Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Gránásy, László Gránásy, László Kriza, György Pusztai, Tamás Rátkai, László
Starting date
2017-09-01
Closing date
2021-08-31
Funding (in million HUF)
43.445
FTE (full time equivalent)
4.09
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A jelen pályázat az "ELAM" M-ERA.NET projekt részét képezi, melynek célja nagy szilárdságú eutektikus ötvözetek előállítása lézeres additív előállítási mószerekkel a Ti-TiFe és Fe-Fe2Ti eutektikumok szelektív lézeres olvasztásával, ill. lézeres depozíciójával. Ez az első olyan pályázat, amely megkísérli ultrafinom Ti-Fe eutektikumok lézeres additív módszerrel történő előállítását, a tejes gyártási láncolat lefedésével kezdve az anyagtervezéssel, a porgyártáson, lézeres additív előállításon és utólagos kezeléseken keresztül, a demonstrációs tesztekig.
A pályázatunkban leírt munka az anyagtervezési folyamatát támogatja olyan mikroszerkezet szimulációkkal, amelyek célja az előállítási körülmények optimalizálása, ill. a számítógépes anyagtervezés módszertanának kidolgozása a lézeres additív technológi esetén. Ennek során a fázismező elméletet tervezzük alkalmazni a nanométer skálájú eutektikus ötvözetek mikroszerkezetének megjóslására a lézeres olvasztás makroskálájú modelljéből származó hűtési körülmények függvényében. A pályázat fő célkitűzése a magas olvadáspontú ötvözetek lézeres additív előállítására vonatkozó számítógépes anyagtervezési módszerek kifejlesztése és validálása.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A tervezett kutatás célja a Fe-Ti rendszerben lézeres olvasztást követő gyors megszilárdulás során kialakuló nanoskálájú eutektikus szerkezetek kialakulásának megismerése. Ehhez olyan, az eutektikus megszilárdulás kvantitatív leírására alkalmas matematikai eszközök (modellek és számítógépes programok) létrehozása szükséges, melyek lehetővé teszik a nanoskálájú mikroszerkezet optimalizálását a folyamat paramétereinek függvényében. Egy korábbi EU FP7 projekt során kifejlesztett fázismező elméleti módszereink jó kiindulópontot jelentenek ehhez. Várakozásaink szerint, a Fe-Ti rendszerre történő adaptálásuk után az ezen modelleken alapuló számítógépes szimulációk alkalmassá válnak az optimális mikroszerkezet megvalósításához szükséges körülmények meghatározására.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A jelen pályázat megvalósítása során támogatja a lézeres additív gyártási technológia a Fe-Ti eutektikus ötvözetekre történő kifejlesztését a számítógépes anyagtervezés eszközeinek és módszereinek kidolgozásával. Ezek a számítógépes anyagtudományi eszközök várhatóan más ötvözet rendszerek lézeres additív gyártása során is alkalmazhatók lesznek. A pályázatunk a komplex megszilárdulási problémak fázismező elméleti modellezésében felhalmozott több mint egy évtizedes tapasztalatunkon alapszik, melynek során az élenjáró fázismező technikákat meghaladó modelleket dolgoztunk ki.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A lézeres additív gyártás (a 3D nyomtatás anyagtudományi analógiája) új és érdekes módszer olyan autóipari munkadarabok előállítására, amelyek vagy a bonyolult alak, vagy a munkadarab anyagának mechanikai v. olvadási tulajdonságai miatt nem állíthatóak elő más eljárással. A számítógépes anyagtervezés lényeges szerepet játszhat az ilyen munkadarabok előállítási technológiájának kidolgozásában. A jelen pályázat célja a lézeres additív gyártást segítő számítógépes anyagtervezés kidolgozása az "ELAM" M-ERA.NET projektbeli kísérleti és ipari partnerekkel.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The present proposal forms part of the "ELAM" M-ERA.NET project, which is aimed at developing new high strength eutectic alloys by laser-based additive layer manufacturing (ALM) using selective laser melting and laser metal deposition based on Ti-TiFe and Fe-Fe2Ti eutectics. This proposal represents the first attempt to produce ultrafine Ti- and Fe-eutectics by ALM, spanning activities along the entire manufacturing chain from fundamental materials development, powder production, ALM process and post-treatment developments to demonstrator testing.
The work described in the present proposal supports fundamental materials development via microstructure simulations aimed at optimizing the conditions of production, and establishing a computer aided designing methodology for materials produced by lased-based ALM technology. In particular, phase-field modeling will be used to predict the microstructure of nanoscale eutectic matter as a function of the cooling conditions, which will be taken from macroscale modeling of laser melting. The main goal of the proposal is the development and validation of the computational materials design methodology proposed for laser-based ALM of high melting point alloys.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The aim of the proposed activity: To gain information on the formation of nanoscale eutectic structures in the Fe-Ti system during laser melting. This requires the development of mathematical tools (models and computer codes) for quantitative description of eutectic solidification that allow the optimization of the microstructure on the nanoscale as a function of process parameters. The phase-field methods, we developed during a previous EU FP7 project, is a good starting point for this. Computer simulations based on these models adapted to the Fe-Ti system are expected to deliver the conditions for producing the optimum microstructure for the planned applications.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The present proposal supports the development of the laser-based ALM technology for this class of alloys by establishing tools and methodology for computer aided materials design. These tools of computer aided materials design are expected to be useful in laser-based additive manufacturing of other alloy systems. Our proposal relies on a more than a decade long experience of us in phase-field modeling of complex solidification problems including the formation nanoscale eutectic structures, during which models beyond the state-of-the-art phase-field techniques were developed by us.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Laser-based additive layer manufacturing (the materials science analogue of 3D printing) is a new and promising method for producing machine parts for automotive industry that cannot be produced by other methods owing to the complex shape of the parts or the mechanical/melting properties of the alloy. Computer computer aided materials desing can play a substantial role in developing the technology for producing such parts. The present proposal is aimed at establishing computer aided materials desing for laser-based additive manufacturing in cooperation with experimental and industrial partners in the "ELAM" M-ERA.NET project.
Final report
Results in Hungarian
Az „ELAM” M-ERA.NET nemzetközi projekt részeként a lézeres additív előállítási során létrejövő réteges eutektikus mikroszerkezetet modelleztük a fázismező elmélet keretében. Az így előállított minták jellegzetessége egy hierarchikus struktúra, melyben a lamellás szerkezetű eutektikus rétegeket vékony, globuláris szerkezetű réteg választják el. Ezen szerkezet leírására kifejlesztettünk egy a szilárd fázisok kristálytani orientációját is leíró fázismező modellt, mely az anyag rétegenkénti hozzáadását is tartamazza. Modellünk, melyben a globuláris réteg a visszaolvadt szilárd fázisok előtti nukleációval alakul ki, sikeresen reprodukálta a megfigyelt réteges mikroszerkezetet. A kísérleti és szimulációs eredmények összevetése alapján felmerült egy másik mechanizmus lehetősége is, melyben a kristálycsíraként szolgáló szilárd szemcséket az eutektikus lamellák részleges visszaolvadása szolgáltatja. Ennek tisztázására analitikus és numerikus módszerekkel vizsgáltuk a lamellás/rudas eutektikus szerkezetek hőmérséklet-gradiensben történő irányított olvadását, meghatároztuk a stabil olvadási morfológiákat és paraméterfüggésüket. Alkalmas körölmények közt megfigyeltük az olvadási forma instabillá válását, a lamellák/rudak oszcillációját, valamint sikeresen modelleztük a különálló részecskék részleges olvadás során történő kialakulását.
Results in English
As part of the M_ERA.NET project "ELAM", we modelled the formation of the layered eutectic microstructure observed under the conditions of laser additive manufacturing. A characteristic feature this hierarchic structures is that lamellar eutectic layers are separated by thin layers of globular structure. To describe this structure, we developed a phase-field model that handles the crystallographic orientation of the solid phases, and includes the addition of new material layer by layer. Our model, in which the globular layer is formed via nucleation ahead of the melting front of the previous lamellar layer, has successfully reproduced the observed experimental structure. Comparing the simulation and experimental results the possibility of another mechanism emerged, in which the globular particles form by partial melting of the lamellae of the previous layer. To investigate this, we performed analytic and numerical calculations for the melting of lamellar and rod eutectic structures and determined their steady state melting morphologies. Furthermore, under suitable conditions, we observed instabilities in the melting geometry in the form of oscillations along the lamella/rod surfaces, and we could successfully model the formation of disconnected particles via the partial melting of the solid phases.
Gránásy L, Rátkai L, Tóth GyI, Gilbert PUPA, Zlotnikov I, Pusztai T: Phase-Field Modeling of Biomineralization in Mollusks and Corals: Microstructure vs Formation Mechanism, JACS AU 1: (7) pp. 1014-1033., 2021
Events of the project
2021-04-22 11:39:53
Résztvevők változása
2019-09-12 14:06:21
Résztvevők változása
2018-01-12 12:52:25
Vezető kutató váltás
Régi vezető kutató: Gránásy László
Új vezető kutató: Pusztai Tamás
A vezető kutató váltás indoka: Három projektben lenne VK
