[发明专利]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

权利要求书

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，能量守恒方程为：

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)；

其中，

ΔH＝Lf_l

式中，L——熔化潜热(J/kg)，f_l——液相质量分数；

其中，

式中，下标s和l代表固相和液相。

5.根据权利要求4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：

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)；

其中，

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)。