一种基于相场-格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法技术

本发明专利技术属于增材制造过程组织演化数值模拟技术领域，提供了一种基于相场

【技术实现步骤摘要】
一种基于相场
‑
格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法


[0001]本专利技术属于增材制造过程组织演化数值模拟
，特别涉及一种基于相场
‑
格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术是目前最具潜力的高端制造技术之一，由于其能兼顾成形与高性能的需求，在材料加工和材料修复领域得到了高速发展。它以高能激光束为热源，通过逐层制造的加工方式，实现三维实体零件的成形。此外，由于增材制造过程是一个反复熔化凝固的过程，不断的积冷与积热会导致其构件内部热应力的产生，导致成形过程中组织缺陷的产生，从而显著的降低其力学性能。因此，深入了解凝固微观组织形貌以及元素的偏析尤为重要。
[0003]鉴于传统的实验方法仅能观察到完全凝固后的最终组织，无法动态观察枝晶的生长过程。此外，若采用原位X
‑
ray观测，则成本较大，同时由于合金的不透明性致使其适用范围有限。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于相场
‑
格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法。本专利技术的方法能够准确预测合金凝固的微观组织形貌。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种基于相场
‑
格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法，包括以下步骤：/>[0007]测定合金参数；
[0008]将激光参数和合金参数导入宏观熔池的流动传热模型，得到宏观熔池的温度场信息和流场信息；
[0009]提取宏观熔池中需要模拟的局部位置的参数；所述局部位置的参数包括温度梯度、凝固速度和界面前沿流速；
[0010]将提取的参数代入相场
‑
格子玻尔兹曼模型，得到微观组织模拟数据包；
[0011]将所述微观组织模拟数据包进行可视化处理，得到合金凝固微观组织形貌。
[0012]优选地，所述合金包括镍基合金、钛基合金或铝基合金。
[0013]优选地，所述合金参数包括密度、热传导系数、动力学粘度和热容。
[0014]优选地，所述激光参数包括激光功率、扫描速度和激光吸收率。
[0015]优选地，所述的流动传热模型如下：
[0016][0017][0018][0019]其中：ρ表示合金的密度，u表示合金形成的熔体的速度，κ表示合金的热传导系数，c
p
表示合金热容，p表示计算过程中合金形成的熔体的压力，g是重力加速度，μ表示合金的动力学粘度，T表示计算过程中合金的温度，t表示时间；表示凝固潜热，其中，L表示合金的潜热，f
L
表示计算过程中合金形成的熔体的液相率；所述f
L
的表达式为：
[0020][0021]式中，T
s
和T
L
分别为合金的固相温度和液相温度。
[0022]优选地，所述流动传热模型的表面边界条件为：
[0023][0024]式中，κ表示合金的热传导系数，T表示温度，T
e
表示环境温度，n表示界面法线方向，h
c
为对流换热系数；σ为Stefan
‑
Boltzmann常数；ε为表面辐射发射率；q
L
表示激光热源输入，当所述激光热源输入为平顶光型时，q
L
表达为：
[0025][0026]式中，q
s
表示热通量，P表示激光功率的大小，r
b
为聚焦激光束的有效面积，x，y代表笛卡尔坐标位置，x0，y0表示初始激光的位置，η表示激光吸收率。
[0027]优选地，所述相场
‑
格子玻尔兹曼模型涉及薄界面相场模型、浓度场方程和格子波尔茨曼模型；
[0028]所述薄界面相场模型为：
[0029][0030]式中，τ
φ
＝τ0(1
‑
(1
‑
k)U)a
s
(θ)2，，
[0031]式中，引入φ为序参量，当φ＝1时为固相，当φ＝
‑
1时为液相，λ为耦合系数，θ为
凝固界面法向与参考方向之间的夹角；利用冷却温度近似法计算得到；所述冷却温度近似法为T(z)＝T0+G(Z
‑
V
p
t)，T0为凝固的参考温度，G表示温度梯度，lT表示热长度，ml表示液相线斜率，V
p
表示凝固速度，所述V
p
表示为：
[0032]V
p
＝V
s
cosβ；
[0033]式中，V
s
表示激光的扫描速度，β表示界面法线与x方向的夹角。
[0034]优选地，所述浓度场方程为：
[0035][0036]式中：τ
φ
＝τ0(1
‑
(1
‑
k)U)a
s
(θ)2，
[0037]式中，c
∞
表示溶质的初始浓度，表示无量纲扩散系数，c表示溶质浓度，表示反溶质截留项。
[0038]优选地，所述格子波尔茨曼模型为二维D2Q9的格子波尔茨曼模型；所述二维D2Q9的格子波尔茨曼模型为：
[0039][0040]式中，f
k
表示不同方向上的速度分布函数，其中k＝0～8；c
k
表示为不同方向上的粒子速度，τ
LBM
为单松弛时间，为平衡速度分布函数；表示为：
[0041][0042]式中，ρ表示密度，w
k
表示不同方向的权重系数，c为格子速度，G
k
为离散外力项；G
k
表示为：
[0043][0044]式中，
[0045]式中，G
D
为界面处的耗散力项，h为常数，G
F
为强制对流项，通过和来计算密度和速度的值。
[0046]优选地，所述提取的参数代入相场
‑
格子玻尔兹曼模型，得到微观组织模拟数据包包括以下步骤：
[0047]初始化时间步：t＝1；
[0048]输入提取的参数温度梯度G、凝固速度V
p
和界面前沿流速u，并对φ、U和u进行初始化；
[0049]基于φ(i
‑
1)和U(i
‑
1)，求解所述薄界面相场模型，计算得到φ(i)；
[0050]基于所述φ(i)，求解所述格子波尔茨曼模型，计算得到u(i)；
[0051]基于所述u(i)、φ(i)和U(i
‑
1)，求解所述浓度场方程，得到U(i)；
[0052]循环以上步骤，直至t＝tmax。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相场
‑
格子波尔茨曼方法的多尺度模型预测合金凝固微观组织形貌的方法，其特征在于，包括以下步骤：测定合金参数；将激光参数和合金参数导入宏观熔池的流动传热模型，得到宏观熔池的温度场信息和流场信息；提取宏观熔池中需要模拟的局部位置的参数；所述局部位置的参数包括温度梯度、凝固速度和界面前沿流速；将提取的参数代入相场
‑
格子玻尔兹曼模型，得到微观组织模拟数据包；将所述微观组织模拟数据包进行可视化处理，得到合金凝固微观组织形貌。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金包括镍基合金、钛基合金或铝基合金。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金参数包括密度、热传导系数、动力学粘度和热容。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光参数包括激光功率、扫描速度和激光吸收率。5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的流动传热模型如下：5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的流动传热模型如下：5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的流动传热模型如下：其中：ρ表示合金的密度，u表示合金形成的熔体的速度，κ表示合金的热传导系数，c
p
表示合金热容，p表示计算过程中合金形成的熔体的压力，g是重力加速度，μ表示合金的动力学粘度，T表示计算过程中合金的温度，t表示时间；表示凝固潜热，其中，L表示合金的潜热，f
L
表示计算过程中合金形成的熔体的液相率；所述f
L
的表达式为：式中，T
s
和T
L
分别为合金的固相温度和液相温度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流动传热模型的表面边界条件为：式中，κ表示合金的热传导系数，T表示温度大小，T
e
表示环境温度，n表示界面法线方向，h
c
为对流换热系数；σ为Stefan
‑
Boltzmann常数；ε为表面辐射发射率；q
L
表示激光热源输入，当所述激光热源输入为平顶光型时，q
L
表达为：
式中，q
s
表示热通量，P表示激光功率的大小，r
b
为聚焦激光束的有效面积，x，y代表笛卡尔坐标位置，x0，y0表示初始激光的位置，η表示激光吸收率。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相场
‑
格子玻尔兹曼模型涉及薄界面相场模型、浓度场方程和格子波尔茨曼模型；所述薄界面相场模型为：式中，τ
φ
＝τ0(1
‑
(1

【专利技术属性】
技术研发人员：王江，任忠鸣，徐松哲，陈超越，卢鹤宇，胡涛，帅三三，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：