Numerische Modellierung des selektiven Laserschmelzens der Titanlegierung Ti-6Al-4V

Ein Multi-Phasenfeld auf Basis thermodynamischer Datenbanken wird vorgestellt, mit welchem die Mikrostrukturentwicklung des Werkstoffes Ti-6Al-4V während des Aufschmelzens und Wiedererstarrens beim selektiven Laserschmelzen simuliert wird. Das Phasenfeld Modell berücksichtigt die Kinetik der Phasenumwandlung und ermöglicht es, die Unterkühlung der Schmelze zu simulieren. Mit einem Orientierungsfeld wird das Wachstum einzelner Kristallite, der aus der Schmelze ausscheidenden Phase untersucht. Zudem wird die Verdampfung von Werkstoff bei hohen Intensitäten der Laserstrahlung berücksichtigt. Weiter werden andere physikalische Effekte wie die Fluiddynamik des Schmelzbades, der Wärmetransport und die Laser-Material-Interaktion mittels der freien numerischen Strömungsmechanik-Softwarebibliothek OpenFoam berechnet.

Zur Reduktion des Rechenaufwands werden Proben aus lasergeschmolzenem Ti-6Al-4V charakterisiert. Mit Auflichtmikroskopie wird das Gefüge bezüglich der räumlichen Anordnung der Phasen und Poren untersucht. Die im Werkstoff vorliegenden Phasen, als auch deren Textur, werden anhand von röntgendiffraktometrischen Untersuchungen diskutiert. Energiedispersive und wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie ermöglichen die Erfassung der räumlichen Verteilung der Legierungselemente Aluminium und Vanadium und des Begleitelements Sauerstoff. Mit der Elektronenrückstreubeugung und nachgelagerten Berechnungen wird die Textur der aus der Schmelze ausscheidenden Phase bestätigt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden bei der Modellierung der Phasenumwandlung berücksichtigt.