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Analysis of the steady state molten pool obtained by heating a substrate with an electron beam

1991; Elsevier BV; Volume: 39; Issue: 5 Linguagem: Inglês

10.1016/0956-7151(91)90273-4

1873-2879

Biswajit Basu, J. A. Sekhar, Robert Schaefer, R. Mehrabian,

Additive Manufacturing Materials and Processes

Surface melting and solidification with high powered beams can be used for enhancing surface properties. The dimensions of the molten zone define the extent of the modified properties and are critical parameters which must be predicted during process design. The flow field in the molten pool has been reported to be one of the key factors which controls the dimensions of the surface layer. However, the calculation of this is only possible through complex numerical schemes and there is a need to look for simple analytical expressions which may be adequate. One approach for this search involves the precise determination of the steady state stationary profiles and then developing a method for extending these values to include the effect of beam motion for predicting the pool dimensions during processing. In this paper, a study of the flow field and its effect on the depth and width of the steady state pool is presented, based on numerical and analytical methods. To validate the predictions, an experimental study is carried out using surface melting of Al-4.5 wt%Cu alloy an electron beam. The pool shapes are presented through optical micrographs and the depth and width of the pool is measured from these micrographs. The experiments are then simulated using a numerical model which includes fluid flow. The flow field is analyzed using streamline plots and the predicted pool shapes are compared with the micrographs. Further, the results are compared to an analytical method based on pure conduction and the pool depth and width are predicted when the liquid thermal conductivity is modified. The numerical and analytical predictions of the pool depth and width are found to be in good agreement with the experimental measurements (obtained from steady state stationary pools and from dimensions inferred on extrapolating moving beam measurements to zero velocity). The reasons for the success of the analytical model is discussed with reference to the two-dimensional flow fields and vortices predicted by the numerical model. Pour améliorer les propriétés de surface, on peut utiliser la fusion et la solidification superficielle à l'aide de faisceaux d'électrons de haute puissance. Les dimensions de la zone fondue définissent l'étendue des propriétés modifiées et sont des paramètres critiques qui doivent être prévus pendant le processus d'élaboration. Le champ d'écoulement dans le liquide est considéré comme un des facteurs clés qui contrôlent les dimensions de la couche superficielle. Cependant, cette estimation n'est possible que par des calculs numériques complexes et il est nécessaire de chercher des expressions analytiques simples qui peuvent convenir. L'une des approahes de cette recherche, c'est la détermination précise des profils en régime permanent stationnaire suivie du développement d'une méthode pour adapter ces valeurs afin d'inclure l'effet du mouvement du faisceau pour prévoir les dimensions de la zone liquide pendant le traitement. Dans cet article, on présente une étude du champ d'écoulement et son effet sur la profondeur et la largeur de la zone fondue en régime permanent; cette étude est basée sur des méthodes numériques et analytiques. Pour valider les prévisions, une étude expérimentales est effectuée en utilisant la fusion superficielle de l'alliage Al-4,5% en poids Cu par un faisceau d'électrons. Les formes des zones fondue sont présentées sur des micrographies optiques et leur profondeur et leur largeur sont mesurées à partir de ces micrographies. Des expériences sont ensuite simulées en utilisant un modèle numérique qui inclut l'écoulement de fluide. Le champ d'écoulement est analysé en utilisant des courbes de profil et les formes de zones fondues prévues sont comparées aux micrographies. De plus, les résultats sont comparés à une méthode analytique basée sur la conduction pure et la profondeur et la largeur de la zone fondue sont prévues lorsque la conductivité thermique liquide est modifiée. Les prévisions numériques et analytiques de la profondeur et de l'épaisseur de la zone fondue sont en bon accord avec les mesures expérimentales (obtenues à partir de zones fondues en régime permanent stationnaire et pour des dimensions déduites, par extrapolation à la vitesse nulle, de mesures de dédlacement du faisceau). Les raisons du succès du modèle analytique sont discutées en faisant référence aux champs d'écoulement bidimensionnels et aux tourbillons prévus par le modèle numérique. Oberflächenschmelzen und -erstarren durch hochenergetische Strahlen kann zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften ausgenutzt werden. Die Maβe des geschmolzenen Bereiches bestimmen das Ausmaβ der geänderten Eigenschaften und sind daher kritische Parameter, diue während der Prozeβentwicklung vorhergesagt werden müssen. Berichtet wurde, daβ das Flieβfeld in der Schmelze einer der wichtigsten Faktoren bei der Kontrolle der Dimension der Oberflächenschicht ist. Allerdings ist die entsprechende Berechnung nur mit komplexen numerischen Ansätzen möglich; man sollte also nach anwendbaren einfacheren analytischen Ausdrücken suchen. Eine Möglichkeit hierfür besteht in der genauen Bestimmung der stationären Profile, diese mit einer zu entwickelnden Methode zu erweitern und so den Einfluβ der Strahlbewegung auf die Vorhersage der Abmessungen des Schmelzbereiches zu ermitteln. In dieser Arbeit wird das Flieβfeld und sein Einfluβ auf Tiefe und Breite der Schmelze im stationären Fall auf der Grundlage numerischer und analytischer Methoden bestimmt. Zur Prüfung werden Experimente zum Aufschmelzen der Oberfläche der Legierung Al-4,5 Gew.-%Cu mit einem Electronenstrahl durchgeführt. Die Forme der Schmelzbereiche wird mit optischen Aufnahmen dargestellt, Tiefe und Breite werden an den Aufnahmen ausgemessen. Dann werden die Experimente mit einem numerischen Modell unter Einschluβ von Flieβen der Schmelze simuliert. Das Flieβfeld wird mit Strömungsdiagrammen analysiert, die Form der Schmelzbereiche wird mit den Aufnahmen verglichen. Auβerdem werden die Ergebnisse mit einer analytischen Methode verglichen, die auf reiner Leitung aufbaut; Tiefe und Breite des Schmelzbereiches werden vorausgesagt für Änderungen in der Wärmeleitung der Schmelze. Die numerischen und analytischen Voraussagen stimmen mit dem experimentellen Ergebnissen (erhalten aus stationären Schmelzbereichen und aus Dimensionen, die sich bei Extrapolation der Strahlgeschwindigkeit zu Null ergeben) gut überein. Die Gründe für den Erfolg des analytischen Modells werden im Hinblick auf die zweidimensionalen Flieβfelder und die Wirbel, die vom numerischen Modell vorausgesagt werden, diskutiert.