11,569,230, and 14,115,049 cells.

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Figure 6

The velocity of the water depending on the size of the computational grid.

The quality of the generated computational meshes was checked using the criterion skewness angle QEAS [18]. This criterion is described by the following relationship:

QEAS=max{βmax−βeq180−βeq,βeq−βminβeq},

(1)

where βmaxβmin are the maximal and minimal angles (in degrees) between the edges of the cell, and βeq is the angle corresponding to an ideal cell, which for cubic cells is 90°.

Normalized in the interval [0;1], the value of QEAS should not exceed 0.75, which identifies the permissible skewness angle of the generated mesh. For the computed meshes, this value was equal to 0.55–0.65.

Moreover, when generating the computational grids in the studied facility, they were compacted in the areas of the highest gradients of the calculated values, where higher turbulence is to be expected (near the impeller). The obtained results of water velocity in the studied object at constant gas flow rate are shown in Figure 6.

The analysis of the obtained water velocity distributions (see Figure 6) along the line inside the object revealed that, with the density of the grid of nodal points, the velocity changed and its changes for the test cases of 7,889,512, 11,569,230, and 14,115,049 were insignificant. Therefore, it was assumed that a grid containing not less than 7,900,000 (7,889,512) cells would not affect the result of CFD calculations.

A single-block mesh of regular cells with a size of 0.0034 m was used in the numerical calculations. The total number of cells was approximately 7,900,000 (7,889,512). This grid resolution (see Figure 7) allowed the geometry of the system to be properly represented, maintaining acceptable computation time (about 3 days on a workstation with 2× CPU and 12 computing cores).

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Figure 7

Structured equidistant mesh used in numerical calculations: (a) mesh with smoothed, surface cells (the so-called FAVOR method) used in Flow-3D; (b) visualization of the applied mesh resolution.

The calculations were conducted with an explicit scheme. The timestep was selected by the program automatically and controlled by stability and convergence. From the moment of the initial velocity field generation (start of particle generation), it was 0.0001 s.

When modeling the degassing process, three fluids are present in the system: water, gas supplied through the rotor head (impeller), and the surrounding air. Modeling such a multiphase flow is a numerically very complex issue. The necessity to overcome the liquid backpressure by the gas flowing out from the impeller leads to the formation of numerical instabilities in the volume of fluid (VOF)-based approach used by Flow-3D software. Therefore, a mixed description of the analyzed flow was used here. In this case, water was treated as a continuous medium, while, in the case of gas bubbles, the discrete phase model (DPM) model was applied. The way in which the air surrounding the system was taken into account is later described in detail.

The following additional assumptions were made in the modeling:

  • —The liquid phase was considered as an incompressible Newtonian fluid.
  • —The effect of chemical reactions during the refining process was neglected.
  • —The composition of each phase (gas and liquid) was considered homogeneous; therefore, the viscosity and surface tension were set as constants.
  • —Only full turbulence existed in the liquid, and the effect of molecular viscosity was neglected.
  • —The gas bubbles were shaped as perfect spheres.
  • —The mutual interaction between gas bubbles (particles) was neglected.

2.3.1. Modeling of Liquid Flow 

The motion of the real fluid (continuous medium) is described by the Navier–Stokes Equation [20].

dudt=−1ρ∇p+ν∇2u+13ν∇(∇⋅ u)+F,

(2)

where du/dt is the time derivative, u is the velocity vector, t is the time, and F is the term accounting for external forces including gravity (unit components denoted by XYZ).

In the simulations, the fluid flow was assumed to be incompressible, in which case the following equation is applicable:

∂u∂t+(u⋅∇)u=−1ρ∇p+ν∇2u+F.

(3)

Due to the large range of liquid velocities during flows, the turbulence formation process was included in the modeling. For this purpose, the k–ε model turbulence kinetic energy k and turbulence dissipation ε were the target parameters, as expressed by the following equations [21]:

∂(ρk)∂t+∂(ρkvi)∂xi=∂∂xj[(μ+μtσk)⋅∂k∂xi]+Gk+Gb−ρε−Ym+Sk,

(4)

∂(ρε)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xj[(μ+μtσε)⋅∂k∂xi]+C1εεk(Gk+G3εGb)+C2ερε2k+Sε,

(5)

where ρ is the gas density, σκ and σε are the Prandtl turbulence numbers, k and ε are constants of 1.0 and 1.3, and Gk and Gb are the kinetic energy of turbulence generated by the average velocity and buoyancy, respectively.

As mentioned earlier, there are two gas phases in the considered problem. In addition to the gas bubbles, which are treated here as particles, there is also air, which surrounds the system. The boundary of phase separation is in this case the free surface of the water. The shape of the free surface can change as a result of the forming velocity field in the liquid. Therefore, it is necessary to use an appropriate approach to free surface tracking. The most commonly used concept in liquid–gas flow modeling is the volume of fluid (VOF) method [22,23], and Flow-3D uses a modified version of this method called TrueVOF. It introduces the concept of the volume fraction of the liquid phase fl. This parameter can be used for classifying the cells of a discrete grid into areas filled with liquid phase (fl = 1), gaseous phase, or empty cells (fl = 0) and those through which the phase separation boundary (fl ∈ (0, 1)) passes (free surface). To determine the local variations of the liquid phase fraction, it is necessary to solve the following continuity equation:

dfldt=0.

(6)

Then, the fluid parameters in the region of coexistence of the two phases (the so-called interface) depend on the volume fraction of each phase.

ρ=flρl+(1−fl)ρg,

(7)

ν=flνl+(1−fl)νg,

(8)

where indices l and g refer to the liquid and gaseous phases, respectively.

The parameter of fluid velocity in cells containing both phases is also determined in the same way.

u=flul+(1−fl)ug.

(9)

Since the processes taking place in the surrounding air can be omitted, to speed up the calculations, a single-phase, free-surface model was used. This means that no calculations were performed in the gas cells (they were treated as empty cells). The liquid could fill them freely, and the air surrounding the system was considered by the atmospheric pressure exerted on the free surface. This approach is often used in modeling foundry and metallurgical processes [24].

2.3.2. Modeling of Gas Bubble Flow 

As stated, a particle model was used to model bubble flow. Spherical particles (gas bubbles) of a given size were randomly generated in the area marked with green in Figure 7b. In the simulations, the gas bubbles were assumed to have diameters of 0.016 and 0.02 m corresponding to the gas flow rates of 10 and 30 dm3·min−1, respectively.

Experimental studies have shown that, as a result of turbulent fluid motion, some of the bubbles may burst, leading to the formation of smaller bubbles, although merging of bubbles into larger groupings may also occur. Therefore, to be able to observe the behavior of bubbles of different sizes (diameter), the calculations generated two additional particle types with diameters twice smaller and twice larger, respectively. The proportion of each species in the system was set to 33.33% (Table 2).

Table 2

Data assumed for calculations.

NoRotor Speed (Rotational Speed)
rpm
Bubbles Diameter
m
Corresponding Gas Flow Rate
dm3·min−1
NoRotor Speed (Rotational Speed)
rpm
Bubbles Diameter
m
Corresponding Gas Flow Rate
dm3·min−1
A2000.01610D2000.0230
0.0080.01
0.0320.04
B3000.01610E3000.0230
0.0080.01
0.0320.04
C5000.01610F5000.0230
0.0080.01
0.0320.04

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The velocity of the particle results from the generated velocity field (calculated from Equation (3) in the liquid ul around it and its velocity resulting from the buoyancy force ub. The effect of particle radius r on the terminal velocity associated with buoyancy force can be determined according to Stokes’ law.

ub=29 (ρg−ρl)μlgr2,

(10)

where g is the acceleration (9.81).

The DPM model was used for modeling the two-phase (water–air) flow. In this model, the fluid (water) is treated as a continuous phase and described by the Navier–Stokes equation, while gas bubbles are particles flowing in the model fluid (discrete phase). The trajectories of each bubble in the DPM system are calculated at each timestep taking into account the mass forces acting on it. Table 3 characterizes the DPM model used in our own research [18].

Table 3

Characteristic of the DPM model.

MethodEquations
Euler–LagrangeBalance equation:
dugdt=FD(u−ug)+g(ϱg−ϱ)ϱg+F.
FD (u − up) denotes the drag forces per mass unit of a bubble, and the expression for the drag coefficient FD is of the form
FD=18μCDReϱ⋅gd2g24.
The relative Reynolds number has the form
Re≡ρdg|ug−u|μ.
On the other hand, the force resulting from the additional acceleration of the model fluid has the form
F=12dρdtρg(u−ug),
where ug is the gas bubble velocity, u is the liquid velocity, dg is the bubble diameter, and CD is the drag coefficient.

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3. Results and Discussion

3.1. Calculations of Power and Mixing Time by the Flowing Gas Bubbles

One of the most important parameters of refining with a rotor is the mixing power induced by the spinning rotor and the outflowing gas bubbles (via impeller). The mixing power of liquid metal in a ladle of height (h) by gas injection can be determined from the following relation [15]:

pgVm=ρ⋅g⋅uB,

(11)

where pg is the mixing power, Vm is the volume of liquid metal in the reactor, ρ is the density of liquid aluminum, and uB is the average speed of bubbles, given below.

uB=n⋅R⋅TAc⋅Pm⋅t,

(12)

where n is the number of gas moles, R is the gas constant (8.314), Ac is the cross-sectional area of the reactor vessel, T is the temperature of liquid aluminum in the reactor, and Pm is the pressure at the middle tank level. The pressure at the middle level of the tank is calculated by a function of the mean logarithmic difference.

Pm=(Pa+ρ⋅g⋅h)−Paln(Pa+ρ⋅g⋅h)Pa,

(13)

where Pa is the atmospheric pressure, and h is the the height of metal in the reactor.

Themelis and Goyal [25] developed a model for calculating mixing power delivered by gas injection.

pg=2Q⋅R⋅T⋅ln(1+m⋅ρ⋅g⋅hP),

(14)

where Q is the gas flow, and m is the mass of liquid metal.

Zhang [26] proposed a model taking into account the temperature difference between gas and alloy (metal).

pg=QRTgVm[ln(1+ρ⋅g⋅hPa)+(1−TTg)],

(15)

where Tg is the gas temperature at the entry point.

Data for calculating the mixing power resulting from inert gas injection into liquid aluminum are given below in Table 4. The design parameters were adopted for the model, the parameters of which are shown in Figure 5.

Table 4

Data for calculating mixing power introduced by an inert gas.

ParameterValueUnit
Height of metal column0.7m
Density of aluminum2375kg·m−3
Process duration20s
Gas temperature at the injection site940K
Cross-sectional area of ladle0.448m2
Mass of liquid aluminum546.25kg
Volume of ladle0.23M3
Temperature of liquid aluminum941.15K

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Table 5 presents the results of mixing power calculations according to the models of Themelis and Goyal and of Zhang for inert gas flows of 10, 20, and 30 dm3·min−1. The obtained calculation results significantly differed from each other. The difference was an order of magnitude, which indicates that the model is highly inaccurate without considering the temperature of the injected gas. Moreover, the calculations apply to the case when the mixing was performed only by the flowing gas bubbles, without using a rotor, which is a great simplification of the phenomenon.

Table 5

Mixing power calculated from mathematical models.

Mathematical ModelMixing Power (W·t−1)
for a Given Inert Gas Flow (dm3·min−1)
102030
Themelis and Goyal11.4923.3335.03
Zhang0.821.662.49

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The mixing time is defined as the time required to achieve 95% complete mixing of liquid metal in the ladle [27,28,29,30]. Table 6 groups together equations for the mixing time according to the models.

Table 6

Models for calculating mixing time.

AuthorsModelRemarks
Szekely [31]τ=800ε−0.4ε—W·t−1
Chiti and Paglianti [27]τ=CVQlV—volume of reactor, m3
Ql—flow intensity, m3·s−1
Iguchi and Nakamura [32]τ=1200⋅Q−0.4D1.97h−1.0υ0.47υ—kinematic viscosity, m2·s−1
D—diameter of ladle, m
h—height of metal column, m
Q—liquid flow intensity, m3·s−1

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Figure 8 and Figure 9 show the mixing time as a function of gas flow rate for various heights of the liquid column in the ladle and mixing power values.

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Figure 8

Mixing time as a function of gas flow rate for various heights of the metal column (Iguchi and Nakamura model).

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Figure 9

Mixing time as a function of mixing power (Szekly model).

3.2. Determining the Bubble Size

The mechanisms controlling bubble size and mass transfer in an alloy undergoing refining are complex. Strong mixing conditions in the reactor promote impurity mass transfer. In the case of a spinning rotor, the shear force generated by the rotor motion separates the bubbles into smaller bubbles. Rotational speed, mixing force, surface tension, and liquid density have a strong influence on the bubble size. To characterize the kinetic state of the refining process, parameters k and A were introduced. Parameters kA, and uB can be calculated using the below equations [33].

k=2D⋅uBdB⋅π−−−−−−√,

(16)

A=6Q⋅hdB⋅uB,

(17)

uB=1.02g⋅dB,−−−−−√

(18)

where D is the diffusion coefficient, and dB is the bubble diameter.

After substituting appropriate values, we get

dB=3.03×104(πD)−2/5g−1/5h4/5Q0.344N−1.48.

(19)

According to the last equation, the size of the gas bubble decreases with the increasing rotational speed (see Figure 10).

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Figure 10

Effect of rotational speed on the bubble diameter.

In a flow of given turbulence intensity, the diameter of the bubble does not exceed the maximum size dmax, which is inversely proportional to the rate of kinetic energy dissipation in a viscous flow ε. The size of the gas bubble diameter as a function of the mixing energy, also considering the Weber number and the mixing energy in the negative power, can be determined from the following equations [31,34]:

  • —Sevik and Park:

dBmax=We0.6kr⋅(σ⋅103ρ⋅10−3)0.6⋅(10⋅ε)−0.4⋅10−2.

(20)

  • —Evans:

dBmax=⎡⎣Wekr⋅σ⋅1032⋅(ρ⋅10−3)13⎤⎦35 ⋅(10⋅ε)−25⋅10−2.

(21)

The results of calculating the maximum diameter of the bubble dBmax determined from Equation (21) are given in Table 7.

Table 7

The results of calculating the maximum diameter of the bubble using Equation (21).

ModelMixing Energy
ĺ (m2·s−3)
Weber Number (Wekr)
0.591.01.2
Zhang and Taniguchi
dmax
0.10.01670.02300.026
0.50.00880.01210.013
1.00.00670.00910.010
1.50.00570.00780.009
Sevik and Park
dBmax
0.10.2650.360.41
0.50.1390.190.21
1.00.1060.140.16
1.50.0900.120.14
Evans
dBmax
0.10.2470.3400.38
0.50.1300.1780.20
1.00.0980.1350.15
1.50.0840.1150.13

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3.3. Physical Modeling

The first stage of experiments (using the URO-200 water model) included conducting experiments with impellers equipped with four, eight, and 12 gas outlets (variants B4, B8, B12). The tests were carried out for different process parameters. Selected results for these experiments are presented in Figure 11Figure 12Figure 13 and Figure 14.

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Figure 11

Impeller variant B4—gas bubbles dispersion registered for a gas flow rate of 10 dm3·min−1 and rotor speed of (a) 200, (b) 300, (c) 400, and (d) 500 rpm.

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Figure 12

Impeller variant B8—gas bubbles dispersion registered for a gas flow rate of 10 dm3·min−1 and rotor speed of (a) 200, (b) 300, (c) 400, and (d) 500 rpm.

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Figure 13

Gas bubble dispersion registered for different processing parameters (impeller variant B12).

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Figure 14

Gas bubble dispersion registered for different processing parameters (impeller variant RT3).

The analysis of the refining variants presented in Figure 11Figure 12Figure 13 and Figure 14 reveals that the proposed impellers design model is not useful for the aluminum refining process. The number of gas outlet orifices, rotational speed, and flow did not affect the refining efficiency. In all the variants shown in the figures, very poor dispersion of gas bubbles was observed in the object. The gas bubble flow had a columnar character, and so-called dead zones, i.e., areas where no inert gas bubbles are present, were visible in the analyzed object. Such dead zones were located in the bottom and side zones of the ladle, while the flow of bubbles occurred near the turning rotor. Another negative phenomenon observed was a significant agitation of the water surface due to excessive (rotational) rotor speed and gas flow (see Figure 13, cases 20; 400, 30; 300, 30; 400, and 30; 500).

Research results for a ‘red triangle’ impeller equipped with three gas supply orifices (variant RT3) are presented in Figure 14.

In this impeller design, a uniform degree of bubble dispersion in the entire volume of the modeling fluid was achieved for most cases presented (see Figure 14). In all tested variants, single bubbles were observed in the area of the water surface in the vessel. For variants 20; 200, 30; 200, and 20; 300 shown in Figure 14, the bubble dispersion results were the worst as the so-called dead zones were identified in the area near the bottom and sidewalls of the vessel, which disqualifies these work parameters for further applications. Interestingly, areas where swirls and gas bubble chains formed were identified only for the inert gas flows of 20 and 30 dm3·min−1 and 200 rpm in the analyzed model. This means that the presented model had the best performance in terms of dispersion of gas bubbles in the model liquid. Its design with sharp edges also differed from previously analyzed models, which is beneficial for gas bubble dispersion, but may interfere with its suitability in industrial conditions due to possible premature wear.

3.4. Qualitative Comparison of Research Results (CFD and Physical Model)

The analysis (physical modeling) revealed that the best mixing efficiency results were obtained with the RT3 impeller variant. Therefore, numerical calculations were carried out for the impeller model with three outlet orifices (variant RT3). The CFD results are presented in Figure 15 and Figure 16.

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Figure 15

Simulation results of the impeller RT3, for given flows and rotational speeds after a time of 1 s: simulation variants (a) A, (b) B, (c) C, (d) D, (e) E, and (f) F.

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Figure 16

Simulation results of the impeller RT3, for given flows and rotational speeds after a time of 5.4 s.: simulation variants (a) A, (b) B, (c) C, (d) D, (e) E, and (f) F.

CFD results are presented for all analyzed variants (impeller RT3) at two selected calculation timesteps of 1 and 5.40 s. They show the velocity field of the medium (water) and the dispersion of gas bubbles.

Figure 15 shows the initial refining phase after 1 s of the process. In this case, the gas bubble formation and flow were observed in an area close to contact with the rotor. Figure 16 shows the phase when the dispersion and flow of gas bubbles were advanced in the reactor area of the URO-200 model.

The quantitative evaluation of the obtained results of physical and numerical model tests was based on the comparison of the degree of gas dispersion in the model liquid. The degree of gas bubble dispersion in the volume of the model liquid and the areas of strong turbulent zones formation were evaluated during the analysis of the results of visualization and numerical simulations. These two effects sufficiently characterize the required course of the process from the physical point of view. The known scheme of the below description was adopted as a basic criterion for the evaluation of the degree of dispersion of gas bubbles in the model liquid.

  • Minimal dispersion—single bubbles ascending in the region of their formation along the ladle axis; lack of mixing in the whole bath volume.
  • Accurate dispersion—single and well-mixed bubbles ascending toward the bath mirror in the region of the ladle axis; no dispersion near the walls and in the lower part of the ladle.
  • Uniform dispersion—most desirable; very good mixing of fine bubbles with model liquid.
  • Excessive dispersion—bubbles join together to form chains; large turbulence zones; uneven flow of gas.

The numerical simulation results give a good agreement with the experiments performed with the physical model. For all studied variants (used process parameters), the single bubbles were observed in the area of water surface in the vessel. For variants presented in Figure 13 (200 rpm, gas flow 20 and dm3·min−1) and relevant examples in numerical simulation Figure 16, the worst bubble dispersion results were obtained because the dead zones were identified in the area near the bottom and sidewalls of the vessel, which disqualifies these work parameters for further use. The areas where swirls and gas bubble chains formed were identified only for the inert gas flows of 20 and 30 dm3·min−1 and 200 rpm in the analyzed model (physical model). This means that the presented impeller model had the best performance in terms of dispersion of gas bubbles in the model liquid. The worst bubble dispersion results were obtained because the dead zones were identified in the area near the bottom and side walls of the vessel, which disqualifies these work parameters for further use.

Figure 17 presents exemplary results of model tests (CFD and physical model) with marked gas bubble dispersion zones. All variants of tests were analogously compared, and this comparison allowed validating the numerical model.

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Figure 17

Compilations of model research results (CFD and physical): A—single gas bubbles formed on the surface of the modeling liquid, B—excessive formation of gas chains and swirls, C—uniform distribution of gas bubbles in the entire volume of the tank, and D—dead zones without gas bubbles, no dispersion. (a) Variant B; (b) variant F.

It should be mentioned here that, in numerical simulations, it is necessary to make certain assumptions and simplifications. The calculations assumed three particle size classes (Table 2), which represent the different gas bubbles that form due to different gas flow rates. The maximum number of particles/bubbles (Table 1) generated was assumed in advance and related to the computational capabilities of the computer. Too many particles can also make it difficult to visualize and analyze the results. The size of the particles, of course, affects their behavior during simulation, while, in the figures provided in the article, the bubbles are represented by spheres (visualization of the results) of the same size. Please note that, due to the adopted Lagrangian–Eulerian approach, the simulation did not take into account phenomena such as bubble collapse or fusion. However, the obtained results allow a comprehensive analysis of the behavior of gas bubbles in the system under consideration.

The comparative analysis of the visualization (quantitative) results obtained with the water model and CFD simulations (see Figure 17) generated a sufficient agreement from the point of view of the trends. A precise quantitative evaluation is difficult to perform because of the lack of a refraction compensating system in the water model. Furthermore, in numerical simulations, it is not possible to determine the geometry of the forming gas bubbles and their interaction with each other as opposed to the visualization in the water model. The use of both research methods is complementary. Thus, a direct comparison of images obtained by the two methods requires appropriate interpretation. However, such an assessment gives the possibility to qualitatively determine the types of the present gas bubble dispersion, thus ultimately validating the CFD results with the water model.

A summary of the visualization results for impellers RT3, i.e., analysis of the occurring gas bubble dispersion types, is presented in Table 8.

Table 8

Summary of visualization results (impeller RT3)—different types of gas bubble dispersion.

No Exp.ABCDEF
Gas flow rate, dm3·min−11030
Impeller speed, rpm200300500200300500
Type of dispersionAccurateUniformUniform/excessiveMinimalExcessiveExcessive

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Tests carried out for impeller RT3 confirmed the high efficiency of gas bubble distribution in the volume of the tested object at a low inert gas flow rate of 10 dm3·min−1. The most optimal variant was variant B (300 rpm, 10 dm3·min−1). However, the other variants A and C (gas flow rate 10 dm3·min−1) seemed to be favorable for this type of impeller and are recommended for further testing. The above process parameters will be analyzed in detail in a quantitative analysis to be performed on the basis of the obtained efficiency curves of the degassing process (oxygen removal). This analysis will give an unambiguous answer as to which process parameters are the most optimal for this type of impeller; the results are planned for publication in the next article.

It should also be noted here that the high agreement between the results of numerical calculations and physical modelling prompts a conclusion that the proposed approach to the simulation of a degassing process which consists of a single-phase flow model with a free surface and a particle flow model is appropriate. The simulation results enable us to understand how the velocity field in the fluid is formed and to analyze the distribution of gas bubbles in the system. The simulations in Flow-3D software can, therefore, be useful for both the design of the impeller geometry and the selection of process parameters.

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4. Conclusions

The results of experiments carried out on the physical model of the device for the simulation of barbotage refining of aluminum revealed that the worst results in terms of distribution and dispersion of gas bubbles in the studied object were obtained for the black impellers variants B4, B8, and B12 (multi-orifice impellers—four, eight, and 12 outlet holes, respectively).

In this case, the control of flow, speed, and number of gas exit orifices did not improve the process efficiency, and the developed design did not meet the criteria for industrial tests. In the case of the ‘red triangle’ impeller (variant RT3), uniform gas bubble dispersion was achieved throughout the volume of the modeling fluid for most of the tested variants. The worst bubble dispersion results due to the occurrence of the so-called dead zones in the area near the bottom and sidewalls of the vessel were obtained for the flow variants of 20 dm3·min−1 and 200 rpm and 30 dm3·min−1 and 200 rpm. For the analyzed model, areas where swirls and gas bubble chains were formed were found only for the inert gas flow of 20 and 30 dm3·min−1 and 200 rpm. The model impeller (variant RT3) had the best performance compared to the previously presented impellers in terms of dispersion of gas bubbles in the model liquid. Moreover, its design differed from previously presented models because of its sharp edges. This can be advantageous for gas bubble dispersion, but may negatively affect its suitability in industrial conditions due to premature wearing.

The CFD simulation results confirmed the results obtained from the experiments performed on the physical model. The numerical simulation of the operation of the ‘red triangle’ impeller model (using Flow-3D software) gave good agreement with the experiments performed on the physical model. This means that the presented model impeller, as compared to other (analyzed) designs, had the best performance in terms of gas bubble dispersion in the model liquid.

In further work, the developed numerical model is planned to be used for CFD simulations of the gas bubble distribution process taking into account physicochemical parameters of liquid aluminum based on industrial tests. Consequently, the obtained results may be implemented in production practice.

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Funding Statement

This paper was created with the financial support grants from the AGH-UST, Faculty of Foundry Engineering, Poland (16.16.170.654 and 11/990/BK_22/0083) for the Faculty of Materials Engineering, Silesian University of Technology, Poland.

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Author Contributions

Conceptualization, K.K. and D.K.; methodology, J.P. and T.M.; validation, M.S. and S.G.; formal analysis, D.K. and T.M.; investigation, J.P., K.K. and S.G.; resources, M.S., J.P. and K.K.; writing—original draft preparation, D.K. and T.M.; writing—review and editing, D.K. and T.M.; visualization, J.P., K.K. and S.G.; supervision, D.K.; funding acquisition, D.K. and T.M. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

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Institutional Review Board Statement

Not applicable.

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Informed Consent Statement

Not applicable.

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Data Availability Statement

Data are contained within the article.

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Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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Footnotes

Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

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References

1. Zhang L., Xuewei L., Torgerson A.T., Long M. Removal of Impurity Elements from Molten Aluminium: A Review. Miner. Process. Extr. Metall. Rev. 2011;32:150–228. doi: 10.1080/08827508.2010.483396. [CrossRef] [Google Scholar]

2. Saternus M. Impurities of liquid aluminium-methods on their estimation and removal. Met. Form. 2015;23:115–132. [Google Scholar]

3. Żak P.L., Kalisz D., Lelito J., Gracz B., Szucki M., Suchy J.S. Modelling of non-metallic particle motion process in foundry alloys. Metalurgija. 2015;54:357–360. [Google Scholar]

4. Kalisz D., Kuglin K. Efficiency of aluminum oxide inclusions rmoval from liquid steel as a result of collisions and agglomeration on ceramic filters. Arch. Foundry Eng. 2020;20:43–48. [Google Scholar]

5. Kuglin K., Kalisz D. Evaluation of the usefulness of rotors for aluminium refining. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021;1178:012036. doi: 10.1088/1757-899X/1178/1/012036. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Saternus M., Merder T. Physical modeling of the impeller construction impact o the aluminium refining process. Materials. 2022;15:575. doi: 10.3390/ma15020575. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

7. Saternus M., Merder T. Physical modelling of aluminum refining process conducted in batch reactor with rotary impeller. Metals. 2018;8:726. doi: 10.3390/met8090726. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Saternus M., Merder T., Pieprzyca J. The influence of impeller geometry on the gas bubbles dispersion in uro-200 reactor—RTD curves. Arch. Metall. Mater. 2015;60:2887–2893. doi: 10.1515/amm-2015-0461. [CrossRef] [Google Scholar]

9. Hernández-Hernández M., Camacho-Martínez J., González-Rivera C., Ramírez-Argáez M.A. Impeller design assisted by physical modeling and pilot plant trials. J. Mater. Process. Technol. 2016;236:1–8. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.04.031. [CrossRef] [Google Scholar]

10. Mancilla E., Cruz-Méndez W., Garduño I.E., González-Rivera C., Ramírez-Argáez M.A., Ascanio G. Comparison of the hydrodynamic performance of rotor-injector devices in a water physical model of an aluminum degassing ladle. Chem. Eng. Res. Des. 2017;118:158–169. doi: 10.1016/j.cherd.2016.11.031. [CrossRef] [Google Scholar]

11. Michalek K., Socha L., Gryc K., Tkadleckova M., Saternus M., Pieprzyca J., Merder T. Modelling of technological parameters of aluminium melt refining in the ladle by blowing of inert gas through the rotating impeller. Arch. Metall. Mater. 2018;63:987–992. [Google Scholar]

12. Walek J., Michalek K., Tkadlecková M., Saternus M. Modelling of Technological Parameters of Aluminium Melt Refining in the Ladle by Blowing of Inert Gas through the Rotating Impeller. Metals. 2021;11:284. doi: 10.3390/met11020284. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Michalek K., Gryc K., Moravka J. Physical modelling of bath homogenization in argon stirred ladle. Metalurgija. 2009;48:215–218. [Google Scholar]

14. Michalek K. The Use of Physical Modeling and Numerical Optimization for Metallurgical Processes. VSB; Ostrawa, Czech Republic: 2001. [Google Scholar]

15. Chen J., Zhao J. Light Metals. TMS; Warrendale, PA, USA: 1995. Bubble distribution in a melt treatment water model; pp. 1227–1231. [Google Scholar]

16. Saternus M. Model Matematyczny do Sterowania Procesem Rafinacji Ciekłych Stopów Aluminium Przy Zastosowaniu URO-200. Katowice, Poland: 2004. Research Project Nr 7 T08B 019 21. [Google Scholar]

17. Pietrewicz L., Wężyk W. Urządzenia do rafinacji gazowej typu URO-200 sześć lat produkcji i doświadczeń; Proceedings of the Aluminum Conference; Zakopane, Poland. 12–16 October 1998. [Google Scholar]

18. Flow3d User’s Guide. Flow Science, Inc.; Santa Fe, NM, USA: 2020. [Google Scholar]

19. Sinelnikov V., Szucki M., Merder T., Pieprzyca J., Kalisz D. Physical and numerical modeling of the slag splashing process. Materials. 2021;14:2289. doi: 10.3390/ma14092289. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

20. White F. Fluid Mechanics. McGraw-Hill; New York, NY, USA: 2010. (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering). [Google Scholar]

21. Yang Z., Yang L., Cheng T., Chen F., Zheng F., Wang S., Guo Y. Fluid Flow Characteristic of EAF Molten Steel with Different Bottom-Blowing Gas Flow Rate Distributions. ISIJ. 2020;60:1957–1967. doi: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-794. [CrossRef] [Google Scholar]

22. Nichols B.D., Hirt C.W. Methods for calculating multi-dimensional, transient free surface flows past bodies; Proceedings of the First International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics; Gaithersburg, MD, USA. 20–22 October 1975. [Google Scholar]

23. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. J. Comput. Phys. 1981;39:201–255. doi: 10.1016/0021-9991(81)90145-5. [CrossRef] [Google Scholar]

24. Szucki M., Suchy J.S., Lelito J., Malinowski P., Sobczyk J. Application of the lattice Boltzmann method for simulation of the mold filling process in the casting industry. Heat Mass Transf. 2017;53:3421–3431. doi: 10.1007/s00231-017-2069-5. [CrossRef] [Google Scholar]

25. Themelis N.J., Goyal P. Gas injection in steelmaking. Candian Metall. Trans. 1983;22:313–320. [Google Scholar]

26. Zhang L., Jing X., Li Y., Xu Z., Cai K. Mathematical model of decarburization of ultralow carbon steel during RH treatment. J. Univ. Sci. Technol. Beijing. 1997;4:19–23. [Google Scholar]

27. Chiti F., Paglianti A., Bujalshi W. A mechanistic model to estimate powder consumption and mixing time in aluminium industries. Chem. Eng. Res. Des. 2004;82:1105–1111. doi: 10.1205/cerd.82.9.1105.44156. [CrossRef] [Google Scholar]

28. Bouaifi M., Roustan M. Power consumption, mixing time and homogenization energy in dual-impeller agitated gas-liquid reactors. Chem. Eng. Process. 2011;40:87–95. doi: 10.1016/S0255-2701(00)00128-8. [CrossRef] [Google Scholar]

29. Kang J., Lee C.H., Haam S., Koo K.K., Kim W.S. Studies on the overall oxygen transfer rate and mixing time in pilot-scale surface aeration vessel. Environ. Technol. 2001;22:1055–1068. doi: 10.1080/09593332208618215. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

30. Moucha T., Linek V., Prokopov E. Gas hold-up, mixing time and gas-liquid volumetric mass transfer coefficient of various multiple-impeller configurations: Rushton turbine, pitched blade and techmix impeller and their combinations. Chem. Eng. Sci. 2003;58:1839–1846. doi: 10.1016/S0009-2509(02)00682-6. [CrossRef] [Google Scholar]

31. Szekely J. Flow phenomena, mixing and mass transfer in argon-stirred ladles. Ironmak. Steelmak. 1979;6:285–293. [Google Scholar]

32. Iguchi M., Nakamura K., Tsujino R. Mixing time and fluid flow phenomena in liquids of varying kinematic viscosities agitated by bottom gas injection. Metall. Mat. Trans. 1998;29:569–575. doi: 10.1007/s11663-998-0091-1. [CrossRef] [Google Scholar]

33. Hjelle O., Engh T.A., Rasch B. Removal of Sodium from Aluminiummagnesium Alloys by Purging with Cl2. Aluminium-Verlag GmbH; Dusseldorf, Germany: 1985. pp. 343–360. [Google Scholar]

34. Zhang L., Taniguchi S. Fundamentals of inclusion removal from liquid steel by bubble flotation. Int. Mat. Rev. 2000;45:59–82. doi: 10.1179/095066000101528313. [CrossRef] [Google Scholar]

Figure 4.24 - Model with virtual valves in the extremities of the geometries to simulate the permeability of the mold promoting a more uniformed filling

Optimization of filling systems for low pressure by Flow-3D

Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Trabalho efectuado sob a orientação do
Doutor Hélder de Jesus Fernades Puga
Professor Doutor José Joaquim Carneiro Barbosa

ABSTRACT

논문의 일부로 튜터 선택 가능성과 해결해야 할 주제가 설정되는 매개변수를 염두에 두고 개발 주제 ‘Flow- 3D ®에 의한 저압 충전 시스템 최적화’가 선택되었습니다. 이를 위해서는 달성해야 할 목표와 이를 달성하기 위한 방법을 정의하는 것이 필요했습니다.

충전 시스템을 시뮬레이션하고 검증할 수 있는 광범위한 소프트웨어에도 불구하고 Flow-3D®는 시장에서 최고의 도구 중 하나로 표시되어 전체 충전 프로세스 및 행동 표현과 관련하여 탁월한 정확도로 시뮬레이션하는 능력을 입증했습니다.

이를 위해 관련 프로세스를 더 잘 이해하고 충진 시스템 시뮬레이션을 위한 탐색적 기반 역할을 하기 위해 이 도구를 탐색하는 것이 중요합니다. 지연 및 재료 낭비에 반영되는 실제적인 측면에서 충전 장치의 치수를 완벽하게 만드는 비용 및 시간 낭비. 이러한 방식으로 저압 주조 공정에서 충진 시스템을 설계하고 물리적 모델을 탐색하여 특성화하는 방법론을 검증하기 위한 것입니다.

이를 위해 다음 주요 단계를 고려하십시오.

시뮬레이션 소프트웨어 Flow 3D® 탐색;
충전 시스템 모델링;
모델의 매개변수를 탐색하여 모델링된 시스템의 시뮬레이션, 검증 및 최적화.

따라서 연구 중인 압력 곡선과 주조 분석에서 가장 관련성이 높은 정보의 최종 마이닝을 검증하기 위한 것입니다.

사용된 압력 곡선은 수집된 문헌과 이전에 수행된 실제 작업을 통해 얻었습니다. 결과를 통해 3단계 압력 곡선이 층류 충진 체계의 의도된 목적과 관련 속도가 0.5 𝑚/𝑠를 초과하지 않는다는 결론을 내릴 수 있었습니다.

충전 수준이 2인 압력 곡선은 0.5 𝑚/𝑠 이상의 속도로 영역을 채우는 더 난류 시스템을 갖습니다. 열전달 매개변수는 이전에 얻은 값이 주물에 대한 소산 거동을 확증하지 않았기 때문에 연구되었습니다.

이러한 방식으로 주조 공정에 더 부합하는 새로운 가치를 얻었습니다. 달성된 결과는 유사한 것으로 나타난 NovaFlow & Solid®에 의해 생성된 결과와 비교되어 시뮬레이션에서 설정된 매개변수를 검증했습니다. Flow 3D®는 주조 부품 시뮬레이션을 위한 강력한 도구로 입증되었습니다.

As part of the dissertation and bearing in mind the parameters in which the possibility of a choice of tutor and the subject to be addressed is established, the subject for development ’Optimization of filling systems for low pressure by Flow 3D ®’ was chosen. For this it was necessary to define the objectives to achieve and the methods to attain them. Despite the wide range of software able to simulate and validate filling systems, Flow 3D® has been shown as one of the best tools in the market, demonstrating its ability to simulate with distinctive accuracy with respect to the entire process of filling and the behavioral representation of the fluid obtained. To this end, it is important to explore this tool for a better understanding of the processes involved and to serve as an exploratory basis for the simulation of filling systems, simulation being one of the great strengths of the current industry due to the need to reduce costs and time waste, in practical terms, that lead to the perfecting of the dimensioning of filling devices, which are reflected in delays and wasted material. In this way it is intended to validate the methodology to design a filling system in lowpressure casting process, exploring their physical models and thus allowing for its characterization. For this, consider the following main phases: The exploration of the simulation software Flow 3D®; modeling of filling systems; simulation, validation and optimization of systems modeled by exploring the parameters of the models. Therefore, it is intended to validate the pressure curves under study and the eventual mining of the most relevant information in a casting analysis. The pressure curves that were used were obtained through the gathered literature and the practical work previously performed. Through the results it was possible to conclude that the pressure curve with 3 levels meets the intended purpose of a laminar filling regime and associated speeds never exceeding 0.5 𝑚/𝑠. The pressure curve with 2 filling levels has a more turbulent system, having filling areas with velocities above 0.5 𝑚/𝑠. The heat transfer parameter was studied due to the values previously obtained didn’t corroborate the behavior of dissipation regarding to the casting. In this way, new values, more in tune with the casting process, were obtained. The achieved results were compared with those generated by NovaFlow & Solid®, which were shown to be similar, validating the parameters established in the simulations. Flow 3D® was proven a powerful tool for the simulation of casting parts.

키워드

저압, Flow 3D®, 시뮬레이션, 파운드리, 압력-시간 관계,Low Pressure, Flow 3D®, Simulation, Foundry, Pressure-time relation

Figure 4.24 - Model with virtual valves in the extremities of the geometries to simulate the permeability of the mold promoting a more uniformed filling
Figure 4.24 – Model with virtual valves in the extremities of the geometries to simulate the permeability of the mold promoting a more uniformed filling
Figure 4.39 - Values of temperature contours using full energy heat transfer parameter for simula
Figure 4.39 – Values of temperature contours using full energy heat transfer parameter for simula
Figure 4.40 – Comparison between software simulations (a) Flow 3D® simulation,
(b) NovaFlow & Solid® simulation
Figure 4.40 – Comparison between software simulations (a) Flow 3D® simulation, (b) NovaFlow & Solid® simulation

BIBLIOGRAPHY

[1] E. Stanley and D. B. Sc, “Fluid Flow Aspects of Solidification Modelling : Simulation
of Low Pressure Die Casting .”
[2] Y. Sahin, “Computer aided foundry die-design,” Metallography, vol. 24, no. 8, pp.
671–679, 2003.
[3] F. Bonollo, J. Urban, B. Bonatto, and M. Botter, “Gravity and low pressure die casting
of aluminium alloys : a technical and economical benchmark,” La Metall. Ital., vol. 97,
no. 6, pp. 23–32, 2005.
[4] P. a and R. R, “Study of the effect of process parameters on the production of a nonsimmetric low pressure die casting part,” La Metall. Ital., pp. 57–63, 2009.
[5] “Fundição em baixa pressão | Aluinfo.” [Online]. Available:
http://www.aluinfo.com.br/novo/materiais/fundicao-em-baixa-pressao. [Accessed: 18-
Sep-2015].
[6] “Low Pressure Sand Casting by Wolverine Bronze.” [Online]. Available:
http://www.wolverinebronze.com/low-pressure-sand-casting.php. [Accessed: 18-Sep2015].
[7] A. Reikher, “Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using
Lubrication Approximation,” no. December, 2012.
[8] P. Fu, A. a. Luo, H. Jiang, L. Peng, Y. Yu, C. Zhai, and A. K. Sachdev, “Low-pressure
die casting of magnesium alloy AM50: Response to process parameters,” J. Mater.
Process. Technol., vol. 205, no. 1–3, pp. 224–234, 2008.
[9] X. Li, Q. Hao, W. Jie, and Y. Zhou, “Development of pressure control system in
counter gravity casting for large thin-walled A357 aluminum alloy components,”
Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol. 18, no. 4, pp. 847–851, 2008.
[10] J. a. Hines, “Determination of interfacial heat-transfer boundary conditions in an
aluminum low-pressure permanent mold test casting,” Metall. Mater. Trans. B, vol. 35,
no. 2, pp. 299–311, 2004.
[11] A. Lima, A. Freitas, and P. Magalhães, “Processos de vazamento em moldações
permanentes,” pp. 40–49, 2003.
[12] Y. B. Choi, K. Matsugi, G. Sasaki, K. Arita, and O. Yanagisawa, “Analysis of
Manufacturing Processes for Metal Fiber Reinforced Aluminum Alloy Composite
Fabricated by Low-Pressure Casting,” Mater. Trans., vol. 47, no. 4, pp. 1227–1231,
68
2006.
[13] G. Mi, X. Liu, K. Wang, and H. Fu, “Numerical simulation of low pressure die-casting
aluminum wheel,” China Foundry, vol. 6, no. 1, pp. 48–52, 2009.
[14] J. Kuo, F. Hsu, and W. Hwang, “ADVANCED Development of an interactive
simulation system for the determination of the pressure ± time relationship during the
® lling in a low pressure casting process,” vol. 2, pp. 131–145, 2001.
[15] S.-G. Liu, F.-Y. Cao, X.-Y. Zhao, Y.-D. Jia, Z.-L. Ning, and J.-F. Sun, “Characteristics
of mold filling and entrainment of oxide film in low pressure casting of A356 alloy,”
Mater. Sci. Eng. A, vol. 626, pp. 159–164, 2015.
[16] “Casting Training Class – Lecture 10 – Solidification and Shrinkage-Casting.” FLOW3D®.
[17] “UAB Casting Engineering Laboratory.” [Online]. Available:
file:///C:/Users/Jos%C3%A9 Belo/Desktop/Artigo_Software/UAB Casting
Engineering Laboratory.htm. [Accessed: 09-Nov-2015].
[18] A. Louvo, “Casting Simulation as a Tool in Concurrent Engineering,” pp. 1–12, 1997.
[19] T. R. Vijayaram and P. Piccardo, “Computers in Foundries,” vol. 30, 2012.
[20] M. Sadaiah, D. R. Yadav, P. V. Mohanram, and P. Radhakrishnan, “A generative
computer-aided process planning system for prismatic components,” Int. J. Adv.
Manuf. Technol., vol. 20, no. 10, pp. 709–719, 2002.
[21] Ministry_of_Planning, “Digital Data,” vol. 67, pp. 1–6, 2004.
[22] S. Shamasundar, D. Ramachandran, and N. S. Shrinivasan, “COMPUTER
SIMULATION AND ANALYSIS OF INVESTMENTCASTING PROCESS.”
[23] J. M. Siqueira and G. Motors, “Simulation applied to Aluminum High Pressure Die
Casting,” pp. 1–5, 1998.
[24] C. Fluid, COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS. Abdulnaser Sayma & Ventus
Publishing ApS, 2009.
[25] C. a. Felippa, “1 – Overview,” Adv. Finite Elem. Methods, pp. 1–9.
[26] a. Meena and M. El Mansori, “Correlative thermal methodology for castability
simulation of ductile iron in ADI production,” J. Mater. Process. Technol., vol. 212,
no. 11, pp. 2484–2495, 2012.
[27] T. R. Vijayaram, S. Sulaiman, a. M. S. Hamouda, and M. H. M. Ahmad, “Numerical
simulation of casting solidification in permanent metallic molds,” J. Mater. Process.
69
Technol., vol. 178, pp. 29–33, 2006.
[28] “General CFD FAQ — CFD-Wiki, the free CFD reference.” [Online]. Available:
http://www.cfd-online.com/Wiki/General_CFD_FAQ. [Accessed: 10-Nov-2015].
[29] “FEM | FEA | CFD.” [Online]. Available: http://fem4analyze.blogspot.pt/. [Accessed:
09-Nov-2015].
[30] “Fundição; revista da Associação portuguesa de fundição,” Fundição, vol. N
o
227.
[31] “Casting Training Class – Lecture 1 – Introduction_to_FLOW-3D – Casting.” FLOW3D®.
[32] F. Science, “FLOW-3D Cast Documentation,” no. 3.5, p. 80, 2012.
[33] “Casting Training Class – Lecture 4 – Geometry Building – General.” FLOW-3D®.
[34] F. Science, “FLOW-3D v11.0.3 User Manual,” pp. 1–132, 2015.
[35] “Casting Training Class – Lecture 5 Meshing Concept – General.” FLOW-3D®.
[36] “Casting Training Class – Lecture 6 – Boundary_Conditions – Casting.” FLOW-3D®.
[37] “Casting Training Class – Lecture 9 – Physical Models-castings.” FLOW-3D®.
[38] P. A. D. Jácome, M. C. Landim, A. Garcia, A. F. Furtado, and I. L. Ferreira, “The
application of computational thermodynamics and a numerical model for the
determination of surface tension and Gibbs–Thomson coefficient of aluminum based
alloys,” Thermochim. Acta, vol. 523, no. 1–2, pp. 142–149, 2011.
[39] J. P. Anson, R. A. L. Drew, and J. E. Gruzleski, “The surface tension of molten
aluminum and Al-Si-Mg alloy under vacuum and hydrogen atmospheres,” Metall.
Mater. Trans. B Process Metall. Mater. Process. Sci., vol. 30, no. 6, pp. XVI–1032,
1999.

Figure 1: Mold drawings

3D Flow and Temperature Analysis of Filling a Plutonium Mold

플루토늄 주형 충전의 3D 유동 및 온도 분석

Authors: Orenstein, Nicholas P. [1]

Publication Date:2013-07-24
Research Org.: Los Alamos National Lab. (LANL), Los Alamos, NM (United States)
Sponsoring Org.: DOE/LANL
OSTI Identifier: 1088904
Report Number(s): LA-UR-13-25537
DOE Contract Number: AC52-06NA25396
Resource Type: Technical Report
Country of Publication: United States
Language: English
Subject: Engineering(42); Materials Science(36); Radiation Chemistry, Radiochemistry, & Nuclear Chemistry(38)

Introduction

The plutonium foundry at Los Alamos National Laboratory casts products for various special nuclear applications. However, plutonium’s radioactivity, material properties, and security constraints complicate the ability to perform experimental analysis of mold behavior. The Manufacturing Engineering and Technologies (MET-2) group previously developed a graphite mold to vacuum cast small plutonium disks to be used by the Department of Homeland Security as point sources for radiation sensor testing.

A two-stage pouring basin consisting of a funnel and an angled cavity directs the liquid into a vertical runner. A stack of ten disk castings connect to the runner by horizontal gates. Volumetric flow rates were implemented to limit overflow into the funnel and minimize foundry returns. Models using Flow-3D computational fluid dynamics software are employed here to determine liquid Pu flow paths, optimal pour regimes, temperature changes, and pressure variations.

Setup

Hardcopy drawings provided necessary information to create 3D .stl models for import into Flow-3D (Figs. 1 and 2). The mesh was refined over several iterations to isolate the disk cavities, runner, angled cavity, funnel, and input pour. The final flow and mold-filling simulation utilizes a fine mesh with ~5.5 million total cells. For the temperature study, the mesh contained 1/8 as many cells to reduce computational time and set temperatures to 850 °C for the molten plutonium and 500 °C for the solid graphite mold components (Fig. 3).

Flow-3D solves mass continuity and Navier-Stokes momentum equations over the structured rectangular grid model using finite difference and finite volume numerical algorithms. The solver includes terms in the momentum equation for body and viscous accelerations and uses convective heat transfer.

Simulation settings enabled Flow-3D physics calculations for gravity at 980.665 cm/s 2 in the negative Z direction (top of mold to bottom); viscous, turbulent, incompressible flow using dynamically-computed Renormalized Group Model turbulence calculations and no-slip/partial slip wall shear, and; first order, full energy equation heat transfer.

Mesh boundaries were all set to symmetric boundary conditions except for the Zmin boundary set to outflow and the Zmax boundary set to a volume flow. Vacuum casting conditions and the high reactivity of remaining air molecules with Pu validate the assumption of an initially fluidless void.

Results

The flow follows a unique three-dimensional path. The mold fills upwards with two to three disks receiving fluid in a staggered sequence. Figures 5-9 show how the fluid fills the cavity, and Figure 7 includes the color scale for pressure levels in these four figures. The narrow gate causes a high pressure region which forces the fluid to flow down the cavity centerline.

It proceeds to splash against the far wall and then wrap around the circumference back to the gate (Figs. 5 and 6). Flow in the angled region of the pouring basin cascades over the bottom ledge and attaches to the far wall of the runner, as seen in Figure 7.

This channeling becomes less pronounced as fluid volume levels increase. Finally, two similar but non-uniform depressed regions form about the centerline. These regions fill from their perimeter and bottom until completion (Fig. 8). Such a pattern is counter, for example, to a steady scenario in which a circle of molten Pu encompassing the entire bottom surface rises as a growing cylinder.

Cavity pressure becomes uniform when the cavity is full. Pressure levels build in the rising well section of the runner, where impurities were found to settle in actual casting. Early test simulations optimized the flow as three pours so that the fluid would never overflow to the funnel, the cavities would all fill completely, and small amounts of fluid would remain as foundry returns in the angled cavity.

These rates and durations were translated to the single 2.7s pour at 100 cm 3 per second used here. Figure 9 shows anomalous pressure fluctuations which occurred as the cavities became completely filled. Multiple simulations exhibited a rapid change in pressure from positive to negative and back within the newly-full disk and surrounding, already-full disks.

The time required to completely fill each cavity is plotted in Figure 10. Results show negligible temperature change within the molten Pu during mold filling and, as seen in Figure 11, at fill completion.

Figure 1: Mold drawings
Figure 1: Mold drawings
Figure 2: Mold Assembly
Figure 2: Mold Assembly
Figure 4: Actual mold and cast Pu
Figure 4: Actual mold and cast Pu
Figure 5: Bottom cavity filling
from runner
Figure 5: Bottom cavity filling from runner
Figure 6: Pouring and filling
Figure 6: Pouring and filling
Figure 8: Edge detection of cavity fill geometry. Two similar depressed areas form
about the centerline. Top cavity shown; same pressure scale as other figures
Figure 8: Edge detection of cavity fill geometry. Two similar depressed areas form about the centerline. Top cavity shown; same pressure scale as other figures
Figure 10: Cavity fill times,from first fluid contact with pouring basin, Figure 11:Fluid temperature remains essentially constant
Figure 10: Cavity fill times,from first fluid contact with pouring basin, Figure 11:Fluid temperature remains essentially constant

Conclusions

Non-uniform cavity filling could cause crystal microstructure irregularities during solidification. However, the small temperature changes seen – due to large differences in specific heat between Pu and graphite – over a relatively short time make such problems unlikely in this case.

In the actual casting, cooling required approximately ten minutes. This large difference in time scales further reduces the chance for temperature effects in such a superheated scenario. Pouring basin emptying decreases pressure at the gate which extends fill time of the top two cavities.

The bottom cavity takes longer to fill because fluid must first enter the runner and fill the well. Fill times continue linearly until the top two cavities. The anomalous pressure fluctuations may be due to physical attempts by the system to reach equilibrium, but they are more likely due to numerical errors in the Flow3D solver.

Unsuccessful tests were performed to remove them by halving fluid viscosity. The fine mesh reduced, but did not eliminate, the extent of the fluctuations. Future work is planned to study induction and heat transfer in the full Pu furnace system, including quantifying temporal lag of the cavity void temperature to the mold wall temperature during pre-heat and comparing heat flux levels between furnace components during cool-down.

Thanks to Doug Kautz for the opportunity to work with MET-2 and for assigning an interesting unclassified project. Additional thanks to Mike Bange for CFD guidance, insight of the project’s history, and draft review.

Development of macro-defect-free PBF-EB-processed Ti–6Al–4V alloys with superior plasticity using PREP-synthesized powder and machine learning-assisted process optimization

Development of macro-defect-free PBF-EB-processed Ti–6Al–4V alloys with superior plasticity using PREP-synthesized powder and machine learning-assisted process optimization

Yunwei GuiabKenta Aoyagib Akihiko Chibab
aDepartment of Materials Processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6-6 Aramaki Aza Aoba, Aoba-ku, Sendai, 980-8579, Japan
bInstitute for Materials Research, Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai, 980-8577, Japan

Received 14 October 2022, Revised 23 December 2022, Accepted 3 January 2023, Available online 5 January 2023.Show lessAdd to MendeleyShareCite

https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144595Get rights and content

Abstract

The elimination of internal macro-defects is a key issue in Ti–6Al–4V alloys fabricated via powder bed fusion using electron beams (PBF-EB), wherein internal macro-defects mainly originate from the virgin powder and inappropriate printing parameters. This study compares different types powders by combining support vector machine techniques to determine the most suitable powder for PBF-EB and to predict the processing window for the printing parameters without internal macro-defects. The results show that powders fabricated via plasma rotating electrode process have the best sphericity, flowability, and minimal porosity and are most suitable for printing. Surface roughness criterion was also applied to determine the quality of the even surfaces, and support vector machine was used to construct processing maps capable of predicting a wide range of four-dimensional printing parameters to obtain macro-defect-free samples, offering the possibility of subsequent development of Ti–6Al–4V alloys with excellent properties. The macro-defect-free samples exhibited good elongation, with the best overall mechanical properties being the ultimate tensile strength and elongation of 934.7 MPa and 24.3%, respectively. The elongation of the three macro-defect-free samples was much higher than that previously reported for additively manufactured Ti–6Al–4V alloys. The high elongation of the samples in this work is mainly attributed to the elimination of internal macro-defects.

Introduction

Additive manufacturing (AM) technologies can rapidly manufacture complex or custom parts, reducing process steps and saving manufacturing time [[1], [2], [3], [4]], and are widely used in the aerospace, automotive, and other precision industries [5,6]. Powder bed fusion using an electron beam (PBF-EB) is an additive manufacturing method that uses a high-energy electron beam to melt metal powders layer by layer to produce parts. In contrast to selective laser melting, PBF-EB involves the preparation of samples in a high vacuum environment, which effectively prevents the introduction of impurities such as O and N. It also involves a preheating process for the print substrate and powder, which reduces residual thermal stress on the sample and subsequent heat treatment processes [[2], [3], [4],7]. Due to these features and advantages, PBF-EB technology is a very important AM technology with great potential in metallic materials. Moreover, PBF-EB is the ideal AM technology for the manufacture of complex components made of many alloys, such as titanium alloys, nickel-based superalloys, aluminum alloys and stainless steels [[2], [3], [4],8].

Ti–6Al–4V alloy is one of the prevalent commercial titanium alloys possessing high specific strength, excellent mechanical properties, excellent corrosion resistance, and good biocompatibility [9,10]. It is widely used in applications requiring low density and excellent corrosion resistance, such as the aerospace industry and biomechanical applications [11,12]. The mechanical properties of PBF-EB-processed Ti–6Al–4V alloys are superior to those fabricated by casting or forging, because the rapid cooling rate in PBF-EB results in finer grains [[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]. However, the PBF-EB-fabricated parts often include internal macro-defects, which compromises their mechanical properties [[19], [20], [21], [22]]. This study focused on the elimination of macro-defects, such as porosity, lack of fusion, incomplete penetration and unmelted powders, which distinguishes them from micro-defects such as vacancies, dislocations, grain boundaries and secondary phases, etc. Large-sized fusion defects cause a severe reduction in mechanical strength. Smaller defects, such as pores and cracks, lead to the initiation of fatigue cracking and rapidly accelerate the cracking process [23]. The issue of internal macro-defects must be addressed to expand the application of the PBF-EB technology. The main studies for controlling internal macro-defects are online monitoring of defects, remelting and hot isostatic pressing (HIP). The literatures [24,25] report the use of infrared imaging or other imaging techniques to identify defects, but the monitoring of smaller sized defects is still not adequate. And in some cases remelting does not reduce the internal macro-defects of the part, but instead causes coarsening of the macrostructure and volatilization of some metal elements [23]. The HIP treatment does not completely eliminate the internal macro-defects, the original defect location may still act as a point of origin of the crack, and the subsequent treatment will consume more time and economic costs [23]. Therefore, optimizing suitable printing parameters to avoid internal macro-defects in printed parts at source is of great industrial value and research significance, and is an urgent issue in PBF-EB related technology.

There are two causes of internal macro-defects in the AM process: gas pores trapped in the virgin powder and the inappropriate printing parameters [7,23]. Gui et al. [26] classify internal macro-defects during PBF-EB process according to their shape, such as spherical defects, elongated shape defects, flat shape defects and other irregular shape defects. Of these, spherical defects mainly originate from raw material powders. Other shape defects mainly originate from lack of fusion or unmelted powders caused by unsuitable printing parameters, etc. The PBF-EB process requires powders with good flowability, and spherical powders are typically chosen as raw materials. The prevalent techniques for the fabrication of pre-alloyed powders are gas atomization (GA), plasma atomization (PA), and the plasma rotating electrode process (PREP) [27,28]. These methods yield powders with different characteristics that affect the subsequent fabrication. The selection of a suitable powder for PBF-EB is particularly important to produce Ti–6Al–4V alloys without internal macro-defects. The need to optimize several printing parameters such as beam current, scan speed, line offset, and focus offset make it difficult to eliminate internal macro-defects that occur during printing [23]. Most of the studies [11,12,22,[29], [30], [31], [32], [33]] on the optimization of AM processes for Ti–6Al–4V alloys have focused on samples with a limited set of parameters (e.g., power–scan speed) and do not allow for the guidance and development of unknown process windows for macro-defect-free samples. In addition, process optimization remains a time-consuming problem, with the traditional ‘trial and error’ method demanding considerable time and economic costs. The development of a simple and efficient method to predict the processing window for alloys without internal macro-defects is a key issue. In recent years, machine learning techniques have increasingly been used in the field of additive manufacturing and materials development [[34], [35], [36], [37]]. Aoyagi et al. [38] recently proposed a novel and efficient method based on a support vector machine (SVM) to optimize the two-dimensional process parameters (current and scan speed) and obtain PBF-EB-processed CoCr alloys without internal macro-defects. The method is one of the potential approaches toward effective optimization of more than two process parameters and makes it possible for the machine learning techniques to accelerate the development of alloys without internal macro-defects.

Herein, we focus on the elimination of internal macro-defects, such as pores, lack of fusion, etc., caused by raw powders and printing parameters. The Ti–6Al–4V powders produced by three different methods were compared, and the powder with the best sphericity, flowability, and minimal porosity was selected as the feedstock for subsequent printing. The relationship between the surface roughness and internal macro-defects in the Ti–6Al–4V components was also investigated. The combination of SVM and surface roughness indices (Sdr) predicted a wider four-dimensional processing window for obtaining Ti–6Al–4V alloys without internal macro-defects. Finally, we investigated the tensile properties of Ti–6Al–4V alloys at room temperature with different printing parameters, as well as the corresponding microstructures and fracture types.

Section snippets

Starting materials

Three types of Ti–6Al–4V alloy powders, produced by GA, PA, and PREP, were compared. The particle size distribution of the powders was determined using a laser particle size analyzer (LS230, Beckman Coulter, USA), and the flowability was measured using a Hall flowmeter (JIS-Z2502, Tsutsui Scientific Instruments Co., Ltd., Japan), according to the ASTM B213 standard. The powder morphology and internal macro-defects were determined using scanning electron microscopy (SEM, JEOL JCM-6000) and X-ray 

Comparison of the characteristics of GA, PA, and PREP Ti–6Al–4V powders

The particle size distributions (PSDs) and flowability of the three types of Ti–6Al–4V alloy powders produced by GA, PA, and PREP are shown in Fig. 2. Although the average particle sizes are similar (89.4 μm for GA, 82.5 μm for PA, and 86.1μm for PREP), the particle size range is different for the three types of powder (6.2–174.8 μm for GA, 27.3–139.2 μm for PA, and 39.4–133.9 μm for PREP). The flowability of the GA, PA, and PREP powders was 30.25 ± 0.98, 26.54 ± 0.37, and 25.03 ± 0.22 (s/50

Conclusions

The characteristics of the three types of Ti–6Al–4V alloy powders produced via GA, PA, and PREP were compared. The PREP powder with the best sphericity, flowability, and low porosity was found to be the most favorable powder for subsequent printing of Ti–6Al–4V alloys without internal macro-defects. The quantitative criterion of Sdr <0.015 for even surfaces was also found to be applicable to Ti–6Al–4V alloys. The process maps of Ti–6Al–4V alloys include two regions, high beam current/scan speed 

Uncited references

[55]; [56]; [57]; [58]; [59]; [60]; [61]; [62]; [63]; [64]; [65].

CRediT authorship contribution statement

Yunwei Gui: Writing – original draft, Visualization, Validation, Investigation. Kenta Aoyagi: Writing – review & editing, Supervision, Resources, Methodology, Funding acquisition, Conceptualization. Akihiko Chiba: Supervision, Funding acquisition.

Declaration of competing interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Acknowledgments

This study was based on the results obtained from project JPNP19007, commissioned by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). This work was also supported by JSPS KAKENHI (Proposal No. 21K03801) and the Inter-University Cooperative Research Program (Proposal nos. 18G0418, 19G0411, and 20G0418) of the Cooperative Research and Development Center for Advanced Materials, Institute for Materials Research, Tohoku University. It was also supported by the Council for

References (65)

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Cited by (0)

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Figure 5: 3D & 2D views of simulated fill sequence of a hollow cylinder at 1000 rpm and 1500 rpm at various time intervals during filling.

Computer Simulation of Centrifugal Casting Process using FLOW-3D

Aneesh Kumar J1, a, K. Krishnakumar1, b and S. Savithri2, c 1 Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Thiruvananthapuram, Kerala, 2 Computational Modelling& Simulation Division, Process Engineering & Environmental Technology Division CSIR-National Institute for Interdisciplinary Science & Technology
Thiruvananthapuram, Kerala, India.
a aneesh82kj@gmail.com, b kkk@cet.ac.in, c sivakumarsavi@gmail.com, ssavithri@niist.res.in Key words: Mold filling, centrifugal casting process, computer simulation, FLOW- 3D™

Abstract

원심 주조 공정은 기능적으로 등급이 지정된 재료, 즉 구성 요소 간에 밀도 차이가 큰 복합 재료 또는 금속 재료를 생산하는 데 사용되는 잠재적인 제조 기술 중 하나입니다. 이 공정에서 유체 흐름이 중요한 역할을 하며 복잡한 흐름 공정을 이해하는 것은 결함 없는 주물을 생산하는 데 필수입니다. 금형이 고속으로 회전하고 금형 벽이 불투명하기 때문에 흐름 패턴을 실시간으로 시각화하는 것은 불가능합니다. 따라서 현재 연구에서는 상용 CFD 코드 FLOW-3D™를 사용하여 수직 원심 주조 공정 중 단순 중공 원통형 주조에 대한 금형 충전 시퀀스를 시뮬레이션했습니다. 수직 원심주조 공정 중 다양한 방사 속도가 충전 패턴에 미치는 영향을 조사하고 있습니다.

Centrifugal casting process is one of the potential manufacturing techniques used for producing functionally graded materials viz., composite materials or metallic materials which have high differences of density among constituents. In this process, the fluid flow plays a major role and understanding the complex flow process is a must for the production of defect-free castings. Since the mold spins at a high velocity and the mold wall being opaque, it is impossible to visualise the flow patterns in real time. Hence, in the present work, the commercial CFD code FLOW-3D™, has been used to simulate the mold filling sequence for a simple hollow cylindrical casting during vertical centrifugal casting process. Effect of various spinning velocities on the fill pattern during vertical centrifugal casting process is being investigated.

Figure 1: (a) Mold geometry and (b) Computational mesh
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Figure 2: Experimental data on height of
vertex formed [8]  / Figure 3: Vertex height as a function of time
Figure 2: Experimental data on height of vertex formed [8]/Figure 3: Vertex height as a function of time
Figure 4: Free surface contours for water model at 10 s, 15 s and 20 s.
Figure 4: Free surface contours for water model at 10 s, 15 s and 20 s.
Figure 5: 3D & 2D views of simulated fill sequence of a hollow cylinder at 1000 rpm and 1500 rpm at various time intervals during filling.
Figure 5: 3D & 2D views of simulated fill sequence of a hollow cylinder at 1000 rpm and 1500 rpm at various time intervals during filling.

References

[1] W. Shi-Ping, L. Chang-yun, G. Jing-jie, S. Yan-qing, L. Xiu-qiao, F. Heng-zhi, Numerical simulation and
experimental investigation of two filling methods in vertical centrifugal casting, Trans. Nonferrous Met. Soc.
China 16 (2006) 1035-1040.
10.1016/s1003-6326(06)60373-7
[2] G. Chirita, D. Soares, F.S. Silva, Advantages of the centrifugal casting technique for the production of
structural components with Al-Si alloys, Mater. Des. 29 (2008) 20-27.
10.1016/j.matdes.2006.12.011
[3] A. Kermanpur, Sh. Mahmoudi, A. Hajipour, Numerical simulation of metal flow and solidification in the
multi-cavity casting moulds of automotive components, J. Mater. Proc. Tech. 206 (208) 62-68.
10.1016/j.jmatprotec.2007.12.004
[4] D. McBride et. al. Complex free surface flows in centrifugal casting: Computational modelling and
validation experiments, Computers & Fluids 82 (2013) 63-72.
10.1016/j.compfluid.2013.04.021

Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

영국 Dawlish의 방파제에 대한 온대 저기압 피해: 목격자 설명, 해수면 분석 및 수치 모델링

Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

Natural Hazards (2022)Cite this article

Abstract

2014년 2월 영국 해협(영국)과 특히 Dawlish에 영향을 미친 온대 저기압 폭풍 사슬은 남서부 지역과 영국의 나머지 지역을 연결하는 주요 철도에 심각한 피해를 입혔습니다.

이 사건으로 라인이 두 달 동안 폐쇄되어 5천만 파운드의 피해와 12억 파운드의 경제적 손실이 발생했습니다. 이 연구에서는 폭풍의 파괴력을 해독하기 위해 목격자 계정을 수집하고 해수면 데이터를 분석하며 수치 모델링을 수행합니다.

우리의 분석에 따르면 이벤트의 재난 관리는 성공적이고 효율적이었으며 폭풍 전과 도중에 인명과 재산을 구하기 위해 즉각적인 조치를 취했습니다. 파도 부이 분석에 따르면 주기가 4–8, 8–12 및 20–25초인 복잡한 삼중 봉우리 바다 상태가 존재하는 반면, 조위계 기록에 따르면 최대 0.8m의 상당한 파도와 최대 1.5m의 파도 성분이 나타났습니다.

이벤트에서 가능한 기여 요인으로 결합된 진폭. 최대 286 KN의 상당한 임펄스 파동이 손상의 시작 원인일 가능성이 가장 높았습니다. 수직 벽의 반사는 파동 진폭의 보강 간섭을 일으켜 파고가 증가하고 최대 16.1m3/s/m(벽의 미터 너비당)의 상당한 오버탑핑을 초래했습니다.

이 정보와 우리의 공학적 판단을 통해 우리는 이 사고 동안 다중 위험 계단식 실패의 가장 가능성 있는 순서는 다음과 같다고 결론을 내립니다. 조적 파괴로 이어지는 파도 충격력, 충전물 손실 및 연속적인 조수에 따른 구조물 파괴.

The February 2014 extratropical cyclonic storm chain, which impacted the English Channel (UK) and Dawlish in particular, caused significant damage to the main railway connecting the south-west region to the rest of the UK. The incident caused the line to be closed for two months, £50 million of damage and an estimated £1.2bn of economic loss. In this study, we collate eyewitness accounts, analyse sea level data and conduct numerical modelling in order to decipher the destructive forces of the storm. Our analysis reveals that the disaster management of the event was successful and efficient with immediate actions taken to save lives and property before and during the storm. Wave buoy analysis showed that a complex triple peak sea state with periods at 4–8, 8–12 and 20–25 s was present, while tide gauge records indicated that significant surge of up to 0.8 m and wave components of up to 1.5 m amplitude combined as likely contributing factors in the event. Significant impulsive wave force of up to 286 KN was the most likely initiating cause of the damage. Reflections off the vertical wall caused constructive interference of the wave amplitudes that led to increased wave height and significant overtopping of up to 16.1 m3/s/m (per metre width of wall). With this information and our engineering judgement, we conclude that the most probable sequence of multi-hazard cascading failure during this incident was: wave impact force leading to masonry failure, loss of infill and failure of the structure following successive tides.

Introduction

The progress of climate change and increasing sea levels has started to have wide ranging effects on critical engineering infrastructure (Shakou et al. 2019). The meteorological effects of increased atmospheric instability linked to warming seas mean we may be experiencing more frequent extreme storm events and more frequent series or chains of events, as well as an increase in the force of these events, a phenomenon called storminess (Mölter et al. 2016; Feser et al. 2014). Features of more extreme weather events in extratropical latitudes (30°–60°, north and south of the equator) include increased gusting winds, more frequent storm squalls, increased prolonged precipitation and rapid changes in atmospheric pressure and more frequent and significant storm surges (Dacre and Pinto 2020). A recent example of these events impacting the UK with simultaneous significant damage to coastal infrastructure was the extratropical cyclonic storm chain of winter 2013/2014 (Masselink et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). The cluster of storms had a profound effect on both coastal and inland infrastructure, bringing widespread flooding events and large insurance claims (RMS 2014).

The extreme storms of February 2014, which had a catastrophic effect on the seawall of the south Devon stretch of the UK’s south-west mainline, caused a two-month closure of the line and significant disruption to the local and regional economy (Fig. 1b) (Network Rail 2014; Dawson et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). Restoration costs were £35 m, and economic effects to the south-west region of England were estimated up to £1.2bn (Peninsula Rail Taskforce 2016). Adams and Heidarzadeh (2021) investigated the disparate cascading failure mechanisms which played a part in the failure of the railway through Dawlish and attempted to put these in the context of the historical records of infrastructure damage on the line. Subsequent severe storms in 2016 in the region have continued to cause damage and disruption to the line in the years since 2014 (Met Office 2016). Following the events of 2014, Network Rail Footnote1 who owns the network has undertaken a resilience study. As a result, it has proposed a £400 m refurbishment of the civil engineering assets that support the railway (Fig. 1) (Network Rail 2014). The new seawall structure (Fig. 1a,c), which is constructed of pre-cast concrete sections, encases the existing Brunel seawall (named after the project lead engineer, Isambard Kingdom Brunel) and has been improved with piled reinforced concrete foundations. It is now over 2 m taller to increase the available crest freeboard and incorporates wave return features to minimise wave overtopping. The project aims to increase both the resilience of the assets to extreme weather events as well as maintain or improve amenity value of the coastline for residents and visitors.

figure 1
Fig. 1

In this work, we return to the Brunel seawall and the damage it sustained during the 2014 storms which affected the assets on the evening of the 4th and daytime of the 5th of February and eventually resulted in a prolonged closure of the line. The motivation for this research is to analyse and model the damage made to the seawall and explain the damage mechanisms in order to improve the resilience of many similar coastal structures in the UK and worldwide. The innovation of this work is the multidisciplinary approach that we take comprising a combination of analysis of eyewitness accounts (social science), sea level and wave data analysis (physical science) as well as numerical modelling and engineering judgement (engineering sciences). We investigate the contemporary wave climate and sea levels by interrogating the real-time tide gauge and wave buoys installed along the south-west coast of the English Channel. We then model a typical masonry seawall (Fig. 2), applying the computational fluid dynamics package FLOW3D-Hydro,Footnote2 to quantify the magnitude of impact forces that the seawall would have experienced leading to its failure. We triangulate this information to determine the probable sequence of failures that led to the disaster in 2014.

figure 2
Fig. 2

Data and methods

Our data comprise eyewitness accounts, sea level records from coastal tide gauges and offshore wave buoys as well as structural details of the seawall. As for methodology, we analyse eyewitness data, process and investigate sea level records through Fourier transform and conduct numerical simulations using the Flow3D-Hydro package (Flow Science 2022). Details of the data and methodology are provided in the following.

Eyewitness data

The scale of damage to the seawall and its effects led the local community to document the first-hand accounts of those most closely affected by the storms including residents, local businesses, emergency responders, politicians and engineering contractors involved in the post-storm restoration work. These records now form a permanent exhibition in the local museum in DawlishFootnote3, and some of these accounts have been transcribed into a DVD account of the disaster (Dawlish Museum 2015). We have gathered data from the Dawlish Museum, national and international news reports, social media tweets and videos. Table 1 provides a summary of the eyewitness accounts. Overall, 26 entries have been collected around the time of the incident. Our analysis of the eyewitness data is provided in the third column of Table 1 and is expanded in Sect. 3.Table 1 Eyewitness accounts of damage to the Dawlish railway due to the February 2014 storm and our interpretations

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Sea level data and wave environment

Our sea level data are a collection of three tide gauge stations (Newlyn, Devonport and Swanage Pier—Fig. 5a) owned and operated by the UK National Tide and Sea Level FacilityFootnote4 for the Environment Agency and four offshore wave buoys (Dawlish, West Bay, Torbay and Chesil Beach—Fig. 6a). The tide gauge sites are all fitted with POL-EKO (www.pol-eko.com.pl) data loggers. Newlyn has a Munro float gauge with one full tide and one mid-tide pneumatic bubbler system. Devonport has a three-channel data pneumatic bubbler system, and Swanage Pier consists of a pneumatic gauge. Each has a sampling interval of 15 min, except for Swanage Pier which has a sampling interval of 10 min. The tide gauges are located within the port areas, whereas the offshore wave buoys are situated approximately 2—3.3 km from the coast at water depths of 10–15 m. The wave buoys are all Datawell Wavemaker Mk III unitsFootnote5 and come with sampling interval of 0.78 s. The buoys have a maximum saturation amplitude of 20.5 m for recording the incident waves which implies that every wave larger than this threshold will be recorded at 20.5 m. The data are provided by the British Oceanographic Data CentreFootnote6 for tide gauges and the Channel Coastal ObservatoryFootnote7 for wave buoys.

Sea level analysis

The sea level data underwent quality control to remove outliers and spikes as well as gaps in data (e.g. Heidarzadeh et al. 2022; Heidarzadeh and Satake 2015). We processed the time series of the sea level data using the Matlab signal processing tool (MathWorks 2018). For calculations of the tidal signals, we applied the tidal package TIDALFIT (Grinsted 2008), which is based on fitting tidal harmonics to the observed sea level data. To calculate the surge signals, we applied a 30-min moving average filter to the de-tided data in order to remove all wind, swell and infra-gravity waves from the time series. Based on the surge analysis and the variations of the surge component before the time period of the incident, an error margin of approximately ± 10 cm is identified for our surge analysis. Spectral analysis of the wave buoy data is performed using the fast Fourier transform (FFT) of Matlab package (Mathworks 2018).

Numerical modelling

Numerical modelling of wave-structure interaction is conducted using the computational fluid dynamics package Flow3D-Hydro version 1.1 (Flow Science 2022). Flow3D-Hydro solves the transient Navier–Stokes equations of conservation of mass and momentum using a finite difference method and on Eulerian and Lagrangian frameworks (Flow Science 2022). The aforementioned governing equations are:

∇.u=0∇.u=0

(1)

∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g

(2)

where uu is the velocity vector, PP is the pressure, ρρ is the water density, υυ is the kinematic viscosity and gg is the gravitational acceleration. A Fractional Area/Volume Obstacle Representation (FAVOR) is adapted in Flow3D-Hydro, which applies solid boundaries within the Eulerian grid and calculates the fraction of areas and volume in partially blocked volume in order to compute flows on corresponding boundaries (Hirt and Nichols 1981). We validated the numerical modelling through comparing the results with Sainflou’s analytical equation for the design of vertical seawalls (Sainflou 1928; Ackhurst 2020), which is as follows:

pd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσtpd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσt

(3)

where pdpd is the hydrodynamic pressure, ρρ is the water density, gg is the gravitational acceleration, HH is the wave height, dd is the water depth, kk is the wavenumber, zz is the difference in still water level and mean water level, σσ is the angular frequency and tt is the time. The Sainflou’s equation (Eq. 3) is used to calculate the dynamic pressure from wave action, which is combined with static pressure on the seawall.

Using Flow3D-Hydro, a model of the Dawlish seawall was made with a computational domain which is 250.0 m in length, 15.0 m in height and 0.375 m in width (Fig. 3a). The computational domain was discretised using a single uniform grid with a mesh size of 0.125 m. The model has a wave boundary at the left side of the domain (x-min), an outflow boundary on the right side (x-max), a symmetry boundary at the bottom (z-min) and a wall boundary at the top (z-max). A wall boundary implies that water or waves are unable to pass through the boundary, whereas a symmetry boundary means that the two edges of the boundary are identical and therefore there is no flow through it. The water is considered incompressible in our model. For volume of fluid advection for the wave boundary (i.e. the left-side boundary) in our simulations, we utilised the “Split Lagrangian Method”, which guarantees the best accuracy (Flow Science, 2022).

figure 3
Fig. 3

The stability of the numerical scheme is controlled and maintained through checking the Courant number (CC) as given in the following:

C=VΔtΔxC=VΔtΔx

(4)

where VV is the velocity of the flow, ΔtΔt is the time step and ΔxΔx is the spatial step (i.e. grid size). For stability and convergence of the numerical simulations, the Courant number must be sufficiently below one (Courant et al. 1928). This is maintained by a careful adjustment of the ΔxΔx and ΔtΔt selections. Flow3D-Hydro applies a dynamic Courant number, meaning the program adjusts the value of time step (ΔtΔt) during the simulations to achieve a balance between accuracy of results and speed of simulation. In our simulation, the time step was in the range ΔtΔt = 0.0051—0.051 s.

In order to achieve the most efficient mesh resolution, we varied cell size for five values of ΔxΔx = 0.1 m, 0.125 m, 0.15 m, 0.175 m and 0.20 m. Simulations were performed for all mesh sizes, and the results were compared in terms of convergence, stability and speed of simulation (Fig. 3). A linear wave with an amplitude of 1.5 m and a period of 6 s was used for these optimisation simulations. We considered wave time histories at two gauges A and B and recorded the waves from simulations using different mesh sizes (Fig. 3). Although the results are close (Fig. 3), some limited deviations are observed for larger mesh sizes of 0.20 m and 0.175 m. We therefore selected mesh size of 0.125 m as the optimum, giving an extra safety margin as a conservative solution.

The pressure from the incident waves on the vertical wall is validated in our model by comparing them with the analytical equation of Sainflou (1928), Eq. (3), which is one of the most common set of equations for design of coastal structures (Fig. 4). The model was tested by running a linear wave of period 6 s and wave amplitude of 1.5 m against the wall, with a still water level of 4.5 m. It can be seen that the model results are very close to those from analytical equations of Sainflou (1928), indicating that our numerical model is accurately modelling the wave-structure interaction (Fig. 4).

figure 4
Fig. 4

Eyewitness account analysis

Contemporary reporting of the 4th and 5th February 2014 storms by the main national news outlets in the UK highlights the extreme nature of the events and the significant damage and disruption they were likely to have on the communities of the south-west of England. In interviews, this was reinforced by Network Rail engineers who, even at this early stage, were forecasting remedial engineering works to last for at least 6 weeks. One week later, following subsequent storms the cascading nature of the events was obvious. Multiple breaches of the seawall had taken place with up to 35 separate landslide events and significant damage to parapet walls along the coastal route also were reported. Residents of the area reported extreme effects of the storm, one likening it to an earthquake and reporting water ingress through doors windows and even through vertical chimneys (Table 1). This suggests extreme wave overtopping volumes and large wave impact forces. One resident described the structural effects as: “the house was jumping up and down on its footings”.

Disaster management plans were quickly and effectively put into action by the local council, police service and National Rail. A major incident was declared, and decisions regarding evacuation of the residents under threat were taken around 2100 h on the night of 4th February when reports of initial damage to the seawall were received (Table 1). Local hotels were asked to provide short-term refuge to residents while local leisure facilities were prepared to accept residents later that evening. Initial repair work to the railway line was hampered by successive high spring tides and storms in the following days although significant progress was still made when weather conditions permitted (Table 1).

Sea level observations and spectral analysis

The results of surge and wave analyses are presented in Figs. 5 and 6. A surge height of up to 0.8 m was recorded in the examined tide gauge stations (Fig. 5b-d). Two main episodes of high surge heights are identified: the first surge started on 3rd February 2014 at 03:00 (UTC) and lasted until 4th of February 2014 at 00:00; the second event occurred in the period 4th February 2014 15:00 to 5th February 2014 at 17:00 (Fig. 5b-d). These data imply surge durations of 21 h and 26 h for the first and the second events, respectively. Based on the surge data in Fig. 5, we note that the storm event of early February 2014 and the associated surges was a relatively powerful one, which impacted at least 230 km of the south coast of England, from Land’s End to Weymouth, with large surge heights.

figure 5
Fig. 5
figure 6
Fig. 6

Based on wave buoy records, the maximum recorded amplitudes are at least 20.5 m in Dawlish and West Bay, 1.9 m in Tor Bay and 4.9 m in Chesil (Fig. 6a-b). The buoys at Tor Bay and Chesil recorded dual peak period bands of 4–8 and 8–12 s, whereas at Dawlish and West Bay registered triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s (Fig. 6c, d). It is important to note that the long-period waves at 20–25 s occur with short durations (approximately 2 min) while the waves at the other two bands of 4–8 and 8–12 s appear to be present at all times during the storm event.

The wave component at the period band of 4–8 s can be most likely attributed to normal coastal waves while the one at 8–12 s, which is longer, is most likely the swell component of the storm. Regarding the third component of the waves with long period of 20 -25 s, which occurs with short durations of 2 min, there are two hypotheses; it is either the result of a local (port and harbour) and regional (the Lyme Bay) oscillations (eg. Rabinovich 1997; Heidarzadeh and Satake 2014; Wang et al. 1992), or due to an abnormally long swell. To test the first hypothesis, we consider various water bodies such as Lyme Bay (approximate dimensions of 70 km × 20 km with an average water depth of 30 m; Fig. 6), several local bays (approximate dimensions of 3.6 km × 0.6 km with an average water depth of 6 m) and harbours (approximate dimensions of 0.5 km × 0.5 km with an average water depth of 4 m). Their water depths are based on the online Marine navigation website.Footnote8 According to Rabinovich (2010), the oscillation modes of a semi-enclosed rectangle basin are given by the following equation:

Tmn=2gd−−√[(m2L)2+(nW)2]−1/2Tmn=2gd[(m2L)2+(nW)2]−1/2

(5)

where TmnTmn is the oscillation period, gg is the gravitational acceleration, dd is the water depth, LL is the length of the basin, WW is the width of the basin, m=1,2,3,…m=1,2,3,… and n=0,1,2,3,…n=0,1,2,3,…; mm and nn are the counters of the different modes. Applying Eq. (5) to the aforementioned water bodies results in oscillation modes of at least 5 min, which is far longer than the observed period of 20–25 s. Therefore, we rule out the first hypothesis and infer that the long period of 20–25 s is most likely a long swell wave coming from distant sources. As discussed by Rabinovich (1997) and Wang et al. (2022), comparison between sea level spectra before and after the incident is a useful method to distinguish the spectrum of the weather event. A visual inspection of Fig. 6 reveals that the forcing at the period band of 20–25 s is non-existent before the incident.

Numerical simulations of wave loading and overtopping

Based on the results of sea level data analyses in the previous section (Fig. 6), we use a dual peak wave spectrum with peak periods of 10.0 s and 25.0 s for numerical simulations because such a wave would be comprised of the most energetic signals of the storm. For variations of water depth (2.0–4.0 m), coastal wave amplitude (0.5–1.5 m) (Fig. 7) and storm surge height (0.5–0.8 m) (Fig. 5), we developed 20 scenarios (Scn) which we used in numerical simulations (Table 2). Data during the incident indicated that water depth was up to the crest level of the seawall (approximately 4 m water depth); therefore, we varied water depth from 2 to 4 m in our simulation scenarios. Regarding wave amplitudes, we referred to the variations at a nearby tide gauge station (West Bay) which showed wave amplitude up to 1.2 m (Fig. 7). Therefore, wave amplitude was varied from 0.5 m to 1.5 m by considering a factor a safety of 25% for the maximum wave amplitude. As for the storm surge component, time series of storm surges calculated at three coastal stations adjacent to Dawlish showed that it was in the range of 0.5 m to 0.8 m (Fig. 5). These 20 scenarios would help to study uncertainties associated with wave amplitudes and pressures. Figure 8 shows snapshots of wave propagation and impacts on the seawall at different times.

figure 7
Fig. 7

Table 2 The 20 scenarios considered for numerical simulations in this study

Full size table

figure 8
Fig. 8

Results of wave amplitude simulations

Large wave amplitudes can induce significant wave forcing on the structure and cause overtopping of the seawall, which could eventually cascade to other hazards such as erosion of the backfill and scour (Adams and Heidarzadeh, 2021). The first 10 scenarios of our modelling efforts are for the same incident wave amplitudes of 0.5 m, which occur at different water depths (2.0–4.0 m) and storm surge heights (0.5–0.8 m) (Table 2 and Fig. 9). This is because we aim at studying the impacts of effective water depth (deff—the sum of mean sea level and surge height) on the time histories of wave amplitudes as the storm evolves. As seen in Fig. 9a, by decreasing effective water depth, wave amplitude increases. For example, for Scn-1 with effective depth of 4.5 m, the maximum amplitude of the first wave is 1.6 m, whereas it is 2.9 m for Scn-2 with effective depth of 3.5 m. However, due to intensive reflections and interferences of the waves in front of the vertical seawall, such a relationship is barely seen for the second and the third wave peaks. It is important to note that the later peaks (second or third) produce the largest waves rather than the first wave. Extraordinary wave amplifications are seen for the Scn-2 (deff = 3.5 m) and Scn-7 (deff = 3.3 m), where the corresponding wave amplitudes are 4.5 m and 3.7 m, respectively. This may indicate that the effective water depth of deff = 3.3–3.5 m is possibly a critical water depth for this structure resulting in maximum wave amplitudes under similar storms. In the second wave impact, the combined wave height (i.e. the wave amplitude plus the effective water depth), which is ultimately an indicator of wave overtopping, shows that the largest wave heights are generated by Scn-2, 7 and 8 (Fig. 9a) with effective water depths of 3.5 m, 3.3 m and 3.8 m and combined heights of 8.0 m, 7.0 m and 6.9 m (Fig. 9b). Since the height of seawall is 5.4 m, the combined wave heights for Scn-2, 7 and 8 are greater than the crest height of the seawall by 2.6 m, 1.6 m and 1.5 m, respectively, which indicates wave overtopping.

figure 9
Fig. 9

For scenarios 11–20 (Fig. 10), with incident wave amplitudes of 1.5 m (Table 2), the largest wave amplitudes are produced by Scn-17 (deff = 3.3 m), Scn-13 (deff = 2.5 m) and Scn-12 (deff = 3.5 m), which are 5.6 m, 5.1 m and 4.5 m. The maximum combined wave heights belong to Scn-11 (deff = 4.5 m) and Scn-17 (deff = 3.3 m), with combined wave heights of 9.0 m and 8.9 m (Fig. 10b), which are greater than the crest height of the seawall by 4.6 m and 3.5 m, respectively.

figure 10
Fig. 10

Our simulations for all 20 scenarios reveal that the first wave is not always the largest and wave interactions, reflections and interferences play major roles in amplifying the waves in front of the seawall. This is primarily because the wall is fully vertical and therefore has a reflection coefficient of close to one (i.e. full reflection). Simulations show that the combined wave height is up to 4.6 m higher than the crest height of the wall, implying that severe overtopping would be expected.

Results of wave loading calculations

The pressure calculations for scenarios 1–10 are given in Fig. 11 and those of scenarios 11–20 in Fig. 12. The total pressure distribution in Figs. 1112 mostly follows a triangular shape with maximum pressure at the seafloor as expected from the Sainflou (1928) design equations. These pressure plots comprise both static (due to mean sea level in front of the wall) and dynamic (combined effects of surge and wave) pressures. For incident wave amplitudes of 0.5 m (Fig. 11), the maximum wave pressure varies in the range of 35–63 kPa. At the sea surface, it is in the range of 4–20 kPa (Fig. 11). For some scenarios (Scn-2 and 7), the pressure distribution deviates from a triangular shape and shows larger pressures at the top, which is attributed to the wave impacts and partial breaking at the sea surface. This adds an additional triangle-shaped pressure distribution at the sea surface elevation consistent with the design procedure developed by Goda (2000) for braking waves. The maximum force on the seawall due to scenarios 1–10, which is calculated by integrating the maximum pressure distribution over the wave-facing surface of the seawall, is in the range of 92–190 KN (Table 2).

figure 11
Fig. 11
figure 12
Fig. 12

For scenarios 11–20, with incident wave amplitude of 1.5 m, wave pressures of 45–78 kPa and 7–120 kPa, for  the bottom and top of the wall, respectively, were observed (Fig. 12). Most of the plots show a triangular pressure distribution, except for Scn-11 and 15. A significant increase in wave impact pressure is seen for Scn-15 at the top of the structure, where a maximum pressure of approximately 120 kPa is produced while other scenarios give a pressure of 7–32 kPa for the sea surface. In other words, the pressure from Scn-15 is approximately four times larger than the other scenarios. Such a significant increase of the pressure at the top is most likely attributed to the breaking wave impact loads as detailed by Goda (2000) and Cuomo et al. (2010). The wave simulation snapshots in Fig. 8 show that the wave breaks before reaching the wall. The maximum force due to scenarios 11–20 is 120–286 KN.

The breaking wave impacts peaking at 286 KN in our simulations suggest destabilisation of the upper masonry blocks, probably by grout malfunction. This significant impact force initiated the failure of the seawall which in turn caused extensive ballast erosion. Wave impact damage was proposed by Adams and Heidarzadeh (2021) as one of the primary mechanisms in the 2014 Dawlish disaster. In the multi-hazard risk model proposed by these authors, damage mechanism III (failure pathway 5 in Adams and Heidarzadeh, 2021) was characterised by wave impact force causing damage to the masonry elements, leading to failure of the upper sections of the seawall and loss of infill material. As blocks were removed, access to the track bed was increased for inbound waves allowing infill material from behind the seawall to be fluidised and subsequently removed by backwash. The loss of infill material critically compromised the stability of the seawall and directly led to structural failure. In parallel, significant wave overtopping (discussed in the next section) led to ballast washout and cascaded, in combination with masonry damage, to catastrophic failure of the wall and suspension of the rails in mid-air (Fig. 1b), leaving the railway inoperable for two months.

Wave Overtopping

The two most important factors contributing to the 2014 Dawlish railway catastrophe were wave impact forces and overtopping. Figure 13 gives the instantaneous overtopping rates for different scenarios, which experienced overtopping. It can be seen that the overtopping rates range from 0.5 m3/s/m to 16.1 m3/s/m (Fig. 13). Time histories of the wave overtopping rates show that the phenomenon occurs intermittently, and each time lasts 1.0–7.0 s. It is clear that the longer the overtopping time, the larger the volume of the water poured on the structure. The largest wave overtopping rates of 16.1 m3/s/m and 14.4 m3/s/m belong to Scn-20 and 11, respectively. These are the two scenarios that also give the largest combined wave heights (Fig. 10b).

figure 13
Fig. 13

The cumulative overtopping curves (Figs. 1415) show the total water volume overtopped the structure during the entire simulation time. This is an important hazard factor as it determines the level of soil saturation, water pore pressure in the soil and soil erosion (Van der Meer et al. 2018). The maximum volume belongs to Scn-20, which is 65.0 m3/m (m-cubed of water per metre length of the wall). The overtopping volumes are 42.7 m3/m for Scn-11 and 28.8 m3/m for Scn-19. The overtopping volume is in the range of 0.7–65.0 m3/m for all scenarios.

figure 14
Fig. 14
figure 15
Fig. 15

For comparison, we compare our modelling results with those estimated using empirical equations. For the case of the Dawlish seawall, we apply the equation proposed by Van Der Meer et al. (2018) to estimate wave overtopping rates, based on a set of decision criteria which are the influence of foreshore, vertical wall, possible breaking waves and low freeboard:

qgH3m−−−−√=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)qgHm3=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)

(6)

where qq is the mean overtopping rate per metre length of the seawall (m3/s/m), gg is the acceleration due to gravity, HmHm is the incident wave height at the toe of the structure, RcRc is the wall crest height above mean sea level, hshs is the deep-water significant wave height and e(x)e(x) is the exponential function. It is noted that Eq. (6) is valid for 0.1<RcHm<1.350.1<RcHm<1.35. For the case of the Dawlish seawall and considering the scenarios with larger incident wave amplitude of 1.5 m (hshs= 1.5 m), the incident wave height at the toe of the structure is HmHm = 2.2—5.6 m, and the wall crest height above mean sea level is RcRc = 0.6–2.9 m. As a result, Eq. (6) gives mean overtopping rates up to approximately 2.9 m3/s/m. A visual inspection of simulated overtopping rates in Fig. 13 for Scn 11–20 shows that the mean value of the simulated overtopping rates (Fig. 13) is close to estimates using Eq. (6).

Discussion and conclusions

We applied a combination of eyewitness account analysis, sea level data analysis and numerical modelling in combination with our engineering judgement to explain the damage to the Dawlish railway seawall in February 2014. Main findings are:

  • Eyewitness data analysis showed that the extreme nature of the event was well forecasted in the hours prior to the storm impact; however, the magnitude of the risks to the structures was not well understood. Multiple hazards were activated simultaneously, and the effects cascaded to amplify the damage. Disaster management was effective, exemplified by the establishment of an emergency rendezvous point and temporary evacuation centre during the storm, indicating a high level of hazard awareness and preparedness.
  • Based on sea level data analysis, we identified triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s in the sea level data. Storm surge heights and wave oscillations were up to 0.8 m and 1.5 m, respectively.
  • Based on the numerical simulations of 20 scenarios with different water depths, incident wave amplitudes, surge heights and peak periods, we found that the wave oscillations at the foot of the seawall result in multiple wave interactions and interferences. Consequently, large wave amplitudes, up to 4.6 m higher than the height of the seawall, were generated and overtopped the wall. Extreme impulsive wave impact forces of up to 286 KN were generated by the waves interacting with the seawall.
  • We measured maximum wave overtopping rates of 0.5–16.1 m3/s/m for our scenarios. The cumulative overtopping water volumes per metre length of the wall were 0.7–65.0 m3/m.
  • Analysis of all the evidence combined with our engineering judgement suggests that the most likely initiating cause of the failure was impulsive wave impact forces destabilising one or more grouted joints between adjacent masonry blocks in the wall. Maximum observed pressures of 286 KN in our simulations are four times greater in magnitude than background pressures leading to block removal and initiating failure. Therefore, the sequence of cascading events was :1) impulsive wave impact force causing damage to masonry, 2) failure of the upper sections of the seawall, 3) loss of infill resulting in a reduction of structural strength in the landward direction, 4) ballast washout as wave overtopping and inbound wave activity increased and 5) progressive structural failure following successive tides.

From a risk mitigation point of view, the stability of the seawall in the face of future energetic cyclonic storm events and sea level rise will become a critical factor in protecting the rail network. Mitigation efforts will involve significant infrastructure investment to strengthen the civil engineering assets combined with improved hazard warning systems consisting of meteorological forecasting and real-time wave observations and instrumentation. These efforts must take into account the amenity value of coastal railway infrastructure to local communities and the significant number of tourists who visit every year. In this regard, public awareness and active engagement in the planning and execution of the project will be crucial in order to secure local stakeholder support for the significant infrastructure project that will be required for future resilience.

Notes

  1. https://www.networkrail.co.uk/..
  2. https://www.flow3d.com/products/flow-3d-hydro/.
  3. https://www.devonmuseums.net/Dawlish-Museum/Devon-Museums/.
  4. https://ntslf.org/.
  5. https://www.datawell.nl/Products/Buoys/DirectionalWaveriderMkIII.aspx.
  6. https://www.bodc.ac.uk/.
  7. https://coastalmonitoring.org/cco/.
  8. https://webapp.navionics.com/#boating@8&key=iactHlwfP.

References

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Acknowledgements

We are grateful to Brunel University London for administering the scholarship awarded to KA. The Flow3D-Hydro used in this research for numerical modelling is licenced to Brunel University London through an academic programme contract. We sincerely thank Prof Harsh Gupta (Editor-in-Chief) and two anonymous reviewers for their constructive review comments.

Funding

This project was funded by the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) through a PhD scholarship to Keith Adams.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Civil and Environmental Engineering, Brunel University London, Uxbridge, UB8 3PH, UKKeith Adams
  2. Department of Architecture and Civil Engineering, University of Bath, Bath, BA2 7AY, UKMohammad Heidarzadeh

Corresponding author

Correspondence to Keith Adams.

Ethics declarations

Conflict of interest

The authors have no relevant financial or non-financial interests to disclose.

Availability of data

All data used in this study are provided in the body of the article.

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Cite this article

Adams, K., Heidarzadeh, M. Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling. Nat Hazards (2022). https://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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  • Received17 May 2022
  • Accepted17 October 2022
  • Published14 November 2022
  • DOIhttps://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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Keywords

  • Storm surge
  • Cyclone
  • Railway
  • Climate change
  • Infrastructure
  • Resilience
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).

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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).

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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

Figure 2.1: Types of Landslides[2]

Landslide flow path modelling
A Case Study on Aranayaka
Landslide

산사태 유로 모델링 : Aranayaka 산사태 사례 연구

Authors:

Malithi De Silva : University of Kelaniya

N.M.T De Silva
University of Colombo School of Computing
2018

Abstract

산사태가 발생하기 쉬운 구릉 지역 근처에서 발생하는 최근 인구 증가 및 개발은 취약성을 증가시킵니다. 기후 변화의 영향은 산사태 위험의 가능성을 더욱 높입니다. 따라서 인명 및 재산 피해를 방지하기 위해서는 불안정한 경사면 거동에 대한 적절한 관찰과 분석이 중요합니다.

산사태 흐름 경로 예측은 산사태 흐름 경로를 결정하는 데 중요하며 위험 매핑의 필수 요소입니다. 그러나 현상의 복잡한 특성과 관련 매개변수의 불확실성으로 인해 흐름 경로 예측은 어려운 작업입니다. 이 작업에서는 Kegalle 지역의 Aranayaka 지역의 주요 산사태 사고를 흐름 경로를 모델링하기 위한 사례 연구로 사용합니다.

위치에서 디지털 고도 모델을 기반으로 잠재적 소스 영역이 식별되었습니다. 확산 영역 평가는 D8 및 다중 방향 흐름 알고리즘이라는 두 가지 흐름 방향 알고리즘을 기반으로 했습니다. 이 프로토타입 모델을 사용하여 사용자는 슬라이드의 최대 너비, 런아웃 거리 및 슬립 표면적과 같은 산사태 관련 통계를 대화식으로 얻을 수 있습니다.

모델에서 얻은 결과는 실제 Aranayaka 산사태 데이터 세트와 해당 지역의 산사태 위험 지도와 비교되었습니다. D8 알고리즘을 사용하여 구현된 도구에서 생성된 산사태 흐름 경로는 65% 이상의 일치를 나타내고 다중 방향 흐름 알고리즘은 실제 흐름 경로 및 기타 관련 통계와 69% 이상의 일치를 나타냅니다.

또한, 생성된 유동 경로 방향과 예상되는 산사태 시작 지점이 실제 산사태 경계 내부에 잘 일치합니다.

Recent population growth and developments taking place close to landslides prone
hilly areas increase their vulnerability. Climate change impacts further raise the
potential of landslide hazard. Therefore, to prevent loss of lives and damage to
property, proper observation and analysis of unstable slope behavior is crucial.
Landslide flow path forecasting is important for determining a landslide flow route and
it is an essential element in hazard mapping. However, due to the complex nature of
the phenomenon and the uncertainties of associated parameters flow path prediction is
a challenging task.
In this work, the major landslide incident at Aranayaka area in Kegalle district is taken
as the case study to model the flow path. At the location, potential source areas were
identified on the basis of the Digital Elevation Model. Spreading area assessment was
based on two flow directional algorithms namely D8 and Multiple Direction Flow
Algorithm. Using this prototype model, a user can interactively get landslide specific
statistics such as the maximum width of the slide, runout distance, and slip surface area.
Results obtained by the model were compared with the actual Aranayaka landslide data
set the landslide hazard map of the area.
Landslide flow paths generated from the implemented tool using D8 algorithm shows
more than 65% agreement and Multiple Direction Flow Algorithm shows more than
69% agreement with the actual flow paths and other related statistics. Also, the
generated flow path directions and predicted possible landslide initiation points fit
inside the actual landslide boundary with good agreement.

Figure 2.1: Types of Landslides[2]
Figure 2.1: Types of Landslides[2]
Figure 2.2: Landslide Glossary [2]
Figure 2.2: Landslide Glossary [2]

References

[1] na, “Landslides 101,” [Online]. Available: https://landslides.usgs.gov/learn/ls101.php.
[Accessed 20 01 2017].
[2] U.S. Department of the Interior, “Landslide Types and Processes,” July 2004. [Online].
Available: https://pubs.usgs.gov/fs/2004/3072/fs-2004-3072.html. [Accessed 20 July 2017].
[3] “Department of conservation,” 2016. [Online]. Available:
http://www.conservation.ca.gov/cgs/geologic_hazards/landslides/Pages/LandslideTypes.aspx.
[Accessed 20 July 2017].
[4] 22nd May 2016, Aerial Survey report on inundation damages and sediment disasters, 2016.
[5] Peter V. Gorsevski, Paul Gessler and Randy B. Foltz, “Spatial Prediction of Landslide
Hazard Using Discriminant Analysis and GIS,” in GIS in the Rockies 2000 Conference and
Workshop Applications for the 21st Century, Denver, Colorado. , 2000.
[6] M. Casadei, W. E. Dietrich and N. L. Miller, “Testing A Model For Predicting The Timing
And Location Of Shallow Landslide Initiation In Soil-Mantled Landscapes,” Earth Surface
Processes and Landforms, vol. 28, p. 925–950, 2003.
[7] Roberto Arnaldo Trancoso Gomes, Renato Fontes, Osmar Abílio de Carvalho Júnior, Nelson
Ferreira and Eurípedes Vargas do Amaral, “Combining Spatial Models for Shallow
Landslides and Debris-Flows Prediction,” Remote Sensing, no. 5, pp. 2219-2237, 2013.
[8] P. Bertolo and G. F. Wieczorek, “Calibration of numerical models for small debris flow in
Yosemite Valley, California, USA,” Documentation and monitoring of landslides and debris
flows for mathematical modelling and design of mitigation measures, 13 December 2005.
[9] T. A. Gebreslassie, “Dynamic simulations of landslide runout in cohesive Soils,” Oslo, 2015.
[10] P. Tarolli and D. G. Tarboton, “A new method for determination of most likely landslide
initiation points and the evaluation of digital terrain model scale in terrain stability mapping,”
Hydrology and Earth System Sciences, no. 10, p. 663–677, 2006.
[11] G.-B. Kim, “Numerical Simulation Of Three-Dimensional Tsunami Generation By Subaerial
Landslides,” 2013.

[12] Giuseppe Formetta, Giovanna Capparelli, and Pasqua, “Evaluating performance of simplified
physically based models for shallow landslide susceptibility,” Hydrol. Earth System, no. 20,
p. 4585–4603, 2016.
[13] F. Dai and C. Lee, “Landslide characteristics and slope instability modeling using GIS,
Lantau Island, Hong Kong,” 2001.
[14] S. McDougall, “Landslide runout analysis — current practice and challenges,” Canadian
Geotechnical Colloquium, vol. 57, pp. 605-620, 2017.
[15] P. Quinn, K. Beven, P. Chevallier And O. Planchon, “The Prediction Of Hillslope Flow Paths
For Distributed Hydrological Modelling Using Digital Terrain Models,” Hydrological
Processes, Vol. Vol. 5, Pp. 59-79, 1991.
[16] V. B., “Comparison of Single and Multiple Flow Direction Algorithm for Computing
Topographic Parameters in Topmodel,” 2000.
[17] J.-f. G. P. T. K. T. Guang-ju ZHAO, “Comparison of two different methods for determining
flow direction in catchment hydrological modeling,” Water Science and Engineering, vol. 2,
no. 4, pp. 1-15, 2009.
[18] D. G. Tarboton, “A New Method For The Determination Of Flow Directions And Upslope
Areas In Grid Digital Elevation Models,” Water Resources Research, Vol. 33, No. 2, P. 33,
309-319.
[19] V. Baumann, “Debris flow susceptibility mapping at a regional scale along the National Road
N7, Argentina,” in CGS Geotechnical Conference, Argentina, 2011.
[20] Q. Z. Petter Pilesjö, “Theoretical Estimation Of Flow Accumulation From A Grid-Based
Digital Elevation Model,” In Proceedings Of Gis Am/Fm Asia’97 And Geoinformatics’97
Conference, Taipei, 1997.
[21] G. A. D. Y. a. C. S. L. John P. WILSON, “Water in the Landscape: A Review of
Contemporary Flow Routing Algorithms,” pp. 213-236.
[22] “MathWorks,” The MathWorks, Inc., [Online]. Available: https://in.mathworks.com/.
[Accessed 1 10 2017].
[23] “What is GIS?,” Esri, [Online]. Available: http://www.esri.com/what-is-gis. [Accessed 12 11
2017].
[24] P. Barrett, “Paul Barrett,” Wikimedia Foundation, Inc, [Online]. Available:
http://www.pbarrett.net/techpapers/euclid.pdf. [Accessed 05 01 2018].

[25] S. S. Gruber, Land-surface parameters and objects in hydrology., Elsevier, 2009.
[26] “Landscape Evolution Modeling with CHILD,” Community Surface Dynamics Modeling
System, [Online]. Available:
http://csdms.colorado.edu/wiki/Labs_Landscape_Evolution_Modeling_With_Child_Part_2.
[Accessed 13 01 2018].
[27] M. Cooper, “Depth Recovery through Linear Algebra,” in Line Drawing Interpretation,
Springer Science & Business Media., p. 118.
[28] A. P. Nicholas, “Cellular modelling in fluvial geomorphology,” in Earth Surface Processes
and Landforms, 2005, p. 645–649.
[29] “Making Successful Maps,” DroneDeploy, [Online]. Available:
https://support.dronedeploy.com/v1.0/docs/making-successful-maps. [Accessed 15 10 2017].
[30] “M_Map:A mapping package for Matlab,” rich@eos.ubc.ca, [Online]. Available:
https://www.eoas.ubc.ca/~rich/map.html. [Accessed 15 01 2018].
[31] P. Dulanjalee, “Landslide Flow Path Assessment for Susceptibility Mapping at a Regional
Scale,” in ‘Investing in Disaster Risk Reduction for Resilience’’- NBRO holds 8th Annual
Symposium, Colombo, 2017.
[32] L. K. a. D. M. E. Boyagoda, ” Subsurface Geotechnical Characterization,” in International
Symposium, NBRO, Colombo, Sri Lanka, 2016.
[33] E. E. Duncan and A. A. Rahman, “An Amalgamation Of 3d Spatial Data Model For Surface
And Subsurface Spatial Objects.,” in Knowing To Manage The Territory, Protect The
Environment, Evaluate The Cultural Heritage, Rome, Italy, 2012.

Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

재료 압출 적층 제조에서 증착된 층의 안정성 및 변형

Md Tusher Mollah Raphaël 사령관 Marcin P. Serdeczny David B. Pedersen Jon Spangenberg덴마크 공과 대학 기계 공학과, Kgs. 덴마크 링비

2020년 12월 22일 접수, 2021년 5월 1일 수정, 2021년 7월 15일 수락, 2021년 7월 21일 온라인 사용 가능, 기록 버전 2021년 8월 17일 .

Abstract

이 문서는 재료 압출 적층 제조 에서 여러 레이어를 인쇄하는 동안 증착 흐름의 전산 유체 역학 시뮬레이션 을 제공합니다 개발된 모델은 증착된 레이어의 형태를 예측하고 점소성 재료 를 인쇄하는 동안 레이어 변형을 캡처합니다 . 물리학은 일반화된 뉴턴 유체 로 공식화된 Bingham 구성 모델의 연속성 및 운동량 방정식에 의해 제어됩니다. . 증착된 층의 단면 모양이 예측되고 재료의 다양한 구성 매개변수에 대해 층의 변형이 연구됩니다. 층의 변형은 인쇄물의 정수압과 압출시 압출압력으로 인한 것임을 알 수 있다. 시뮬레이션에 따르면 항복 응력이 높을수록 변형이 적은 인쇄물이 생성되는 반면 플라스틱 점도 가 높을수록 증착된 레이어에서변형이 커 집니다 . 또한, 인쇄 속도, 압출 속도 의 영향, 층 높이 및 인쇄된 층의 변형에 대한 노즐 직경을 조사합니다. 마지막으로, 이 모델은 후속 인쇄된 레이어의 정수압 및 압출 압력을 지원하기 위해 증착 후 점소성 재료가 요구하는 항복 응력의 필요한 증가에 대한 보수적인 추정치를 제공합니다.

This paper presents computational fluid dynamics simulations of the deposition flow during printing of multiple layers in material extrusion additive manufacturing. The developed model predicts the morphology of the deposited layers and captures the layer deformations during the printing of viscoplastic materials. The physics is governed by the continuity and momentum equations with the Bingham constitutive model, formulated as a generalized Newtonian fluid. The cross-sectional shapes of the deposited layers are predicted, and the deformation of layers is studied for different constitutive parameters of the material. It is shown that the deformation of layers is due to the hydrostatic pressure of the printed material, as well as the extrusion pressure during the extrusion. The simulations show that a higher yield stress results in prints with less deformations, while a higher plastic viscosity leads to larger deformations in the deposited layers. Moreover, the influence of the printing speed, extrusion speed, layer height, and nozzle diameter on the deformation of the printed layers is investigated. Finally, the model provides a conservative estimate of the required increase in yield stress that a viscoplastic material demands after deposition in order to support the hydrostatic and extrusion pressure of the subsequently printed layers.

Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.
Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

키워드

점성 플라스틱 재료, 재료 압출 적층 제조(MEX-AM), 다층 증착, 전산유체역학(CFD), 변형 제어
Viscoplastic Materials, Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM), Multiple-Layers Deposition, Computational Fluid Dynamics (CFD), Deformation Control

Introduction

Three-dimensional printing of viscoplastic materials has grown in popularity over the recent years, due to the success of Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM) [1]. Viscoplastic materials, such as ceramic pastes [2,3], hydrogels [4], thermosets [5], and concrete [6], behave like solids when the applied load is below their yield stress, and like a fluid when the applied load exceeds their yield stress [7]. Viscoplastic materials are typically used in MEX-AM techniques such as Robocasting [8], and 3D concrete printing [9,10]. The differences between these technologies lie in the processing of the material before the extrusion and in the printing scale (from microscale to big area additive manufacturing). In these extrusion-based technologies, the structure is fabricated in a layer-by-layer approach onto a solid surface/support [11, 12]. During the process, the material is typically deposited on top of the previously printed layers that may be already solidified (wet-on-dry printing) or still deformable (wet-on-wet printing) [1]. In wet-on-wet printing, control over the deformation of layers is important for the stability and geometrical accuracy of the prints. If the material is too liquid after the deposition, it cannot support the pressure of the subsequently deposited layers. On the other hand, the material flowability is a necessity during extrusion through the nozzle. Several experimental studies have been performed to analyze the physics of the extrusion and deposition of viscoplastic materials, as reviewed in Refs. [13–16]. The experimental measurements can be supplemented with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations to gain a more complete picture of MEX-AM. A review of the CFD studies within the material processing and deposition in 3D concrete printing was presented by Roussel et al. [17]. Wolfs et al. [18] predicted numerically the failure-deformation of a cylindrical structure due to the self-weight by calculating the stiffness and strength of the individual layers. It was found that the deformations can take place in all layers, however the most critical deformation occurs in the bottom layer. Comminal et al. [19,20] presented three-dimensional simulations of the material deposition in MEX-AM, where the fluid was approximated as Newtonian. Subsequently, the model was experimentally validated in Ref. [21] for polymer-based MEX-AM, and extended to simulate the deposition of multiple layers in Ref. [22], where the previously printed material was assumed solid. Xia et al. [23] simulated the influence of the viscoelastic effects on the shape of deposited layers in MEX-AM. A numerical model for simulating the deposition of a viscoplastic material was recently presented and experimentally validated in Refs. [24] and [25]. These studies focused on predicting the cross-sectional shape of a single printed layer for different processing conditions (relative printing speed, and layer height). Despite these research efforts, a limited number of studies have focused on investigating the material deformations in wet-on-wet printing when multiple layers are deposited on top of each other. This paper presents CFD simulations of the extrusion-deposition flow of a viscoplastic material for several subsequent layers (viz. three- and five-layers). The material is continuously printed one layer over another on a fixed solid surface. The rheology of the viscoplastic material is approximated by the Bingham constitutive equation that is formulated using the Generalized Newtonian Fluid (GNF) model. The CFD model is used to predict the cross-sectional shapes of the layers and their deformations while printing the next layers on top. Moreover, the simulations are used to quantify the extrusion pressure applied by the deposited material on the substrate, and the previously printed layers. Numerically, it is investigated how the process parameters (i.e., the extrusion speed, printing speed, nozzle diameter, and layer height) and the material rheology affect the deformations of the deposited layers. Section 2 describes the methodology of the study. Section 3 presents and discusses the results. The study is summarized and concluded in Section 4.

References

[1] R.A. Buswell, W.R. Leal De Silva, S.Z. Jones, J. Dirrenberger, 3D printing using
concrete extrusion: a roadmap for research, Cem. Concr. Res. 112 (2018) 37–49.
[2] Z. Chen, Z. Li, J. Li, C. Liu, C. Lao, Y. Fu, C. Liu, Y. Li, P. Wang, Y. He, 3D printing of
ceramics: a review, J. Eur. Ceram. Soc. 39 (4) (2019) 661–687.
[3] A. Bellini, L. Shor, S.I. Guceri, New developments in fused deposition modeling of
ceramics, Rapid Prototyp. J. 11 (4) (2005) 214–220.
[4] S. Aktas, D.M. Kalyon, B.M. Marín-Santib´
anez, ˜ J. P´erez-Gonzalez, ´ Shear viscosity
and wall slip behavior of a viscoplastic hydrogel, J. Rheol. 58 (2) (2014) 513–535.
[5] J. Lindahl, A. Hassen, S. Romberg, B. Hedger, P. Hedger Jr., M. Walch, T. Deluca,
W. Morrison, P. Kim, A. Roschli, D. Nuttall, Large-scale Additive Manufacturing
with Reactive Polymers, Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United
States), 2018.
[6] V.N. Nerella, V. Mechtcherine, Studying the printability of fresh concrete for
formwork-free Concrete onsite 3D Printing Technology (CONPrint3D), 3D Concr.
Print. Technol. (2019) 333–347.
[7] C. Tiu, J. Guo, P.H.T. Uhlherr, Yielding behaviour of viscoplastic materials, J. Ind.
Eng. Chem. 12 (5) (2006) 653–662.
[8] B. Dietemann, F. Bosna, M. Lorenz, N. Travitzky, H. Kruggel-Emden, T. Kraft,
C. Bierwisch, Modeling robocasting with smoothed particle hydrodynamics:
printing gapspanning filaments, Addit. Manuf. 36 (2020), 101488.
[9] B. Khoshnevis, R. Russell, H. Kwon, S. Bukkapatnam, Contour crafting – a layered
fabrication, Spec. Issue IEEE Robot. Autom. Mag. 8 (3) (2001) 33–42.
[10] D. Asprone, F. Auricchio, C. Menna, V. Mercuri, 3D printing of reinforced concrete
elements: technology and design approach, Constr. Build. Mater. 165 (2018)
218–231.
[11] J. Jiang, Y. Ma, Path planning strategies to optimize accuracy, quality, build time
and material use in additive manufacturing: a review, Micromachines 11 (7)
(2020) 633.
[12] J. Jiang, A novel fabrication strategy for additive manufacturing processes,
J. Clean. Prod. 272 (2020), 122916.
[13] F. Bos, R. Wolfs, Z. Ahmed, T. Salet, Additive manufacturing of concrete in
construction: potentials and challenges, Virtual Phys. Prototyp. 11 (3) (2016)
209–225.
[14] P. Wu, J. Wang, X. Wang, A critical review of the use of 3-D printing in the
construction industry, Autom. Constr. 68 (2016) 21–31.
[15] T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T. Nguyen, D. Hui, Additive manufacturing
(3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges,
Compos. Part B: Eng. 143 (2018) 172–196.
[16] M. Valente, A. Sibai, M. Sambucci, Extrusion-based additive manufacturing of
concrete products: revolutionizing and remodeling the construction industry,
J. Compos. Sci. 3 (3) (2019) 88.
[17] N. Roussel, J. Spangenberg, J. Wallevik, R. Wolfs, Numerical simulations of
concrete processing: from standard formative casting to additive manufacturing,
Cem. Concr. Res. 135 (2020), 106075.
[18] R.J.M. Wolfs, F.P. Bos, T.A.M. Salet, Early age mechanical behaviour of 3D printed
concrete: numerical modelling and experimental testing, Cem. Concr. Res. 106
(2018) 103–116.
[19] R. Comminal, M.P. Serdeczny, D.B. Pedersen, J. Spangenberg, Numerical modeling
of the strand deposition flow in extrusion-based additive manufacturing, Addit.
Manuf. 20 (2018) 68–76.
[20] R. Comminal, M.P. Serdeczny, D.B. Pedersen, J. Spangenberg, Numerical modeling
of the material deposition and contouring precision in fused deposition modeling,
in Proceedings of the 29th Annual International Solid Freeform Fabrication
Symposium, Austin, TX, USA, 2018, pp. 1855–1864.
[21] M.P. Serdeczny, R. Comminal, D.B. Pedersen, J. Spangenberg, Experimental
validation of a numerical model for the strand shape in material extrusion additive
manufacturing, Addit. Manuf. 24 (2018) 145–153.
[22] M.P. Serdeczny, R. Comminal, D.B. Pedersen, J. Spangenberg, Numerical
simulations of the mesostructure formation in material extrusion additive
manufacturing, Addit. Manuf. 28 (2019) 419–429.
[23] H. Xia, J. Lu, G. Tryggvason, A numerical study of the effect of viscoelastic stresses
in fused filament fabrication, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 346 (2019)
242–259.
[24] R. Comminal, W.R.L. da Silva, T.J. Andersen, H. Stang, J. Spangenberg, Influence
of processing parameters on the layer geometry in 3D concrete printing:
experiments and modelling, in: Proceedings of the Second RILEM International
Conference on Concrete and Digital Fabrication, vol. 28, 2020, pp. 852–862.
[25] R. Comminal, W.R.L. da Silva, T.J. Andersen, H. Stang, J. Spangenberg, Modelling
of 3D concrete printing based on computational fluid dynamics, Cem. Concr. Res.
38 (2020), 106256.
[26] E.C. Bingham, An investigation of the laws of plastic flow, US Bur. Stand. Bull. 13
(1916) 309–352.
[27] N. Casson, A flow equation for pigment-oil suspensions of the printing ink type,
Rheol. Disperse Syst. (1959) 84–104.
[28] W.H. Herschel, R. Bulkley, Konsistenzmessungen von Gummi-Benzollosungen, ¨
Kolloid Z. 39 (1926) 291–300.
[29] “FLOW-3D | We solve The World’s Toughest CFD Problems,” FLOW SCIENCE.
〈https://www.flow3d.com/〉. (Accessed 27 June 2020).
[30] S. Jacobsen, R. Cepuritis, Y. Peng, M.R. Geiker, J. Spangenberg, Visualizing and
simulating flow conditions in concrete form filling using pigments, Constr. Build.
Mater. 49 (2013) 328–342.
[31] E.J. O’Donovan, R.I. Tanner, Numerical study of the Bingham squeeze film
problem, J. Non-Newton. Fluid Mech. 15 (1) (1984) 75–83.
[32] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free
boundaries, J. Comput. Phys. 39 (1) (1981) 201–225.
[33] R. Comminal, J. Spangenberg, J.H. Hattel, Cellwise conservative unsplit advection
for the volume of fluid method, J. Comput. Phys. 283 (2015) 582–608.
[34] A. Negar, S. Nazarian, N.A. Meisel, J.P. Duarte, Experimental prediction of material
deformation in large-scale additive manufacturing of concrete, Addit. Manuf. 37
(2021), 101656.

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
Fig. 1. Modified Timelli mold design.

Characterization of properties of Vanadium, Boron and Strontium addition on HPDC of A360 alloy

A360 합금의 HPDC에 대한 바나듐, 붕소 및 스트론튬 첨가 특성 특성

OzenGursoya
MuratColakb
KazimTurc
DeryaDispinarde

aUniversity of Padova, Department of Management and Engineering, Vicenza, Italy
bUniversity of Bayburt, Mechanical Engineering, Bayburt, Turkey
cAtilim University, Metallurgical and Materials Engineering, Ankara, Turkey
dIstanbul Technical University, Metallurgical and Materials Engineering, Istanbul, Turkey
eCenter for Critical and Functional Materials, ITU, Istanbul, Turkey

ABSTRACT

The demand for lighter weight decreased thickness and higher strength has become the focal point in the
automotive industry. In order to meet such requirements, the addition of several alloying elements has been started to be investigated. In this work, the additions of V, B, and Sr on feedability and tensile properties of A360 has been studied. A mold design that consisted of test bars has been produced. Initially, a simulation was carried out to optimize the runners, filling, and solidification parameters. Following the tests, it was found that V addition revealed the highest UTS but low elongation at fracture, while B addition exhibited visa verse. On the other hand, impact energy was higher with B additions.

더 가벼운 무게의 감소된 두께와 더 높은 강도에 대한 요구는 자동차 산업의 초점이 되었습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 여러 합금 원소의 추가가 조사되기 시작했습니다. 이 연구에서는 A360의 이송성 및 인장 특성에 대한 V, B 및 Sr의 첨가가 연구되었습니다. 시험봉으로 구성된 금형 설계가 제작되었습니다. 처음에는 러너, 충전 및 응고 매개변수를 최적화하기 위해 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시험 결과, V 첨가는 UTS가 가장 높지만 파단 연신율은 낮았고, B 첨가는 visa verse를 나타냈다. 반면에 충격 에너지는 B 첨가에서 더 높았다.

Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics. | Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics.
Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.

References

[1] A. Johanson, Effect of Vanadium on Grain Refinement of Aluminium, Institutt for
materialteknologi, 2013.
[2] D.G. McCartney, Grain refining of aluminium and its alloys using inoculants, Int.
Mater. Rev. 34 (1) (1989) 247–260.
[3] M.T. Di Giovanni, The Influence of Ni and V Trace Elements on the High
Temperature Tensile Properties of A356 Aluminium Foundry Alloy, Institutt for
materialteknologi, 2014.
[4] D. Casari, T.H. Ludwig, M. Merlin, L. Arnberg, G.L. Garagnani, The effect of Ni and
V trace elements on the mechanical properties of A356 aluminium foundry alloy in
as-cast and T6 heat treated conditions, Mater. Sci. Eng., A 610 (2014) 414–426.
[5] D. Casari, T.H. Ludwig, M. Merlin, L. Arnberg, G.L. Garagnani, Impact behavior of
A356 foundry alloys in the presence of trace elements Ni and V, J. Mater. Eng.
Perform. 24 (2) (2015) 894–908.
[6] T.H. Ludwig, P.L. Schaffer, L. Arnberg, Influence of some trace elements on
solidification path and microstructure of Al-Si foundry alloys, Metall. Mater. Trans.
44 (8) (2013) 3783–3796.
[7] H.A. Elhadari, H.A. Patel, D.L. Chen, W. Kasprzak, Tensile and fatigue properties of
a cast aluminum alloy with Ti, Zr and V additions, Mater. Sci. Eng., A 528 (28)
(2011) 8128–8138.
[8] Y. Wu, H. Liao, K. Zhou, “Effect of minor addition of vanadium on mechanical
properties and microstructures of as-extruded near eutectic Al–Si–Mg alloy, Mater.
Sci. Eng., A 602 (2014) 41–48.
[9] E.S. Dæhlen, The Effect of Vanadium on AlFeSi-Intermetallic Phases in a
Hypoeutectic Al-Si Foundry Alloy, Institutt for materialteknologi, 2013.
[10] B. Lin, H. Li, R. Xu, H. Xiao, W. Zhang, S. Li, Effects of vanadium on modification of
iron-rich intermetallics and mechanical properties in A356 cast alloys with 1.5 wt.
% Fe, J. Mater. Eng. Perform. 28 (1) (2019) 475–484.
[11] P.A. Tøndel, G. Halvorsen, L. Arnberg, Grain refinement of hypoeutectic Al-Si
foundry alloys by addition of boron containing silicon metal, Light Met. (1993)
783.
[12] Z. Chen, et al., Grain refinement of hypoeutectic Al-Si alloys with B, Acta Mater.
120 (2016) 168–178.
[13] T. Wang, Z. Chen, H. Fu, J. Xu, Y. Fu, T. Li, “Grain refining potency of Al–B master
alloy on pure aluminum, Scripta Mater. 64 (12) (2011) 1121–1124.
[14] M. Gorny, ´ G. Sikora, M. Kawalec, Effect of titanium and boron on the stability of
grain refinement of Al-Cu alloy, Arch. Foundry Eng. 16 (2016).
[15] O. ¨ Gürsoy, E. Erzi, D. Dıs¸pınar, Ti grain refinement myth and cleanliness of A356
melt, in: Shape Casting, Springer, 2019, pp. 125–130.
[16] D. Dispinar, A. Nordmark, J. Voje, L. Arnberg, Influence of hydrogen content and
bi-film index on feeding behaviour of Al-7Si, in: 138th TMS Annual Meeting, Shape
Casting, 3rd International Symposium, San Francisco, California, USA, 2009,
pp. 63–70. February 2009.
[17] M. Uludag, ˘ R. Çetin, D. Dıs¸pınar, Observation of hot tearing in Sr-B modified A356
alloy, Arch. Foundry Eng. 17 (2017).
[18] X.L. Cui, Y.Y. Wu, T. Gao, X.F. Liu, “Preparation of a novel Al–3B–5Sr master alloy
and its modification and refinement performance on A356 alloy, J. Alloys Compd.
615 (2014) 906–911.
[19] F. Wang, Z. Liu, D. Qiu, J.A. Taylor, M.A. Easton, M.-X. Zhang, Revisiting the role
of peritectics in grain refinement of Al alloys, Acta Mater. 61 (1) (2013) 360–370.
[20] M. Akhtar, A. Khajuria, Effects of prior austenite grain size on impression creep and
microstructure in simulated heat affected zones of boron modified P91 steels,
Mater. Chem. Phys. 249 (2020) 122847.
[21] M. Akhtar, A. Khajuria, Probing true creep-hardening interaction in weld simulated
heat affected zone of P91 steels, J. Manuf. Process. 46 (2019) 345–356.
[22] E.M. Schulson, T.P. Weihs, I. Baker, H.J. Frost, J.A. Horton, Grain boundary
accommodation of slip in Ni3Al containing boron, Acta Metall. 34 (7) (1986)
1395–1399.
[23] I. Baker, E.M. Schulson, J.R. Michael, The effect of boron on the chemistry of grain
boundaries in stoichiometric Ni3Al, Philos. Mag. A B 57 (3) (Mar. 1988) 379–385.
[24] S. Zhu, et al., Influences of nickel and vanadium impurities on microstructure of
aluminum alloys, JOM (J. Occup. Med.) 65 (5) (2013) 584–592.
[25] D.J. Beerntsen, Effect of vanadium and zirconium on the formation of CrAI 7
primary crystals in 7075 aluminum alloy, Metall. Mater. Trans. B 8 (3) (1977)
687–688.
[26] G. Timelli, A. Fabrizi, S. Capuzzi, F. Bonollo, S. Ferraro, The role of Cr additions
and Fe-rich compounds on microstructural features and impact toughness of
AlSi9Cu3 (Fe) diecasting alloys, Mater. Sci. Eng., A 603 (2014) 58–68.
[27] S. Kirtay, D. Dispinar, Effect of ranking selection on the Weibull modulus
estimation, Gazi Univ. J. Sci. 25 (1) (2012) 175–187.
[28] J. Rakhmonov, G. Timelli, F. Bonollo, “The effect of transition elements on hightemperature mechanical properties of Al–Si foundry alloys–A review, Adv. Eng.
Mater. 18 (7) (2016) 1096–1105.

Fig. 5. The predicted shapes of initial breach (a) Rectangular (b) V-notch. Fig. 6. Dam breaching stages.

Investigating the peak outflow through a spatial embankment dam breach

공간적 제방댐 붕괴를 통한 최대 유출량 조사

Mahmoud T.GhonimMagdy H.MowafyMohamed N.SalemAshrafJatwaryFaculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt

Abstract

Investigating the breach outflow hydrograph is an essential task to conduct mitigation plans and flood warnings. In the present study, the spatial dam breach is simulated by using a three-dimensional computational fluid dynamics model, FLOW-3D. The model parameters were adjusted by making a comparison with a previous experimental model. The different parameters (initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes) are studied to investigate their effects on dam breaching. The results indicate that these parameters have a significant impact. The maximum erosion rate and peak outflow for the rectangular shape are higher than those for the V-notch by 8.85% and 5%, respectively. Increasing breach width or decreasing depth by 5% leads to increasing maximum erosion rate by 11% and 15%, respectively. Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow and maximum erosion rate by 2.0% and 6.0%, respectively.

유출 유출 수문곡선을 조사하는 것은 완화 계획 및 홍수 경보를 수행하는 데 필수적인 작업입니다. 본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델인 FLOW-3D를 사용하여 공간 댐 붕괴를 시뮬레이션합니다. 이전 실험 모델과 비교하여 모델 매개변수를 조정했습니다.

다양한 매개변수(초기 붕괴 형태, 치수, 위치 및 댐 경사)가 댐 붕괴에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구됩니다. 결과는 이러한 매개변수가 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 직사각형 형태의 최대 침식율과 최대 유출량은 V-notch보다 각각 8.85%, 5% 높게 나타났습니다.

위반 폭을 늘리거나 깊이를 5% 줄이면 최대 침식률이 각각 11% 및 15% 증가합니다. 하류 경사각을 4° 증가시키면 최대 유출량과 최대 침식률이 각각 2.0% 및 6.0% 증가합니다.

Keywords

Spatial dam breach; FLOW-3D; Overtopping erosion; Computational fluid dynamics (CFD)

1. Introduction

There are many purposes for dam construction, such as protection from flood disasters, water storage, and power generationEmbankment failures may have a catastrophic impact on lives and infrastructure in the downstream regions. One of the most common causes of embankment dam failure is overtopping. Once the overtopping of the dam begins, the breach formation will start in the dam body then end with the dam failure. This failure occurs within a very short time, which threatens to be very dangerous. Therefore, understanding and modeling the embankment breaching processes is essential for conducting mitigation plans, flood warnings, and forecasting flood damage.

The analysis of the dam breaching process is implemented by different techniques: comparative methods, empirical models with dimensional and dimensionless solutions, physical-based models, and parametric models. These models were described in detail [1]. Parametric modeling is commonly used to simulate breach growth as a time-dependent linear process and calculate outflow discharge from the breach using hydraulics principles [2]. Alhasan et al. [3] presented a simple one-dimensional mathematical model and a computer code to simulate the dam breaching process. These models were validated by small dams breaching during the floods in 2002 in the Czech Republic. Fread [4] developed an erosion model (BREACH) based on hydraulics principles, sediment transport, and soil mechanics to estimate breach size, time of formation, and outflow discharge. Říha et al. [5] investigated the dam break process for a cascade of small dams using a simple parametric model for piping and overtopping erosion, as well as a 2D shallow-water flow model for the flood in downstream areas. Goodarzi et al. [6] implemented mathematical and statistical methods to assess the effect of inflows and wind speeds on the dam’s overtopping failure.

Dam breaching studies can be divided into two main modes of erosion. The first mode is called “planar dam breach” where the flow overtops the whole dam width. While the second mode is called “spatial dam breach” where the flow overtops through the initial pilot channel (i.e., a channel created in the dam body). Therefore, the erosion will be in both vertical and horizontal directions [7].

The erosion process through the embankment dams occurs due to the shear stress applied by water flows. The dam breaching evolution can be divided into three stages [8], [9], but Y. Yang et al. [10] divided the breach development into five stages: Stage I, the seepage erosion; Stage II, the initial breach formation; Stage III, the head erosion; Stage IV, the breach expansion; and Stage V, the re-equilibrium of the river channel through the breach. Many experimental tests have been carried out on non-cohesive embankment dams with an initial breach to examine the effect of upstream inflow discharges on the longitudinal profile evolution and the time to inflection point [11].

Zhang et al. [12] studied the effect of changing downstream slope angle, sediment grain size, and dam crest length on erosion rates. They noticed that increasing dam crest length and decreasing downstream slope angle lead to decreasing sediment transport rate. While the increase in sediment grain size leads to an increased sediment transport rate at the initial stages. Höeg et al. [13] presented a series of field tests to investigate the stability of embankment dams made of various materials. Overtopping and piping were among the failure tests carried out for the dams composed of homogeneous rock-fill, clay, or gravel with a height of up to 6.0 m. Hakimzadeh et al. [14] constructed 40 homogeneous cohesive and non-cohesive embankment dams to study the effect of changing sediment diameter and dam height on the breaching process. They also used genetic programming (GP) to estimate the breach outflow. Refaiy et al. [15] studied different scenarios for the downstream drain geometry, such as length, height, and angle, to minimize the effect of piping phenomena and therefore increase dam safety.

Zhu et al. [16] examined the effect of headcut erosion on dam breach growth, especially in the case of cohesive dams. They found that the breach growth in non-cohesive embankments is slower than cohesive embankments due to the little effect of headcut. Schmocker and Hager [7] proposed a relationship for estimating peak outflow from the dam breach process.(1)QpQin-1=1.7exp-20hc23d5013H0

where: Qp = peak outflow discharge.

Qin = inflow discharge.

hc = critical flow depth.

d50 = mean sediment diameter.

Ho = initial dam height.

Yu et al. [17] carried out an experimental study for homogeneous non-cohesive embankment dams in a 180° bending rectangular flume to determine the effect of overtopping flows on breaching formation. They found that the main factors influencing breach formation are water level, river discharge, and embankment material diameter.

Wu et al. [18] carried out a series of experiments to investigate the effect of breaching geometry on both non-cohesive and cohesive embankment dams in a U-bend flume due to overtopping flows. In the case of non-cohesive embankments, the non-symmetrical lateral expansion was noticed during the breach formation. This expansion was described by a coefficient ranging from 2.7 to 3.3.

The numerical models of the dam breach can be categorized according to different parameters, such as flow dimensions (1D, 2D, or 3D), flow governing equations, and solution methods. The 1D models are mainly used to predict the outflow hydrograph from the dam breach. Saberi et al. [19] applied the 1D Saint-Venant equation, which is solved by the finite difference method to investigate the outflow hydrograph during dam overtopping failure. Because of the ability to study dam profile evolution and breach formation, 2D models are more applicable than 1D models. Guan et al. [20] and Wu et al. [21] employed both 2D shallow water equations (SWEs) and sediment erosion equations, which are solved by the finite volume method to study the effect of the dam’s geometry parameters on outflow hydrograph and dam profile evolution. Wang et al. [22] also proposed a second-order hybrid-type of total variation diminishing (TVD) finite-difference to estimate the breach outflow by solving the 2D (SWEs). The accuracy of (SWEs) for both vertical flow contraction and surface roughness has been assessed [23]. They noted that the accuracy of (SWEs) is acceptable for milder slopes, but in the case of steeper slopes, modelers should be more careful. Generally, the accuracy of 2D models is still low, especially with velocity distribution over the flow depth, lateral momentum exchange, density-driven flows, and bottom friction [24]. Therefore, 3D models are preferred. Larocque et al. [25] and Yang et al. [26] started to use three-dimensional (3D) models that depend on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations.

Previous experimental studies concluded that there is no clear relationship between the peak outflow from the dam breach and the initial breach characteristics. Some of these studies depend on the sharp-crested weir fixed at the end of the flume to determine the peak outflow from the breach, which leads to a decrease in the accuracy of outflow calculations at the microscale. The main goals of this study are to carry out a numerical simulation for a spatial dam breach due to overtopping flows by using (FLOW-3D) software to find an empirical equation for the peak outflow discharge from the breach and determine the worst-case that leads to accelerating the dam breaching process.

2. Numerical simulation

The current study for spatial dam breach is simulated by using (FLOW-3D) software [27], which is a powerful computational fluid dynamics (CFD) program.

2.1. Geometric presentations

A stereolithographic (STL) file is prepared for each change in the initial breach geometry and dimensions. The CAD program is useful for creating solid objects and converting them to STL format, as shown in Fig. 1.

2.2. Governing equations

The governing equations for water flow are three-dimensional Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS).

The continuity equation:(2)∂ui∂xi=0

The momentum equation:(3)∂ui∂t+1VFuj∂ui∂xj=1ρ∂∂xj-pδij+ν∂ui∂xj+∂uj∂xi-ρu`iu`j¯

where u is time-averaged velocity,ν is kinematic viscosity, VF is fractional volume open to flow, p is averaged pressure and -u`iu`j¯ are components of Reynold’s stress. The Volume of Fluid (VOF) technique is used to simulate the free surface profile. Hirt et al. [28] presented the VOF algorithm, which employs the function (F) to express the occupancy of each grid cell with fluid. The value of (F) varies from zero to unity. Zero value refers to no fluid in the grid cell, while the unity value refers to the grid cell being fully occupied with fluid. The free surface is formed in the grid cells having (F) values between zero and unity.(4)∂F∂t+1VF∂∂xFAxu+∂∂yFAyv+∂∂zFAzw=0

where (u, v, w) are the velocity components in (x, y, z) coordinates, respectively, and (AxAyAz) are the area fractions.

2.3. Boundary and initial conditions

To improve the accuracy of the results, the boundary conditions should be carefully determined. In this study, two mesh blocks are used to minimize the time consumed in the simulation. The boundary conditions for mesh block 1 are as follows: The inlet and sides boundaries are defined as a wall boundary condition (wall boundary condition is usually used for bound fluid by solid regions. In the case of viscous flows, no-slip means that the tangential velocity is equal to the wall velocity and the normal velocity is zero), the outlet is defined as a symmetry boundary condition (symmetry boundary condition is usually used to reduce computational effort during CFD simulation. This condition allows the flow to be transferred from one mesh block to another. No inputs are required for this boundary condition except that its location should be defined accurately), the bottom boundary is defined as a uniform flow rate boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure. The boundary conditions for mesh block 2 are as follows: The inlet is defined as a symmetry boundary condition, the outlet is defined as a free flow boundary condition, the bottom and sides boundaries are defined as a wall boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure as shown in Fig. 2. The initial conditions required to be set for the fluid (i.e., water) inside of the domain include configuration, temperature, velocities, and pressure distribution. The configuration of water depends on the dimensions and shape of the dam reservoir. While the other conditions have been assigned as follows: temperature is normal water temperature (25 °c) and pressure distribution is hydrostatic with no initial velocity.

2.4. Numerical method

FLOW-3D uses the finite volume method (FVM) to solve the governing equation (Reynolds-averaged Navier-Stokes) over the computational domain. A finite-volume method is an Eulerian approach for representing and evaluating partial differential equations in algebraic equations form [29]. At discrete points on the mesh geometry, values are determined. Finite volume expresses a small volume surrounding each node point on a mesh. In this method, the divergence theorem is used to convert volume integrals with a divergence term to surface integrals. After that, these terms are evaluated as fluxes at each finite volume’s surfaces.

2.5. Turbulent models

Turbulence is the chaotic, unstable motion of fluids that occurs when there are insufficient stabilizing viscous forces. In FLOW-3D, there are six turbulence models available: the Prandtl mixing length model, the one-equation turbulent energy model, the two-equation (k – ε) model, the Renormalization-Group (RNG) model, the two-equation (k – ω) models, and a large eddy simulation (LES) model. For simulating flow motion, the RNG model is adopted to simulate the motion behavior better than the k – ε and k – ω.

models [30]. The RNG model consists of two main equations for the turbulent kinetic energy KT and its dissipation.εT(5)∂kT∂t+1VFuAx∂kT∂x+vAy∂kT∂y+wAz∂kT∂z=PT+GT+DiffKT-εT(6)∂εT∂t+1VFuAx∂εT∂x+vAy∂εT∂y+wAz∂εT∂z=C1.εTKTPT+c3.GT+Diffε-c2εT2kT

where KT is the turbulent kinetic energy, PT is the turbulent kinetic energy production, GT is the buoyancy turbulence energy, εT is the turbulent energy dissipation rate, DiffKT and Diffε are terms of diffusion, c1, c2 and c3 are dimensionless parameters, in which c1 and c3 have a constant value of 1.42 and 0.2, respectively, c2 is computed from the turbulent kinetic energy (KT) and turbulent production (PT) terms.

2.6. Sediment scour model

The sediment scour model available in FLOW-3D can calculate all the sediment transport processes including Entrainment transport, Bedload transport, Suspended transport, and Deposition. The erosion process starts once the water flows remove the grains from the packed bed and carry them into suspension. It happens when the applied shear stress by water flows exceeds critical shear stress. This process is represented by entrainment transport in the numerical model. After entrained, the grains carried by water flow are represented by suspended load transport. After that, some suspended grains resort to settling because of the combined effect of gravity, buoyancy, and friction. This process is described through a deposition. Finally, the grains sliding motions are represented by bedload transport in the model. For the entrainment process, the shear stress applied by the fluid motion on the packed bed surface is calculated using the standard wall function as shown in Eq.7.(7)ks,i=Cs,i∗d50

where ks,i is the Nikuradse roughness and Cs,i is a user-defined coefficient. The critical bed shear stress is defined by a dimensionless parameter called the critical shields number as expressed in Eq.8.(8)θcr,i=τcr,i‖g‖diρi-ρf

where θcr,i is the critical shields number, τcr,i is the critical bed shear stress, g is the absolute value of gravity acceleration, di is the diameter of the sediment grain, ρi is the density of the sediment species (i) and ρf is the density of the fluid. The value of the critical shields number is determined according to the Soulsby-Whitehouse equation.(9)θcr,i=0.31+1.2d∗,i+0.0551-exp-0.02d∗,i

where d∗,i is the dimensionless diameter of the sediment, given by Eq.10.(10)d∗,i=diρfρi-ρf‖g‖μf213

where μf is the fluid dynamic viscosity. For the sloping bed interface, the value of the critical shields number is modified according to Eq.11.(11)θ`cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2φi-sin2ψsin2βtanφi

where θ`cr,i is the modified critical shields number, φi is the angle of repose for the sediment, β is the angle of bed slope and ψ is the angle between the flow and the upslope direction. The effects of the rolling, hopping, and sliding motions of grains along the packed bed surface are taken by the bedload transport process. The volumetric bedload transport rate (qb,i) per width of the bed is expressed in Eq.12.(12)qb,i=Φi‖g‖ρi-ρfρfdi312

where Φi is the dimensionless bedload transport rate is calculated by using Meyer Peter and Müller equation.(13)Φi=βMPM,iθi-θ`cr,i1.5cb,i

where βMPM,i is the Meyer Peter and Müller user-defined coefficient and cb,i is the volume fraction of species i in the bed material. The suspended load transport is calculated as shown in Eq.14.(14)∂Cs,i∂t+∇∙Cs,ius,i=∇∙∇DCs,i

where Cs,i is the suspended sediment mass concentration, D is the diffusivity, and us,i is the grain velocity of species i. Entrainment and deposition are two opposing processes that take place at the same time. The lifting and settling velocities for both entrainment and deposition processes are calculated according to Eq.15 and Eq.16, respectively.(15)ulifting,i=αid∗,i0.3θi-θ`cr,igdiρiρf-1(16)usettling,i=υfdi10.362+1.049d∗,i3-10.36

where αi is the entrainment coefficient of species i and υf is the kinematic viscosity of the fluid.

2.7. Grid type

Using simple rectangular orthogonal elements in planes and hexahedral in volumes in the (FLOW-3D) program makes the mesh generation process easier, decreases the required memory, and improves numerical accuracy. Two mesh blocks were used in a joined form with a size ratio of 2:1. The first mesh block is coarser, which contains the reservoir water, and the second mesh block is finer, which contains the dam. For achieving accuracy and efficiency in results, the mesh size is determined by using a grid convergence test. The optimum uniform cell size for the first mesh block is 0.012 m and for the second mesh block is 0.006 m.

2.8. Time step

The maximum time step size is determined by using a Courant number, which controls the distance that the flow will travel during the simulation time step. In this study, the Courant number was taken equal to 0.25 to prevent the flow from traveling through more than one cell in the time step. Based on the Courant number, a maximum time step value of 0.00075 s was determined.

2.9. Numerical model validation

The numerical model accuracy was achieved by comparing the numerical model results with previous experimental results. The experimental study of Schmocker and Hager [7] was based on 31 tests with changes in six parameters (d50, Ho, Bo, Lk, XD, and Qin). All experimental tests were conducted in a straight open glass-sided flume. The horizontal flume has a rectangular cross-section with a width of 0.4 m and a height of 0.7 m. The flume was provided with a flow straightener and an intake with a length of 0.66 m. All tested dams were inserted at various distances (XD) from the intake. Test No.1 from this experimental program was chosen to validate the numerical model. The different parameters used in test No.1 are as follows:

(1) uniform sediment with a mean diameter (d50 = 0.31 mm), (2) Ho = 0.2 m, (3) Bo = 0.2 m, (4) Lk = 0.1 m,

(5) XD = 1.0 m, (6) Qin = 6.0 lit/s, (7) Su and Sd = 2:1, (8) mass density (ρs = 2650 kg/m3(9) Homogenous and non-cohesive embankment dam. As shown in Fig. 2, the simulation is contained within a rectangular grid with dimensions: 3.56 m in the x-direction (where 0.66 m is used as inlet, 0.9 m as dam base width, and 1.0 m as outlet), in y-direction 0.2 m (dam length), and in the z-direction 0.3 m, which represents the dam height (0.2 m) with a free distance (0.1 m) above the dam. There are two main reasons that this experimental program is preferred for the validation process. The first reason is that this program deals with homogenous, non-cohesive soil, which is available in FLOW-3D. The second reason is that this program deals with small-scale models which saves time for numerical simulation. Finally, some important assumptions were considered during the validation process. The flow is assumed to be incompressible, viscous, turbulent, and three-dimensional.

By comparing dam profiles at different time instants for the experimental test with the current numerical model, it appears that the numerical model gives good agreement as shown in Fig. 3 and Fig. 4, with an average error percentage of 9% between the experimental results and the numerical model.

3. Analysis and discussions

The current model is used to study the effects of different parameters such as (initial breach shapes, dimensions, locations, upstream and downstream dam slopes) on the peak outflow discharge, QP, time of peak outflow, tP, and rate of erosion, E.

This study consists of a group of scenarios. The first scenario is changing the shapes of the initial breach according to Singh [1], the most predicted shapes are rectangular and V-notch as shown in Fig. 5. The second scenario is changing the initial breach dimensions (i.e., width and depth). While the third scenario is changing the location of the initial breach. Eventually, the last scenario is changing the upstream and downstream dam slopes.

All scenarios of this study were carried out under the same conditions such as inflow discharge value (Qin=1.0lit/s), dimensions of the tested dam, where dam height (Ho=0.20m), crest width.

(Lk=0.1m), dam length (Bo=0.20m), and homogenous & non-cohesive soil with a mean diameter (d50=0.31mm).

3.1. Dam breaching process evolution

The dam breaching process is a very complex process due to the quick changes in hydrodynamic conditions during dam failure. The dam breaching process starts once water flows reach the downstream face of the dam. During the initial stage of dam breaching, the erosion process is relatively quiet due to low velocities of flow. As water flows continuously, erosion rates increase, especially in two main zones: the crest and the downstream face. As soon as the dam crest is totally eroded, the water levels in the dam reservoir decrease rapidly, accompanied by excessive erosion in the dam body. The erosion process continues until the water levels in the dam reservoir equal the remaining height of the dam.

According to Zhou et al. [11], the breaching process consists of three main stages. The first stage starts with beginning overtopping flow, then ends when the erosion point directed upstream and reached the inflection point at the inflection time (ti). The second stage starts from the end of the stage1 until the occurrence of peak outflow discharge at the peak outflow time (tP). The third stage starts from the end of the stage2 until the value of outflow discharge becomes the same as the value of inflow discharge at the final time (tf). The outflow discharge from the dam breach increases rapidly during stage1 and stage2 because of the large dam storage capacity (i.e., the dam reservoir is totally full of water) and excessive erosion. While at stage3, the outflow values start to decrease slowly because most of the dam’s storage capacity was run out. The end of stage3 indicates that the dam storage capacity was totally run out, so the outflow equalized with the inflow discharge as shown in Fig. 6 and Fig. 7.

3.2. The effect of initial breach shape

To identify the effect of the initial breach shape on the evolution of the dam breaching process. Three tests were carried out with different cross-section areas for each shape. The initial breach is created at the center of the dam crest. Each test had an ID to make the process of arranging data easier. The rectangular shape had an ID (Rec5h & 5b), which means that its depth and width are equal to 5% of the dam height, and the V-notch shape had an ID (V-noch5h & 1:1) which means that its depth is equal to 5% of the dam height and its side slope is equal to 1:1. The comparison between rectangular and V-notch shapes is done by calculating the ratio between maximum dam height at different times (ZMax) to the initial dam height (Ho), rate of erosion, and hydrograph of outflow discharge for each test. The rectangular shape achieves maximum erosion rate and minimum inflection time, in addition to a rapid decrease in the dam reservoir levels. Therefore, the dam breaching is faster in the case of a rectangular shape than in a V-notch shape, which has the same cross-section area as shown in Fig. 8.

Also, by comparing the hydrograph for each test, the peak outflow discharge value in the case of a rectangular shape is higher than the V-notch shape by 5% and the time of peak outflow for the rectangular shape is shorter than the V-notch shape by 9% as shown in Fig. 9.

3.3. The effect of initial breach dimensions

The results of the comparison between the different initial breach shapes indicate that the worst initial breach shape is rectangular, so the second scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial rectangular breach dimensions. Groups of tests were carried out with different depths and widths for the rectangular initial breach. The first group had a depth of 5% from the dam height and with three different widths of 5,10, and 15% from the dam height, the second group had a depth of 10% with three different widths of 5,10, and 15%, the third group had a depth of 15% with three different widths of 5,10, and 15% and the final group had a width of 15% with three different heights of 5, 10, and 15% for a rectangular breach shape. The comparison was made as in the previous section to determine the worst case that leads to the quick dam failure as shown in Fig. 10.

The results show that the (Rec 5 h&15b) test achieves a maximum erosion rate for a shorter period of time and a minimum ratio for (Zmax / Ho) as shown in Fig. 10, which leads to accelerating the dam failure process. The dam breaching process is faster with the minimum initial breach depth and maximum initial breach width. In the case of a minimum initial breach depth, the retained head of water in the dam reservoir is high and the crest width at the bottom of the initial breach (L`K) is small, so the erosion point reaches the inflection point rapidly. While in the case of the maximum initial breach width, the erosion perimeter is large.

3.4. The effect of initial breach location

The results of the comparison between the different initial rectangular breach dimensions indicate that the worst initial breach dimension is (Rec 5 h&15b), so the third scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial breach location. Three locations were checked to determine the worst case for the dam failure process. The first location is at the center of the dam crest, which was named “Center”, the second location is at mid-distance between the dam center and dam edge, which was named “Mid”, and the third location is at the dam edge, which was named “Edge” as shown in Fig. 11. According to this scenario, the results indicate that the time of peak outflow discharge (tP) is the same in the three cases, but the maximum value of the peak outflow discharge occurs at the center location. The difference in the peak outflow values between the three cases is relatively small as shown in Fig. 12.

The rates of erosion were also studied for the three cases. The results show that the maximum erosion rate occurs at the center location as shown in Fig. 13. By making a comparison between the three cases for the dam storage volume. The results show that the center location had the minimum values for the dam storage volume, which means that a large amount of water has passed to the downstream area as shown in Fig. 14. According to these results, the center location leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the two other cases. Because the erosion occurs on both sides, but in the case of edge location, the erosion occurs on one side.

3.5. The effect of upstream and downstream dam slopes

The results of the comparison between the different initial rectangular breach locations indicate that the worst initial breach location is the center location, so the fourth scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the upstream (Su) and downstream (Sd) dam slopes. Three slopes were checked individually for both upstream and downstream slopes to determine the worst case for the dam failure process. The first slope value is (2H:1V), the second slope value is (2.5H:1V), and the third slope value is (3H:1V). According to this scenario, the results show that the decreasing downstream slope angle leads to increasing time of peak outflow discharge (tP) and decreasing value of peak outflow discharge. The difference in the peak outflow values between the three cases for the downstream slope is 2%, as shown in Fig. 15, but changing the upstream slope has a negligible impact on the peak outflow discharge and its time as shown in Fig. 16.

The rates of erosion were also studied in the three cases for both upstream and downstream slopes. The results show that the maximum erosion rate increases by 6.0% with an increasing downstream slope angle by 4°, as shown in Fig. 17. The results also indicate that the erosion rates aren’t affected by increasing or decreasing the upstream slope angle, as shown in Fig. 18. According to these results, increasing the downstream slope angle leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the upstream slope angle. Because of increasing shear stress applied by water flows in case of increasing downstream slope.

According to all previous scenarios, the dimensionless peak outflow discharge QPQin is presented for a fixed dam height (Ho) and inflow discharge (Qin). Fig. 19 illustrates the relationship between QP∗=QPQin and.

Lr=ho2/3∗bo2/3Ho. The deduced relationship achieves R2=0.96.(17)QP∗=2.2807exp-2.804∗Lr

4. Conclusions

A spatial dam breaching process was simulated by using FLOW-3D Software. The validation process was performed by making a comparison between the simulated results of dam profiles and the dam profiles obtained by Schmocker and Hager [7] in their experimental study. And also, the peak outflow value recorded an error percentage of 12% between the numerical model and the experimental study. This model was used to study the effect of initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes on peak outflow discharge, time of peak outflow, and the erosion process. By using the parameters obtained from the validation process, the results of this study can be summarized in eight points as follows.1.

The rectangular initial breach shape leads to an accelerating dam failure process compared with the V-notch.2.

The value of peak outflow discharge in the case of a rectangular initial breach is higher than the V-notch shape by 5%.3.

The time of peak outflow discharge for a rectangular initial breach is shorter than the V-notch shape by 9%.4.

The minimum depth and maximum width for the initial breach achieve maximum erosion rates (increasing breach width, b0, or decreasing breach depth, h0, by 5% from the dam height leads to an increase in the maximum rate of erosion by 11% and 15%, respectively), so the dam failure is rapid.5.

The center location of the initial breach leads to an accelerating dam failure compared with the edge location.6.

The initial breach location has a negligible effect on the peak outflow discharge value and its time.7.

Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow discharge and maximum rate of erosion by 2.0% and 6.0%, respectively.8.

The upstream slope has a negligible effect on the dam breaching process.

References

  1. V. SinghDam breach modeling technologySpringer Science & Business Media (1996)Google Scholar
  2. Wahl TL. Prediction of embankment dam breach parameters: a literature review and needs assessment. 1998.
  3. Z. Alhasan, J. Jandora, J. ŘíhaStudy of dam-break due to overtopping of four small dams in the Czech RepublicActa Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 63 (3) (2015), pp. 717-729 
  4. D. FreadBREACH, an erosion model for earthen dam failures: Hydrologic Research LaboratoryNOAA, National Weather Service (1988)
  5. J. Říha, S. Kotaška, L. PetrulaDam Break Modeling in a Cascade of Small Earthen Dams: Case Study of the Čižina River in the Czech RepublicWater, 12 (8) (2020), p. 2309, 10.3390/w12082309
  6. E. Goodarzi, L. Teang Shui, M. ZiaeiDam overtopping risk using probabilistic concepts–Case study: The Meijaran DamIran Ain Shams Eng J, 4 (2) (2013), pp. 185-197
  7. L. Schmocker, W.H. HagerPlane dike-breach due to overtopping: effects of sediment, dike height and dischargeJ Hydraul Res, 50 (6) (2012), pp. 576-586 
  8. J.S. Walder, R.M. Iverson, J.W. Godt, M. Logan, S.A. SolovitzControls on the breach geometry and flood hydrograph during overtopping of noncohesive earthen damsWater Resour Res, 51 (8) (2015), pp. 6701-6724
  9. H. Wei, M. Yu, D. Wang, Y. LiOvertopping breaching of river levees constructed with cohesive sedimentsNat Hazards Earth Syst Sci, 16 (7) (2016), pp. 1541-1551
  10. Y. Yang, S.-Y. Cao, K.-J. Yang, W.-P. LiYang K-j, Li W-p. Experimental study of breach process of landslide dams by overtopping and its initiation mechanismsJ Hydrodynamics, 27 (6) (2015), pp. 872-883
  11. G.G.D. Zhou, M. Zhou, M.S. Shrestha, D. Song, C.E. Choi, K.F.E. Cui, et al.Experimental investigation on the longitudinal evolution of landslide dam breaching and outburst floodsGeomorphology, 334 (2019), pp. 29-43
  12. J. Zhang, Z.-x. Guo, S.-y. CaoYang F-g. Experimental study on scour and erosion of blocked damWater Sci Eng, 5 (2012), pp. 219-229
  13. K. Höeg, A. Løvoll, K. VaskinnStability and breaching of embankment dams: Field tests on 6 m high damsInt J Hydropower Dams, 11 (2004), pp. 88-92
  14. H. Hakimzadeh, V. Nourani, A.B. AminiGenetic programming simulation of dam breach hydrograph and peak outflow dischargeJ Hydrol Eng, 19 (4) (2014), pp. 757-768
  15. A.R. Refaiy, N.M. AboulAtta, N.Y. Saad, D.A. El-MollaModeling the effect of downstream drain geometry on seepage through earth damsAin Shams Eng J, 12 (3) (2021), pp. 2511-2531
  16. Y. Zhu, P.J. Visser, J.K. Vrijling, G. WangExperimental investigation on breaching of embankmentsScience China Technological Sci, 54 (1) (2011), pp. 148-155
  17. M.-H. Yu, H.-Y. Wei, Y.-J. Liang, Y. ZhaoInvestigation of non-cohesive levee breach by overtopping flowJ Hydrodyn, 25 (4) (2013), pp. 572-579
  18. S. Wu, M. Yu, H. Wei, Y. Liang, J. ZengNon-symmetrical levee breaching processes in a channel bend due to overtoppingInt J Sedim Res, 33 (2) (2018), pp. 208-215
  19. O. Saberi, G. ZenzNumerical investigation on 1D and 2D embankment dams failure due to overtopping flowInt J Hydraulic Engineering, 5 (2016), pp. 9-18
  20. M. Guan, N.G. Wright, P.A. Sleigh2D Process-Based Morphodynamic Model for Flooding by Noncohesive Dyke BreachJ Hydraul Eng, 140 (7) (2014), p. 04014022, 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000861
  21. W. Wu, R. Marsooli, Z. HeDepth-Averaged Two-Dimensional Model of Unsteady Flow and Sediment Transport due to Noncohesive Embankment Break/BreachingJ Hydraul Eng, 138 (6) (2012), pp. 503-516
  22. Z. Wang, D.S. BowlesThree-dimensional non-cohesive earthen dam breach model. Part 1: Theory and methodologyAdv Water Resour, 29 (10) (2006), pp. 1528-1545
  23. Říha J, Duchan D, Zachoval Z, Erpicum S, Archambeau P, Pirotton M, et al. Performance of a shallow-water model for simulating flow over trapezoidal broad-crested weirs. J Hydrology Hydromechanics. 2019;67:322-8.
  24. C.B. VreugdenhilNumerical methods for shallow-water flowSpringer Science & Business Media (1994)
  25. L.A. Larocque, J. Imran, M.H. Chaudhry3D numerical simulation of partial breach dam-break flow using the LES and k–∊ turbulence modelsJ Hydraul Res, 51 (2) (2013), pp. 145-157
  26. C. Yang, B. Lin, C. Jiang, Y. LiuPredicting near-field dam-break flow and impact force using a 3D modelJ Hydraul Res, 48 (6) (2010), pp. 784-792
  27. FLOW-3D. Version 11.1.1 Flow Science, Inc., Santa Fe, NM.
  28. C.W. Hirt, B.D. NicholsVolume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundariesJ Comput Phys, 39 (1) (1981), pp. 201-225
  29. S.V. PatankarNumerical heat transfer and fluid flow, Hemisphere PublCorp, New York, 58 (1980), p. 288
  30. M. Alemi, R. MaiaNumerical simulation of the flow and local scour process around single and complex bridge piersInt J Civil Eng, 16 (5) (2018), pp. 475-487 
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.

Simulation and Visual Tester Verification of Solid Propellant Slurry Vacuum Plate Casting

Wu Yue,Li Zhuo,Lu RongFirst published: 26 February 2020 https://doi.org/10.1002/prep.201900411Citations: 3

Abstract

Using an improved Carreau constitutive model, a numerical simulation of the casting process of a type of solid propellant slurry vacuum plate casting was carried out using the Flow3D software. Through the flow process in the orifice flow channel and the combustion chamber, the flow velocity of the slurry passing through the plate flow channel was quantitatively analyzed, and the viscosity, shear rate, and leveling characteristics of the slurry in the combustion chamber were qualitatively analyzed and predicted. The pouring time, pouring quality, and flow state predicted by the numerical simulation were verified using a visual tester consisting of a vacuum plate casting system in which a pouring experiment was carried out. Studies have shown that HTPB three-component propellant slurry is a typical yielding pseudoplastic fluid. When the slurry flows through the flower plate and the airfoil, the fluid shear rate reaches its maximum value and the viscosity of the slurry decreases. The visual pouring platform was built and the experiment was controlled according to the numerically-calculated parameters, ensuring the same casting speed. The comparison between the predicted casting quality and the one obtained in the verification test resulted in an error less than 10 %. Moreover, the error between the simulated casting completion time and the process verification test result was also no more than 10 %. Last, the flow state of the slurry during the simulation was consistent with the one during the experimental test. The overall leveling of the slurry in the combustion chamber was adequate and no relatively large holes and flaws developed during the pouring process.

개선된 Carreau 구성 모델을 사용하여 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 고체 추진제 슬러리 진공판 유형의 Casting Process에 대한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 오리피스 유로와 연소실에서의 유동과정을 통해 판 유로를 통과하는 슬러리의 유속을 정량적으로 분석하고, 연소실에서 슬러리의 점도, 전단율, 레벨링 특성을 정성적으로 분석하하고, 예측하였습니다.

타설시간, 타설품질, 수치해석으로 예측된 ​​유동상태는 타설실험을 수행한 진공판주조시스템으로 구성된 비주얼 테스터를 이용하여 검증하였습니다.

연구에 따르면 HTPB 3성분 추진제 슬러리는 전형적인 생성 가소성 유체입니다. 슬러리가 플라워 플레이트와 에어포일을 통과할 때 유체 전단율이 최대값에 도달하고 슬러리의 점도가 감소합니다.

시각적 주입 플랫폼이 구축되었고 동일한 주조 속도를 보장하기 위해 수치적으로 계산된 매개변수에 따라 실험이 제어되었습니다. 예측된 casting 품질과 검증 테스트에서 얻은 품질을 비교한 결과 10 % 미만의 오류가 발생했습니다.

또한 모의 casting 완료시간과 공정검증시험 결과의 오차도 10 % 이하로 나타났습니다.

마지막으로 시뮬레이션 중 슬러리의 흐름 상태는 실험 테스트 시와 일치하였다. 연소실에서 슬러리의 전체 레벨링은 적절했으며 주입 과정에서 상대적으로 큰 구멍과 결함이 발생하지 않았습니다.

Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 2. Calculation model.
Figure 2. Calculation model.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 8. Experimental program.
Figure 8. Experimental program.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.

References

[1] B. M. Bandgar, V. N. Krishnamurthy, T. Mukundan, K. C. Sharma,
Mathematical Modeling of Rheological Properties of HydroxylTerminated Polybutadiene Binder and Dioctyl Adipate Plasticizer, J. Appl. Polym. Sci. 2002, 85, 1002–1007.
[2] B. Thiyyarkandy, M. Jain, G. S. Dombe, M. Mehilal, P. P. Singh, B.
Bhattacharya, Numerical Studies on Flow Behavior of Composite Propellant Slurry during Vacuum Casting, J.Aerosp.Technol.
Manage. 2012, 4, 197–203.
[3] T. Shimada, H. Habu, Y. Seike, S. Ooya, H. Miyachi, M. Ishikawa,
X-Ray Visualization Measurement of Slurry Flow in Solid Propellant Casting, Flow Meas. Instrum. 2007, 18, 235–240.
[4] Y. Damianou, G. C. Georgiou, On Poiseuille Flows of a Bingham
Plastic with Pressure-Dependent Rheological Parameters, J.
Non-Newtonian Fluid Mech. 2017, 250, 1–7.
[5] S. Sadasivan, S. K. Arumugam, M. Aggarwal, Numerical Simulation of Diffuser of a Gas Turbine using the Actuator Disc
Model, J.Appl. Fluid Mech. 2019, 12, 77–84.
[6] M. Acosta, V. L. Wiesner, C. J. Martinez, R. W. Trice, J. P. Youngblood, Effect of Polyvinylpyrrolidone Additions on the Rheology of Aqueous, Highly Loaded Alumina Suspensions, J. Am.
Ceram. Soc. 2013, 96, 1372–1382.
[7] Y. Wu, Numerical Simulation and Experiment Study of Flower
Plate Pouring System for Solid Propellant, Chin. J. Expl. Propell.
2017, 41, 506–511.
[8] T. M. G. Chu, J. W. Halloran, High-Temperature Flow Behavior
of Ceramic Suspensions, J. Am. Ceram. Soc. 2004, 83, 2189–
2195.
[9] T. Kaully, A. Siegmann, D. Shacham, Rheology of Highly Filled
Natural CaCO3 Composites. I. Effects of Solid Loading and Particle Size Distribution on Capillary Rheometry, Polym. Compos.
2007, 28, 512–523.
[10] M. M. Rueda, M.-C. Auscher, R. Fulchiron, T. Périé, G. Martin, P.
Sonntag, P. Cassagnau, Rheology and Applications of Highly
Filled Polymers: A Review of Current Understanding, Prog. Polym. Sci. 2017, 66, 22–53.
[11] F. Soltani, Ü. Yilmazer, Slip Velocity and Slip Layer Thickness in
Flow of Concentrated Suspensions, J. Appl. Polym. Sci. 1998,
70, 515–522.

[12] E. Landsem, T. L. Jensen, F. K. Hansen. E. Unneberg, T. E. Kristensen, Neutral Polymeric Bonding Agents (NPBA) and Their
Use in Smokeless Composite Rocket Propellants Based on
HMX-GAP-BuNENA. Propellants, Explos., Pyrotech.. 2012, 37,
581–589.
[13] J. Mewis, N. J. Wagner, Colloidal Suspension Rheology, Cambridge University Press, 2011.
[14] D. M. Kalyon, An Overview of the Rheological Behavior and
Characterization of Energetic Formulations: Ramifications on
Safety and Product Quality, J. Energ. Mater. 2006, 24, 213–245.
[15] H. Ohshima, Effective Viscosity of a Concentrated Suspension
of Uncharged Spherical Soft Particles, Langmuir 2010, 26,
6287–6294.

Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

곡면에 GMAW용 용접 비드의 형성 특성 및 제어 방법

Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2021)Cite this article

Abstract

곡면에서 GMAW 기반 적층 가공의 용접 성형 특성은 중력의 영향을 크게 받습니다. 성형면의 경사각이 크면 혹 비드(hump bead)와 같은 심각한 결함이 발생합니다.

본 논문에서는 양생면에서 용접 비드 형성의 형성 특성과 제어 방법을 연구하기 위해 용접 용융 풀 유동 역학의 전산 모델을 수립하고 제안된 모델을 검증하기 위해 증착 실험을 수행하였습니다.

결과는 용접 비드 경사각(α)이 증가함에 따라 역류의 속도가 증가하고 상향 용접의 경우 α > 60°일 때 불규칙한 험프 결함이 나타나는 것으로 나타났습니다.

상부 과잉 액체의 하향 압착력과 하부 상향 유동의 반동력과 표면장력 사이의 상호작용은 용접 혹 형성의 주요 요인이었다. 하향 용접의 경우 양호한 형태를 얻을 수 있었으며, 용접 비드 경사각이 증가함에 따라 용접 높이는 감소하고 용접 폭은 증가하였습니다.

하향 및 상향 용접을 위한 곡면의 용융 거동 및 성형 특성을 기반으로 험프 결함을 제어하기 위해 위브 용접을 통한 증착 방법을 제안하였습니다.

성형 궤적의 변화로 인해 용접 방향의 중력 성분이 크게 감소하여 용융 풀 흐름의 안정성이 향상되었으며 복잡한 표면에서 안정적이고 일관된 용접 비드를 얻는 데 유리했습니다.

하향 용접과 상향 용접 사이의 단일 비드의 치수 편차는 7% 이내였으며 하향 및 상향 혼합 혼합 비드 중첩 증착에서 비드의 변동 편차는 0.45로 GMAW 기반 적층 제조 공정에서 허용될 수 있었습니다.

이러한 발견은 GMAW를 기반으로 하는 곡선 적층 적층 제조의 용접 비드 형성 제어에 기여했습니다.

The weld forming characteristics of GMAW-based additive manufacturing on curved surface are dramatically influenced by gravity. Large inclined angle of the forming surface would lead to severe defects such as hump bead. In this paper, a computational model of welding molten pool flow dynamics was established to research the forming characteristic and control method of weld bead forming on cured surface, and deposition experiments were conducted to verify the proposed model. Results indicated that the velocity of backward flows increased with the increase of weld bead tilt angle (α) and irregular hump defects appeared when α > 60° for upward welding. The interaction between the downward squeezing force of the excess liquid at the top and the recoil force of the upward flow at the bottom and the surface tension were primary factors for welding hump formation. For downward welding, a good morphology shape could be obtained, and the weld height decreased and the weld width increased with the increase of weld bead tilt angle. Based on the molten behaviors and forming characteristics on curved surface for downward and upward welding, the method of deposition with weave welding was proposed to control hump defects. Gravity component in the welding direction was significantly reduced due to the change of forming trajectory, which improved the stability of the molten pool flow and was beneficial to obtain stable and consistent weld bead on complex surface. The dimensional deviations of the single bead between downward and upward welding were within 7% and the fluctuation deviation of the bead in multi-bead overlapping deposition with mixing downward and upward welding was 0.45, which could be acceptable in GMAW-based additive manufacturing process. These findings contributed to the weld bead forming control of curve layered additive manufacturing based on GMAW.

Keywords

  • Molten pool behaviors
  • GMAW-based WAAM
  • Deposition with weave welding
  • Welding on curved surface
  • Fig. 1extended data figure 1
  • Fig. 2extended data figure 2
  • Fig. 3extended data figure 3
  • Fig. 4extended data figure 4
  • Fig. 5extended data figure 5
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  • Fig. 35extended data figure 35
  • Fig. 36extended data figure 36
  • Fig. 37extended data figure 37
  • Fig. 38extended data figure 38

References

  1. 1.Williams SW, Martina F, Addison AC, Ding J, Pardal G, Colegrove P (2016) Wire + arc additive manufacturing. Mater Sci Technol (United Kingdom) 32:641–647. https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000073Article Google Scholar 
  2. 2.Pan ZX, Ding DH, Wu BT, Cuiuri D, Li HJ, Norrish J (2018) Arc welding processes for additive manufacturing: a review. In: Transactions on intelligent welding manufacturing. Springer Singapore, pp 3–24. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5355-9_1
  3. 3.Panchagnula JS, Simhambhatla S (2018) Manufacture of complex thin-walled metallic objects using weld-deposition based additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 49:194–203. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.06.003Article Google Scholar 
  4. 4.Lu S, Zhou J, Zhang JS (2015) Optimization of welding thickness on casting-steel surface for production of forging die. Int J Adv Manuf Technol 76:1411–1419. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6371-9Article Google Scholar 
  5. 5.Huang B, Singamneni SB (2015) Curved layer adaptive slicing (CLAS) for fused deposition modelling. Rapid Prototyp J 21:354–367. https://doi.org/10.1108/RPJ-06-2013-0059Article Google Scholar 
  6. 6.Jin Y, Du J, He Y, Fu GQ (2017) Modeling and process planning for curved layer fused deposition. Int J Adv Manuf Technol 91:273–285. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9743-5Article Google Scholar 
  7. 7.Xie FB, Chen LF, Li ZY, Tang K (2020) Path smoothing and feed rate planning for robotic curved layer additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 65. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2020.101967
  8. 8.Ding YY, Dwivedi R, Kovacevic R (2017) Process planning for 8-axis robotized laser-based direct metal deposition system: a case on building revolved part. Robot Comput Integr Manuf 44:67–76. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2016.08.008Article Google Scholar 
  9. 9.Cho DW, Na SJ (2015) Molten pool behaviors for second pass V-groove GMAW. Int J Heat Mass Transf 88:945–956. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.05.021Article Google Scholar 
  10. 10.Cho DW, Na SJ, Cho MH, Lee JS (2013) A study on V-groove GMAW for various welding positions. J Mater Process Technol 213:1640–1652. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.02.015Article Google Scholar 
  11. 11.Hejripour F, Valentine DT, Aidun DK (2018) Study of mass transport in cold wire deposition for wire arc additive manufacturing. Int J Heat Mass Transf 125:471–484. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.092Article Google Scholar 
  12. 12.Yuan L, Pan ZX, Ding DH, He FY, Duin SV, Li HJ, Li WH (2020) Investigation of humping phenomenon for the multi-directional robotic wire and arc additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 63. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2019.101916
  13. 13.Nguyen MC, Medale M, Asserin O, Gounand S, Gilles P (2017) Sensitivity to welding positions and parameters in GTA welding with a 3D multiphysics numerical model. Numer Heat Transf Part A Appl 71:233–249. https://doi.org/10.1080/10407782.2016.1264747Article Google Scholar 
  14. 14.Gu H, Li L (2019) Computational fluid dynamic simulation of gravity and pressure effects in laser metal deposition for potential additive manufacturing in space. Int J Heat Mass Transf 140:51–65. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.081Article Google Scholar 
  15. 15.Cho MH, Farson DF (2007) Understanding bead hump formation in gas metal arc welding using a numerical simulation. Metall Mater Trans B Process Metall Mater Process Sci 38:305–319. https://doi.org/10.1007/s11663-007-9034-5Article Google Scholar 
  16. 16.Nguyen TC, Weckman DC, Johnson DA, Kerr HW (2005) The humping phenomenon during high speed gas metal arc welding. Sci Technol Weld Join 10:447–459. https://doi.org/10.1179/174329305X44134Article Google Scholar 
  17. 17.Philip Y, Xu ZY, Wang Y, Wang R, Ye X (2019) Investigation of humping defect formation in a lap joint at a high-speed hybrid laser-GMA welding. Results Phys 13. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102341
  18. 18.Hu ZQ, Qin XP, Shao T, Liu HM (2018) Understanding and overcoming of abnormity at start and end of the weld bead in additive manufacturing with GMAW. Int J Adv Manuf Technol 95:2357–2368. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1392-9Article Google Scholar 
  19. 19.Tang SY, Wang GL, Huang C, Li RS, Zhou SY, Zhang HO (2020) Investigation, modeling and optimization of abnormal areas of weld beads in wire and arc additive manufacturing. Rapid Prototyp J 26:1183–1195. https://doi.org/10.1108/RPJ-08-2019-0229Article Google Scholar 
  20. 20.Bai X, Colegrove P, Ding J, Zhou XM, Diao CL, Bridgeman P, Honnige JR, Zhang HO, Williams S (2018) Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in multilayer deposition of PAW-based wire and arc additive manufacturing. Int J Heat Mass Transf 124:504–516. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.085Article Google Scholar 
  21. 21.Siewert E, Schein J, Forster G (2013) Determination of enthalpy, temperature, surface tension and geometry of the material transfer in PGMAW for the system argon-iron. J Phys D Appl Phys 46. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/22/224008
  22. 22.Goldak J, Chakravarti A, Bibby M (1984) A new finite element model for welding heat sources. Metall Trans B 15:299–305. https://doi.org/10.1007/BF02667333Article Google Scholar 
  23. 23.Fachinotti VD, Cardona A (2008) Semi-analytical solution of the thermal field induced by a moving double-ellipsoidal welding heat source in a semi-infinite body. Mec Comput XXVII:1519–1530
  24. 24.Nguyen NT, Mai YW, Simpson S, Ohta A (2004) Analytical approximate solution for double ellipsoidal heat source in finite thick plate. Weld J 83:82–93Google Scholar 
  25. 25.Goldak J, Chakravarti A, Bibby M (1985) A double ellipsoid finite element model for welding heat sources. IIW Doc. No. 212-603-85
  26. 26.Gu Y, Li YD, Yong Y, Xu FL, Su LF (2019) Determination of parameters of double-ellipsoidal heat source model based on optimization method. Weld World 63:365–376. https://doi.org/10.1007/s40194-018-00678-wArticle Google Scholar 
  27. 27.Wu CS, Tsao KC (1990) Modelling the three-dimensional fluid flow and heat transfer in a moving weld pool. Eng Comput 7:241–248. https://doi.org/10.1108/eb023811Article Google Scholar 
  28. 28.Zhan XH, Liu XB, Wei YH, Chen JC, Chen J, Liu HB (2017) Microstructure and property characteristics of thick Invar alloy plate joints using weave bead welding. J Mater Process Technol 244:97–105. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.014Article Google Scholar 
  29. 29.Zhan XH, Zhang D, Liu XB, Chen J, Wei YH, Liu RP (2017) Comparison between weave bead welding and multi-layer multi-pass welding for thick plate Invar steel. Int J Adv Manuf Technol 88:2211–2225. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8926-4Article Google Scholar 
  30. 30.Xu GX, Li L, Wang JY, Zhu J, Li PF (2018) Study of weld formation in swing arc narrow gap vertical GMA welding by numerical modeling and experiment. Int J Adv Manuf Technol 96:1905–1917. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1729-zArticle Google Scholar 
  31. 31.Li YZ, Sun YF, Han QL, Zhang GJ, Horvath I (2018) Enhanced beads overlapping model for wire and arc additive manufacturing of multi-layer multi-bead metallic parts. J Mater Process Technol 252:838–848. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.10.017Article Google Scholar