[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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

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。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明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：

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；