[发明专利]一种精细选区激光熔化温度场模拟与相场耦合模拟方法

说明书

本发明提供了一种精细选区激光熔化温度场模拟与相场耦合模拟方法，包括以下步骤：基于离散元方法构建选区激光熔化随机堆垛的粉末床几何模型；建立传热‑流体流动模型，模拟熔池的宏观温度分布；提取熔池边界的温度梯度和冷却速率，并将温度梯度和冷却速率作为有限界面耗散相场模型的输入，模拟选区激光熔化过程中熔池微区的非平衡凝固组织演化。该方法基于离散元方法构建精细的SLM粉末床几何模型，并建立准确的传热‑流体流动模型来模拟熔池的宏观温度分布，提取熔池边界的温度梯度和冷却速率输入到有限界面耗散相场模型中，模拟SLM过程中熔池微区非平衡凝固组织演化，并构建工艺参数与微观组织的定量关系。

技术领域

本发明涉及SLM温度场和相场模拟领域，具体涉及一种精细选区激光熔化温度场模拟与相场耦合模拟方法。

背景技术

SLM是在计算机辅助作用下，通过激光将粉末熔化后凝固逐层打印零件的先进加工方法。然而，SLM技术仍然面临许多挑战，包括不确定的工艺参数、打印部件的过度缺陷以及微观结构和化学不均匀性。为了制造具有优良综合性能的零件，建立成分、工艺参数、微观结构和性能之间的关系至关重要。然而，SLM涉及许多工艺参数，导致实验研究周期长、成本高。随着近年来计算材料科学的发展，研究人员可以通过计算机数值模拟方法研究工艺参数和微观结构之间的关系，以缩小工艺参数的范围并指导实验。

熔池中的温度场分布对凝固的微观结构有着至关重要的影响。目前，对于SLM过程的微观组织模拟中，研究者简化几何模型或温度场模型来模拟温度场，获得不够准确的温度数据输入到相场模拟中研究微观组织演化，从而获得不够准确的熔池微观组织。本发明为了准确预测熔池内微观组织，构建了精细的粉末床几何模型和建立准确的传热-流体流动模型模拟熔池宏观温度场分布，并提取准确的温度梯度和冷却速度输入到有限界面耗散相场模型中预测熔池微区微观组织演化。多尺度建立工艺参数与微观组织的定量关系，以预测特定材料体系SLM工艺参数的范围。

将有限元求解的温度场与有限界面耗散相场模型进行弱耦合(Karayagiz K，Johnson L，Seede R，et al.Finite interface dissipation phase field modeling ofNi-Nb under additive manufacturing conditions[J].Acta Materialia，2020，185:320-339.)，定量模拟了NiNb合金激光粉末床熔化凝固过程中的微结构演化。该工作通过大量模拟获得了以温度梯度和冷却速率为变量的凝固组织图。但是温度场模拟非常简化，第一，粉末床几何模型为一个长方体，没有考虑随机堆垛的粉末床几何模型；第二，仅仅求解传热方程，并没有考虑熔体流动对温度场的影响。因此，其模拟的温度场数据不够准确，影响后续相场模拟结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于构建精细的粉末床几何模型和准确的传热-流体流动模型，建立准确的传热-流体流动模型模拟熔池宏观温度场分布，并提取准确的温度场数据(温度梯度和冷却速度)输入到有限界面耗散相场模型中预测熔池微区微观组织演化。

研究熔池内温度分布，提取温度梯度和冷却速率输入到FIDPFM中，研究熔池微区微观组织演化，建立工艺参数和微观组织的定量关系。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种精细选区激光熔化温度场模拟与相场耦合模拟方法，包括以下步骤：

(1)基于离散元方法构建选区激光熔化随机堆垛的粉末床几何模型；

(2)建立传热-流体流动模型，模拟熔池的宏观温度分布；

(3)提取熔池边界的温度梯度和冷却速率，并将温度梯度和冷却速率作为有限界面耗散相场模型的输入，模拟选区激光熔化过程中熔池微区的非平衡凝固组织演化。

进一步地，传热模型考虑激光加热、对流、辐射和热蒸发传热机制，流体流动模型采用纳维-斯托克斯方程，使用流体体积法对自由表面进行跟踪。