Modelizado multiescala del proceso del aporte por láser de Inconel 718 mediante polvo soplado

Abstract

[Abstract] Additive manufacturing of metals is a burgeoning sector, although there are still certain domains where it has not yet reached its full potential, particularly in critical components and high-responsibility sectors. This thesis aims to contribute to a better understanding of the chain of connections that links operating parameters and some microstructural properties. To this end, a multiscale modeling chain has been developed, in three successive blocks, geared at blown powder additive manufacturing of nickel-based superalloy Inconel 718. The different steps of the modelling chain have been validated extensively, making use of advanced characterization technologies.The procedure makes extensive use of computational fluid dynamics (CFD) tools and ray tracingmethods, to study the transport of metallic particles and their interaction with the substrate and the molten pool through the use of mass, energy, and momentum sources. From a practical perspective, an optimization of the input parameters for a typical three-channel discrete feed nozzle is presented. A correction to the geometric optics models used in the literature is proposed,which is of particular interest for high mass flow rate cases.The models culminate with a prediction of the crystallographic texture of the deposited tracks,by implementing a new open-source software library and leveraging new cloud-based high performance computing environments[Resumo] La fabricación aditiva de metais é un sector en auxe, aínda que existen certos dominios onde non se puido desenvolver todo o seu potencial, en particular en compoñentes críticos e sectores de alta responsabilidade. Este traballo de tese pretende contribuir a unha mellor comprensión da cadea de conexións que existen entre os parámetros de operación e algunhas propiedades microestruturais. Para iso, desenvolveuse unha cadea de modelos multiescala, en tres bloques sucesivos, para o proceso de fabricación aditiva mediante láser e po soprado, con un enfoque nas super aleacións base níquel, en particular no Inconel 718, e validada de maneira exhaustiva mediante o uso de tecnoloxías de caracterización avanzada.O procedemento fai un amplo uso de ferramentas de fluido dinámica computacional ou CFDe trazado de raios, para estudar o transporte das partículas metálicas e a súa interacción co substrato e o baño fundido, a través do uso de transferencia de fontes de masa, enerxía e momento. A efectos prácticos, presentase unha optimización dos parámetros de entrada para unha boquilla típica de aporte discreto de tres canais. Tamén se presenta unha corrección aos modelos de óptica xeométrica utilizados na literatura, de especial interese para o aporte a caudais altos. Os modelos culminan cunha predición da textura cristalográfica dos aportes, facendo uso dunha nova librería de software libre, e aproveitando os novos entornos de computación de alto rendemento na nube.[Resumen] La fabricación aditiva de metales es un sector en auge, si bien aun existen ciertos dominios donde no se ha podido desarrollar todo su potencial, en particular en componentes críticos y sectores de alta responsabilidad. Este trabajo de tesis pretende contribuir a una mejor comprensión de la cadena de conexiones que existen entre los parámetros de operación y algunas propiedades microestructurales. Para ello, se ha desarrollado de una cadena de modelos multiescala, en tres bloques sucesivos, para el proceso de fabricación aditiva mediante láser y polvo soplado, con un enfoque en las super aleaciones base níquel, en particular en el Inconel 718, y validada de manera exhaustiva mediante el uso de tecnologías de caracterización avanzada. El procedimiento hace un amplio uso de herramientas de fluido dinámica computacional o CFD y trazado de rayos, para estudiar el transporte de las partículas metálicas y su interacción con el sustrato y el baño fundido, a través del uso de transferencia de fuentes de masa, energía y momento. A efectos prácticos, se presenta una optimización de los parámetros de entrada para una boquilla típica de aporte discreto de tres canales. También se implementa una corrección a los modelos de óptica geométrica utilizados en la literatura, de especial interés para el aporte acaudales altos. Los modelos culminan con una predicción de la textura cristalográfica de los aportes, haciendo uso de una nueva librería de software libre, y aprovechando los nuevos entornos de computación de alto rendimiento en la nube