How to feed and validate a phase-field model predicting the evolution of microstructures and properties in AlSi10Mg processed by Selective Laser Melting
AlSi10Mg; Fusion sélective par laser; Modèles thermiques; Hors équilibre; Champs de phase; État solide; Propriétés thermo-physiques; Propriétés mécaniques
Abstract :
[en] AlSi10Mg processed by Selective Laser Melting (SLM) exhibits an out-AlSi10Mg processed by
Selective Laser Melting (SLM) exhibits an out-of-equilibrium microstructure as a result of rapid
solidification. This microstructure is composed of α-Al sub-micron cells surrounded by an eutec-
tic mixture of Si precipitates in an Al matrix. The rapid solidification also results in an extended
Si solute content in solid solution inside the Al cells. The Si atoms in solid solution and the
fine Si precipitates both contribute to the high strength and the thermo-physical properties of
AlSi10Mg SLM, particularly its low thermal conductivity. Moreover, the microstructure and its
associated properties is process parameter dependent.
The microstructure is deeply affected when submitted to a thermal field. This can happen
either (i) locally due to the heat input accompanying the deposition of a new layer or (ii) in the
bulk by the effect of build platform temperature or (iii) during post-treatments. At low temper-
ature, the Si in solid solution tends to precipitate out in the α-Al cells while at intermediate or
high temperature, the pre-existing Si precipitates in the eutectic coarsen. As a result, the strength
and the thermo-physical properties of the alloy are modified.
The present thesis thus aims to investigate the impact of these process parameters on the mi-
crostructure evolution and the related tensile and thermo-physical properties of AlSi10Mg SLM.
In a first step, microstructural characterizations and tensile tests are performed to study the in-
fluence of the laser power, scan speed and the build platform temperature. From the collected
data, the preferential rupture zone in tension is identified and a hardening model connecting
microstructure and tensile properties is developed. Then thermal models of the SLM process
validated against experiments and able to reproduce the as-built microstructure are used to ex-
tract the thermal history in the preferential rupture zone. Thermo-physical properties are needed
as inputs in the models. During their measurements, the microstructure undergoes transforma-
tions which affect in return the measured thermo-physical properties. To address the device limi-
tation, the non-equilibrium thermo-physical properties of AlSi10Mg SLM are calculated through
a CALculation of PHase Diagram (CALPHAD) model. Finally, a phase-field model tracking the
nucleation, growth and coarsening kinetics of Si precipitates is developed and validated against
experiment. The model investigates the effect of build platform temperature on the microstruc-
ture evolution of AlSi10Mg SLM.
This Phd work developed a framework to predict the microstructure evolution and asso-
ciated tensile and thermo-physical properties of AlSi10Mg SLM submitted to any process or
post-process conditions. [fr] L’AlSi10Mg produit par fusion sélective par laser (SLM) présente une microstructure hors
d’équilibre en raison de la solidification rapide. Cette microstructure est composée de cellules
submicroniques d’Al-α entourées d’un mélange eutectique de précipités de Si dans une matrice
en Al. La solidification rapide induit également une teneur étendue de Si en solution solide à
l’intérieur des cellules d’Al. Les atomes de Si en solution solide ainsi que les fins précipités de Si
contribuent à la résistance élevée et aux propriétés thermophysiques du AlSi10Mg SLM, notam-
ment sa faible conductivité thermique. De plus, la microstructure et les propriétés qui lui sont
associées dépendent des paramètres de fabrication.
La microstructure est profondément affectée lorsqu’elle est soumise à un champ thermique.
Cela peut se produire soit (i) localement en raison de l’apport de chaleur accompagnant le dépôt
d’une nouvelle couche, soit (ii) dans la masse par l’effet de la température du plateau de fabrica-
tion, soit (iii) lors de post-traitements. À basse température, le Si en solution solide a tendance à
précipiter dans les cellules d’ Al-α tandis qu’à température intermédiaire ou élevée, les précipités
de Si préexistants dans l’eutectique grossissent. En conséquence, la résistance et les propriétés
thermo-physiques de l’alliage s’en trouvent modifiées.
La présente thèse a donc pour but d’étudier l’impact de ces paramètres procédé sur
l’évolution de la microstructure et les propriétés de traction et thermophysiques associées de
l’AlSi10Mg SLM.
Dans un premier temps, des caractérisations microstructurales et des essais de traction sont
réalisés pour étudier l’influence de la puissance du laser, de la vitesse de balayage et de la
température du plateau de fabrication. À partir des données recueillies, la zone de rupture
préférentielle en traction est identifiée et un modèle de durcissement reliant la microstructure
et les propriétés en traction est développé. Ensuite, des modèles thermiques du procédé SLM
validés par des expériences et capables de reproduire la microstructure brute de fabrication sont
utilisés pour extraire l’histoire thermique dans la zone de rupture préférentielle. Les propriétés
thermo-physiques sont nécessaires comme entrées dans ces modèles. Pendant leurs mesures, la
microstructure subit des transformations qui affectent en retour les propriétés thermophysiques
mesurées. Pour répondre à la limitation du dispositif expérimental, les propriétés thermo-
physiques hors équilibre du AlSi10Mg SLM sont calculées à l’aide d’un modèle CALPHAD
(calcul des diagrammes de phase). Enfin, un modèle de champ de phase suivant la cinétique
de nucléation, de croissance et de grossissement des précipités de Si est développé et validé par
rapport à l’expérience. Le modèle étudie l’effet de la température de la plateforme de fabrication
sur l’évolution de la microstructure du AlSi10Mg SLM.
Ce travail de thèse a permis de développer un cadre pour prédire l’évolution de la mi-
crostructure et les propriétés thermophysiques et de traction associées du AlSi10Mg SLM soumis
à n’importe quelle condition de fabrication ou post-fabrication.
Disciplines :
Materials science & engineering
Author, co-author :
Delahaye, Jocelyn ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Language :
English
Title :
How to feed and validate a phase-field model predicting the evolution of microstructures and properties in AlSi10Mg processed by Selective Laser Melting
Defense date :
08 September 2022
Number of pages :
196
Institution :
ULiège - Université de Liège [Sciences appliquées], Liège, Belgium
Degree :
Doctor of Philosophy (Phd) in Engineering Science
Promotor :
Mertens, Anne ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Metallic materials for additive manufacturing
Habraken, Anne ; Université de Liège - ULiège > Urban and Environmental Engineering
President :
Duchene, Laurent ; Université de Liège - ULiège > Urban and Environmental Engineering
Jury member :
Duysinx, Pierre ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Appolaire, Benoît; Institut Jean Lamour > Microstructures and Stresses group
Simar, Aude; UCL - Université Catholique de Louvain [BE] > IMAP - Materials and Process Engineering > iMMC - Institute of Mechanics, Materials and Civil Engineering
