以修正後細胞自動機方法模擬電子束熔融金屬積層製造之微觀凝固過程

摘　　要

電子束熔融為金屬積層製造成型技術之一，其成品之機械性質與成型時的溫度場與濃度場所產生之晶相有所關聯。本研究選擇修正後細胞自動機法，以巨觀熱傳為基礎，結合微觀的成核、成長與溶質擴散，建立一個可同時計算巨、微觀尺度的二維模型；並同時使用等效比熱法與溫度回復法來處理潛熱效應。本研究使用鈦合金(Ti-6Al-4V)作為研究材料，利用Fortran自行撰寫程式來分析電子束熔融金屬積層製造中的溫度場、濃度場以及微結構變化。本研究分為三個階段，第一階段中模擬鈦合金自由枝狀晶的形態，並嘗試改變濃度過冷度中相關參數，來探討相關參數對晶粒成長型態的影響；第二階段中，將電子束熔融之移動路徑與邊界條件套入模型中，並加入鋪粉疊層製程，確保層與層之間是否順利接合；第三階段則使用前一階段中所得到的晶粒型態，來計算粒尺寸於不同位置與不同層之間的變化。由研究結果發現鈦合金由於溶質分布係數較大、液相線斜率較小，此二者使得凝固時液固介面保持相對穩定，而不利晶枝的產生，讓晶粒呈現四方型狀態，並沿液相線邊緣成核、生長。在電子束熔融金屬積層製造中，使用兩側停留方法可使層與層之間順利熔接在一起，而短暫停留造成的餘熱有機會產生額外的熔池，額外熔池之情形則取決於該次熱源掃描所捕獲的人工液固共存區多寡。濃度場中則可發現由於表層因凝固而將出多餘的溶質釋放至熔池中，而達到類似區域熔煉的金屬純化的作用。積層製造中晶粒大小由左至右、由下至上，其尺寸逐漸縮小，與液相線移動方向方向相同，而在不同疊層中，較新的疊層之晶粒尺寸會普遍大於舊疊層。
關鍵詞：Ti-6Al-4V、電子束熔融、積層製造、MCA法