一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法，包括步骤：构建零件有限元模型，计算温度场、应力场和变形分布，获得热累积数据；基于温度场、应力和变形结果逐级合理性判定以优选出从底部至顶部热输入梯度减小的工艺参数；对宏观温度场结果进行插值运算以开展微观组织模拟并实时分析层与层间的组织均匀化程度；基于优选工艺参数进行样件打印并对沉积层多区域力学性能进行差异性判断以最终获得组织和性能均匀化分布对应的工艺参数。通过使用本发明专利技术中的方法，可以实现增材制造零件内部层间组织与性能在空间上的均匀化分布，达到结构零件3D打印过程中应力、变形、裂纹缺陷、组织与性能协同调控的目的。协同调控的目的。协同调控的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法


[0001]本专利技术涉及3D打印
，具体地说，是涉及一种基于多物理场耦合求解热累积效应的激光增材制造构件微观组织均匀化调控方法。

技术介绍

[0002]增材制造(Additive manufacturing，AM)技术(3D打印)作为一种逐层逐道堆积的快速成型技术，因其成型效率高、材料利用高、整体结构一体化成型且环境友好等众多优点，现已逐渐成为高精密复杂零件加工制造的主选技术之一。利用3D打印技术成形的结构零件能否用于产品制造直接取决于零件的性能好坏，构件力学性能在微观尺度上与内部不同区域微观组织分布均匀性息息相关。
[0003]增材制造过程中由于逐层堆积特点导致热量传导和散失较慢出现热累积现象，进而影响沉积层内部微观组织呈不均匀分布。在增材制造过程中，温度场、应力/应变场和微观组织三者相互之间存在着耦合效应，温度场的分布特征对其它二者存在着至关重要的影响，通过温度场的计算结果可以实现应力/应变场和微观组织的求解调控。在增材制造过程中，合适的工艺参数及温度场分布是获得性能优良沉积层的重要因素，熔池的凝固热力学行为如微观组织和晶粒形态演变对沉积层的性能有着很大影响。然而，由于增材制造过程具有熔池尺寸非常小且熔池周围温度十分高的特点，在当前技术下采用传统的实验方法对沉积层的温度场、应力/应变场和微观组织进行实时精确地测量和控制还存在一定的困难。
[0004]近年来，随着计算机技术的发展，目前运用数值模拟技术对温度场、应力/应变场和微观组织进行计算以实现铸造和焊接过程预览的已有部分案例。3D打印过程是一个快速熔化又快速冷却的过程，熔池存在时间极为短暂，但是其物理过程却十分复杂，对3D打印过程进行模拟以再现增材制造过程，有效预测沉积层中的气孔、裂纹、杂质和层间结合力强弱等一些可能存在的缺陷，并基于仿真所求热累积程度调控工艺参数，这对于改善沉积层的宏观形貌特征，优化沉积层组织以及性能等都具有十分重要的意义。
[0005]针对结构零件3D打印过程，开展温度场、应力应变场和微观组织等多场耦合模拟，将3D打印技术和有限元分析进行综合应用，通过动态计算沉积过程热累积程度以不断优化工艺参数，实现3D打印结构零件的组织、应力、变形和性能预测优化，达到结构零件3D打印微观组织均匀化调控的目的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是设计一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法。
[0007]本专利技术要解决的主要问题是：传统实验方法预测热累积效应并优化工艺参数以调控微观组织和力学性能成本颇高、费时费力且最终提升效果难以保证。
[0008]本专利技术中提及的一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组
织均匀化调控方法，其具体内容为：
[0009](1)采用三维扫描仪采集实际结构零件激光增材制造几何尺寸并进行图像处理，并构建与其相对应的三维3D打印结构零件有限元模型；
[0010](2)针对有限元模型进行计算以获取温度场、应力场和变形结果，进一步提取热循环和热累积结果；
[0011](3)基于热累积、应力场和变形结果动态判定以优化获得从沉积层底部至顶部热输入梯度减小的工艺参数；
[0012](4)将宏观温度场结果进行插值耦合以构建微观组织场模型，计算获得结构零件3D打印过程的微观组织演变等微观变化；
[0013](5)基于微观组织仿真结果的均匀化程度动态判定识别以下一步输入工艺参数进行样件打印和力学性能测试，判断沉积层不同高度处力学性能是否均匀以最终获得微观组织和性能均匀化的增材样件并最终输出工艺参数。
[0014]优选地，步骤(1)是针对激光增材零件进行热作用范围进行分区，将其分为热源主作用区域、热影响区域和远离热作用区域，采用疏密过渡的网格划分方式对整个增材构件几何模型进行网格模型的建立，针对所需的材料进行材料热物性参数的设置，包括常温参数和随温度变化参数的定义，设置与实际情况相符的增材路径，加载位移边界条件、散热边界条件以及热源作用网格，输入包括激光功率和扫描速度在内的工艺参数并选取能够表征热源的热源模型完成有限元模型的建立。
[0015]优选地，步骤(2)是采用热机耦合方法进行温度场、应力场和变形的仿真计算，通过将模拟结果与实验结果进行对比达到吻合度后进行后续计算，通过提取热循环曲线以获取每层每道沉积过程中的峰值温度，从沉积层底部至沉积层顶部进行峰值温度差值计算以获取热累积数据，通过数值拟合计算获取热输入与热累积关系曲线。
[0016]优选地，步骤(3)是首先识别判定沉积层应力呈均匀分布后进一步识别判定变形是否均匀分布且变形量是否在合理范围，之后判定是否存在热累积现象，通过逐级迭代判定全部符合准则后输出工艺参数和宏观温度场结果，当单一因素不符合准则时直接进行梯度工艺参数的计算，通过设置沉积层底层工艺参数、顶层工艺参数和梯度参数过渡的梯度级数，与实际沉积层数进行匹配运算后获得从底层到顶层梯度减小热输入参数的获取，包括梯度减小的激光功率和梯度增大的扫描速度二者直接的动态匹配组合。
[0017]优选地，步骤(4)是考虑宏观温度场对3D打印结构零件的微观组织模拟结果的影响，建立3D打印结构零件的三维宏观温度场和微观组织场的耦合，通过建立形核模型和溶质场模型以建立微观组织生长模型，计算获得结构零件3D打印过程的微观组织演变等微观变化。
[0018]优选地，步骤(5)是首先根据微观组织模拟结果识别判定最终不同区域的微观组织是否呈均匀分布，当不满足该准则时返回有限元仿真模块重新获取梯度工艺参数，直至满足当下准则后输出模拟结果和对应工艺参数，进行实际式样的增材制造，针对实际式样进行无损检测判定其内部是否存在裂纹，当有裂纹时返回有限元仿真模块重新获取梯度工艺参数，直至满足当下准则后对式样进行力学性能测试，包括显微硬度测试和拉伸性能测试，针对不同高度处的力学性能均匀性进行判断，当力学性能呈非均匀分布时重复迭代上述步骤直至获取不同区域微观组织和力学性能均呈均匀分布的增材构件，并输出对应的工
艺参数。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]通过耦合温度场、应力场、变形场和微观组织场多个物理场，基于模拟结果中对应构件不同物理场分布均匀性进行反复迭代计算，能够获得微观组织和力学性能均呈均匀分布的3D打印结构零件。模型能够很好地对热累积现象进行定量计算和判别优化，并能考虑温度场变化与应力场和变形的影响，基于热累积现象、应力变形和微观组织分布地均匀性、构件内部裂纹缺陷的产生和不同区域力学性能的差异性多方因素进行层层判别，动态逐级迭代获取与预期结果最相匹配的梯度工艺参数，实现基于仿真的结构零件3D打印过程中微观组织和力学性能的数值预测优化。优化结果能够同时满足微观组织和力学性能的均匀性以及裂纹缺陷的避免。
附图说明
[0021]图1为用于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法的实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)采用三维扫描仪采集实际结构零件激光增材制造几何尺寸并进行图像处理，并构建与其相对应的三维3D打印结构零件有限元模型；(2)针对有限元模型进行计算以获取温度场、应力场和变形结果，进一步提取热循环和热累积结果；(3)基于热累积、应力场和变形结果动态判定以优化获得从沉积层底部至顶部热输入梯度减小的工艺参数；(4)将宏观温度场结果进行插值耦合以构建微观组织场模型，计算获得结构零件3D打印过程的微观组织演变等微观变化；(5)基于微观组织仿真结果的均匀化程度动态判定识别以下一步输入工艺参数进行样件打印和力学性能测试，判断沉积层不同高度处力学性能是否均匀以最终获得微观组织和性能均匀化的增材样件并最终输出工艺参数。2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法，其特征在于，上述步骤(1)是针对激光增材零件进行热作用范围进行分区，将其分为热源主作用区域、热影响区域和远离热作用区域，采用疏密过渡的网格划分方式对整个增材构件几何模型进行网格模型的建立，针对所需的材料进行材料热物性参数的设置，包括常温参数和随温度变化参数的定义，设置与实际情况相符的增材路径，加载位移边界条件、散热边界条件以及热源作用网格，输入包括激光功率和扫描速度在内的工艺参数并选取能够表征热源的热源模型完成有限元模型的建立。3.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法，其特征在于，上述步骤(2)是采用热机耦合方法进行温度场、应力场和变形的仿真计算，通过将模拟结果与实验结果进行对比达到吻合度后进行后续计算，通过提取热循环曲线以获取每层每道沉积过程中的峰值温度，从沉积层底部至沉积层顶部进行峰值温度差值计算以获取热累积数据，通过数值拟合计算获...

【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，高转妮，王磊磊，师慧姿，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：