Estudios teóricos de segregación de materiales durante la solidificación de aleaciones de Ti-Al-V Jwala Parajuli, Suraj Gyawali, y Daniela Mainardi Louisiana Tech University 911 Hergot Ave., Ruston, LA 71270, USA mainardi@latech.edu  

Facultad de Ingeniería y Ciencia Establecida en 1894 ~ 13,000 estudiantes Admisión selectiva 5 facultades 10 programas de doctorado Carnegie Research University / Nivel de investigación elevada Facultad de Ingeniería y Ciencia ~ 3000 estudiantes de licenciatura ~ 400 estudiantes de posgrado ~ 110 profesores 14 programs de licenciatura 4 programas de doctorado y 6 de maestría + US$16 millones anuales en los ultimos 3 años en subsidios externos www.latech.edu

Centros Interdisciplinarios de Investigación Trenchless Technology Center Center for Applied Physics Studies

Consorcio para la innovación de materiales y manufactura Financiado por la NSF en $ 20M ($4M / año) 2015-2020. Se centra en la fabricación avanzada usando metales y aleaciones. Consiste en 5 universidades del estado de Louisiana. Establecimientos compartidos para el desarrollo de procesos de fabricación avanzada. Muchos socios industriales dentro y fuera de Louisiana Algunos CIMM socios industriales con presencia en Louisiana

Dirección de barrido del laser Impresora 3D Laser Metal solidificado Dirección de barrido del laser Polvo de metal Metal fundido Haz del laser Durante un proceso de impresión en 3D, un haz láser barre un área definida para la creación (impresión) de un objeto en capas sucesivas hasta que se forma todo el objeto. A medida que el haz pasa a través del polvo, una piscina de masa fundida se crea y se solidifica que el haz láser continúa su barrido (Figura 1). La segregación de material en el metal fundido define: El tipo de adhesión de las capas depositadas Quán fuerte es la interfaz entre las capas ya solidificas y la nueva La calidad final del producto impreso

Modelaje del proceso de solidificación Un programa fue escrito usando el código Python Comienza con una configuración atómica de la partícula representando el metal o la aleación Una algoritmo Monte Carlo permite encontar la estructura más probable Los átomos de metal son entonces termalizados. Se les da energía cinética de acuerdo con una distribución de Maxwell-Boltzmann correspondiente a una temperatura T0 inicial especificada, evolucionando en una simulación de dinámica molecular

Interacciones Atómicas El potencial de Embedded Atom Método (EAM) y el potencial de Morse son potenciales clásicos que son buenos para modelar metales Describen la unión en los sistemas metálicos Describen las propiedades estructurales, mecánicas, térmicas de los sistemas metálicos.

Métodos y Técnicas Ti510Al503 ~ Ti-Al con 50:50 %at 1013 átomos EAM usado Temperatura 3000K (líquido) Ti904Al56V40 ~ Ti-Al-V con 90 %at Ti, 6 %at Al y 4 %at V 1000 átoms Morse Potential usado Ti510Al503Configuración inicial Ti Al V Ti904Al56V40 Configuración inicial

Tratamiento térmico a alta temperatura Aleación Ti510Al503 Trayectoria de mínimos durante el proceso de solidificación de Ti-Al Los otros gráficos muestran los valores de los parámetros de ajuste automático a medida que el algoritmo avanza. Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. energía en cada paso de optimización el mínimo local fue aceptado. el mínimo local fue rechazado. ✓ Estructura de una gota líquida de Ti510Al503

Tratamiento térmico a alta temperatura: Aleación Ti904Al56V40 Trayectoria de mínimos durante el proceso de solidificación de Ti-Al-V El nanocluster Se analizaron las características estructurales siguiente a través de las modalidades preferidas de los átomos constituyentes dentro de las nanopartículas con el fin de averiguar qué átomo de metal segrega a la superficie. Por lo tanto, fueron aclarados las detalladas estructuras de capa por capa de la nanoclusters. Cualitativamente, se observó la segregación de metal a medida que evolucione el tiempo durante estas simulaciones. Se encontró en el caso del modelo de Ti-Al-V que átomos de Al tienen la tendencia a separar a la superficie de la aleación, mientras que los átomos V parecen preferir permanecer en su núcleo. Ti Al V (900 atoms) (60 atoms) (40 atoms) Estructura de una gota líquida de Ti904Al56V40

Densidad Atómica por capa niL: Numero de átomos de un elemento en una capa L Ni: Numero total de átomos tipo i nL: Numero total de átomos en una capa L i: Ti, Al, V Los otros gráficos muestran los valores de los parámetros de ajuste automático a medida que el algoritmo avanza. Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.

Densidad Atómica: Aleación Ti-Al Distancia Radial (Angstroms), r Densidad Atomica por capa, riL Los otros gráficos muestran los valores de los parámetros de ajuste automático a medida que el algoritmo avanza. Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.

Densidad Atómica: Aleación Ti-Al-V Distancia Radial (Angstroms), r Densidad Atomica por capa, riL Los otros gráficos muestran los valores de los parámetros de ajuste automático a medida que el algoritmo avanza. Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.

Modelaje del proceso de Solidificación Temperatura ambiente líquido sólido temperatura Si repetimos el modelaje de los tratamientos térmicos a distintas temperaturas: información hasta la temperatura ambiente (sólido) Segregación de metales y como varía con la temperatura Optimización de este proceso indicaría el tipo de aleaciones (y sus composiciones) a utilizar El recocido es un tratamiento térmico de cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura disminuya de forma progresiva. El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. A bajas temperaturas, la estructura de grupos es similar a un sólido, y cuando la temperatura aumenta la estructura adquiere características líquidas, que pasa por un estado intermedio, llamado convivencia dinámica, donde la estructura fluctúa entre el comportamiento de líquidos y sólidos. Por lo tanto, una vez que la estructura mínimo global se encuentra, el código Python permite la investigación del proceso de recocido de una aleación dada. El Método de Mínimos de la esperanza, tal como se aplica en el código Python, se repitió a diferentes temperaturas inicial T0 con el fin de encontrar el mínimo global estructura de los modelos de aleación de Ti-Al-V Ti-Al y a diferentes temperaturas. A continuación, se llevaron a cabo simulaciones para investigar el proceso de recocido de Ti-Al y nanoclusters Ti-Al-V, empezando con la mínima estructura global obtenida a una temperatura muy alta, y todas las estructuras posteriores obtuvieron a temperaturas más bajas, hasta la temperatura ambiente. Una representación esquemática de este proceso se da en la Figura 7.

Conclusiones Método Monte Carlo combinado con Dinámica Molecular se utiliza para predecir la estructura mínima global, así como para estudiar la segregación atómica en aleaciones de Ti-Al y Ti-Al-V. Cuando estas simulaciones se repiten a diferentes temperaturas, el proceso de solidificacion de una aleación dada puede ser estudiado Una herramienta importante para encontrar las mejores composiciones de una aleación a usar durante el proceso de impresión en 3D.

Agradecimientos El presente trabajo está financiado por: La Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (NSF), bajo el Programa Experimental para Estimular Investigación Competitiva (EPSCoR) proyecto: # OIA-15410795, RII Track-1: Consorcio para la Innovación en Manufactura y Materiales (CIMM )