一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法技术

本发明专利技术提供一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，属于属于激光金属增材制造领域，为解决现有方法对于增材制造过程中的数值模拟主要集中在分析熔池附近温度场、应力场和熔体流场，以分析熔池凝固过程和缺陷产生原因，缺少针对增材制造熔融沉积层微观组织形貌和尺寸预测的数值模拟方法。本发明专利技术通过构建激光金属增材制造熔融沉积层的几何模型，构建数值模型包括激光热源模型、熔池表面动态追踪模型、相变传热模型与液态金属流动模型，对熔融沉积层熔池瞬态温度场分布截面进行求解，进一步计算形态参数与冷却速率，以预测熔融沉积层微观组织形貌与尺寸。本发明专利技术可快速预测不同工艺参数下的熔融沉积层微观组织形貌与尺寸分布。织形貌与尺寸分布。织形貌与尺寸分布。

【技术实现步骤摘要】
一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法


[0001]本专利技术涉及激光金属增材制造领域，具体而言，涉及一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法。

技术介绍

[0002]金属增材制造是指以金属粉末或丝材为原料，结合计算机辅助设计和激光加工等技术，通过逐层累积的方式实现三维结构制造的成形技术。与铸造等传统成形工艺相比，增材制造无需昂贵的模具，因此可以大大缩短研发周期和生产成本，以粉末为材料的激光金属增材制造技术(如选区激光熔化技术和直接能量沉积技术)可以制造高致密度低缺陷复杂零部件，被认为是二十一世纪最具有潜力的先进制造技术之一。
[0003]得益于计算机技术的飞速发展，越来越多的数值模拟模型和方法已经被广泛应用于增材制造过程中温度场、应力场和熔池内流场的分析研究，并且模拟与实验结果具有很高的一致性。另一方面，增材制造产品的力学性能(如拉伸强度、断后伸长率、硬度等)与沉积层内部微观结构的晶粒形貌和晶粒尺寸密切相关，一般情况下，细小的等轴晶可以带来更高的强度、硬度、塑性和韧性，粗大的柱状晶往往带来较差的力学性表现。目前对于增材制造过程中的数值模拟主要集中在分析熔池附近温度场、应力场和熔体流场上，以帮助研究人员更好得理解熔池凝固过程和缺陷产生原因，缺少专门针对增材制造熔融沉积层微观组织形貌和尺寸预测的数值模拟方法。
[0004]在激光金属增材制造过程中，熔池内温度梯度G和凝固速率R是影响熔池内熔体凝固行为的关键参数。温度梯度G和凝固速率R对熔融沉积层微观组织形貌和尺寸的影响规律如图2所示，其中熔融沉积层微观组织形貌受G和R的组合参数形态参数(G/R)的影响，形态参数越小，微观组织形貌由平面晶向胞状晶、柱状晶和等轴晶转变；熔融沉积层微观组织尺寸受G和R的组合参数冷却速率(G
×
R)的影响，冷却速率越大，微观组织尺寸越细小。
[0005]为了解决目前激光金属增材制造微观结构形貌尺寸数值模拟预测方法的缺失，亟需一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，以根据形态参数G/R和冷却速率G
×
R，来预测熔融沉积层微观组织的形貌和尺寸。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：
[0007]现有方法对于增材制造过程中的数值模拟主要集中在分析熔池附近温度场、应力场和熔体流场，以分析熔池凝固过程和缺陷产生原因，缺少专门针对增材制造熔融沉积层微观组织形貌和尺寸预测的数值模拟方法。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一、构建激光金属增材制造熔融沉积层的几何模型，并分别对加工区域和非
加工区域进行网格划分；
[0011]步骤二、构建数值模型及控制方程，所述数值模型包括激光热源模型、熔池表面动态追踪模型、相变传热模型与液态金属流动模型；
[0012]步骤三、设置模型金属的热物性参数；
[0013]步骤四、对熔融沉积层熔池温度场进行求解，对温度场沿平行于激光扫描方向进行截面，得到多个熔融沉积层熔池瞬态温度场分布截面；
[0014]步骤五、基于瞬态温度场分布截面，提取每个截面对应的液相线，根据液相线计算温度梯度G与凝固速率R；
[0015]步骤六、将得到的各截面的温度梯度G与凝固速率R投影至同一个垂直于激光扫描方向的横截面上，获得的整个凝固过程熔池内部的温度梯度G与凝固速率R云图；
[0016]步骤七、求取形态参数G/R与冷却速率G
×
R二维横截面投影云图，预测熔融沉积层微观组织形貌与晶粒尺寸。
[0017]进一步地，步骤二中所述激光热源模型将热源密度分布近似于符合正态分布的Gauss热源模型，激光热源在气/液界面上满足：
[0018][0019]式中，q——热流密度分布J/m2.s，P——激光功率(W)，η
l
——激光能量吸收系数，r——光斑半径(m)，v——扫描速度(m/s)，x、y——距离激光束中心的距离(m)，h——对流换热系数(W/(m2·
K))，T——加工温度(K)，T0——环境温度(K)，σ
b
——玻尔兹曼常数，ε——材料吸收率。
[0020]进一步地，步骤二中所述熔池表面动态追踪模型采用移动网格方法模拟熔池表面熔融沉积层的沉积过程，由质量添加导致的界面移动速度V
p
为：
[0021][0022]式中，M
p
——送粉率(mg/min)，η
p
——粉末捕获效率，ρ
p
——粉末密度(kg/m3)，r
p
——粉末流半径(m)，z——抬高量方向的单位矢量。
[0023]进一步地，步骤二中所述相变传热模型，考虑热量传输过程中固/液相变引起的相变潜热造成影响，能量守恒方程为：
[0024][0025]式中，ρ——密度(kg/m3)，c
p
——比热(J/(kg
·
K))，u
i
——第i方向的速度分量(m/s)，k——热传导系数(W/(m
·
K))，ΔH——熔化潜焓容量(J/kg)；
[0026]其中，
[0027]ΔH＝Lf
l
[0028]式中，L——熔化潜热(J/kg)，f
l
——液相质量分数；
[0029]其中，
[0030][0031]式中，下标s和l代表固相和液相。
[0032]进一步地，步骤二中所述液态金属流动模型采用不可压缩的Navior
‑
Stokes方程描述熔池中的液态金属，考虑由于糊状区枝晶凝固导致的对流动量耗散，并考虑液体膨胀导致的体积力和熔体中Marangoni效应引起的表面张力，其质量守恒和动量守恒方程为：
[0033][0034][0035]式中，μ——粘度(Pa
·
s)，p——压力(Pa)，K0——表征多孔介质形态的常数，B——粘性耗散项中为了避免分母为零而设置的小数，F——体积力、重力、熔体表面张力的共同作用(N/m3)；
[0036]其中，
[0037][0038]式中，g——重力加速度(m/s2)，β——金属热膨胀系数(1/K)，γ——表面张力温度系数(N/(K
·
m))，σ——表面张力(N/m)，κ——界面曲率(1/m2)。
[0039]进一步地，步骤三中所述热物性参数包括粉末密度、热传导系数、比热、粘度、焓，设置基材和粉末每个热物性参数随温度变化曲线。
[0040]进一步地，所述热物性参数随温度变化曲线采用混合率公式获得：
[0041][0042]式中，P——复合材料的热物性参数，P1——基础材料的热物性参数，P2——增强材料的热物性参数，——基础材料的体积分数，——增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、构建激光金属增材制造熔融沉积层的几何模型，并分别对加工区域和非加工区域进行网格划分；步骤二、构建数值模型及控制方程，所述数值模型包括激光热源模型、熔池表面动态追踪模型、相变传热模型与液态金属流动模型；步骤三、设置模型金属的热物性参数；步骤四、对熔融沉积层熔池温度场进行求解，对温度场沿平行于激光扫描方向进行截面，得到多个熔融沉积层熔池瞬态温度场分布截面；步骤五、基于瞬态温度场分布截面，提取每个截面对应的液相线，根据液相线计算温度梯度G与凝固速率R；步骤六、将得到的各截面的温度梯度G与凝固速率R投影至同一个垂直于激光扫描方向的横截面上，获得的整个凝固过程熔池内部的温度梯度G与凝固速率R云图；步骤七、求取形态参数G/R与冷却速率G
×
R二维横截面投影云图，预测熔融沉积层微观组织形貌与晶粒尺寸。2.根据权利要求1所述的激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，其特征在于步骤二中所述激光热源模型将热源密度分布近似于符合正态分布的Gauss热源模型，激光热源在气/液界面上满足：式中，q——热流密度分布J/m2.s，P——激光功率(W)，η
l
——激光能量吸收系数，r——光斑半径(m)，v——扫描速度(m/s)，x、y——距离激光束中心的距离(m)，h——对流换热系数(W/(m2·
K))，T——加工温度(K)，T0——环境温度(K)，σ
b
——玻尔兹曼常数，ε——材料吸收率。3.根据权利要求2所述的激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，其特征在于步骤二中所述熔池表面动态追踪模型采用移动网格方法模拟熔池表面熔融沉积层的沉积过程，由质量添加导致的界面移动速度V
p
为：式中，M
p
——送粉率(mg/min)，η
p
——粉末捕获效率，ρ
p
——粉末密度(kg/m3)，r
p
——粉末流半径(m)，z——抬高量方向的单位矢量。4.根据权利要求3所述的激光金属增材制造熔融沉积层的微观组织形貌预测方法，其特征在于步骤二中所述相变传热模型，考虑热量传输过程中固/液相变引起的相变潜热造成影响，能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：程健，董恩洁，赵林杰，陈明君，邢云皓，卢俊文，常庭毓，王景贺，刘赫男，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：