[發明專利]一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法

在審

• 申請號: 202010130633.X
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111339670A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 張敏;郭宇飛;黃超;郭釗;張立勝;王剛
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00;G06F111/10
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 張皎

1.一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1：定義熔池形狀；

步驟2：建立枝晶形核與生長模型；

步驟3：建立溶質分配與擴散模型；

步驟4：模擬計算及結果導出。

2.根據權利要求1所述的一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，其特征在于，所述步驟1按照以下具體步驟實施：

步驟1.1、建模時，將整個模擬區域分為兩個部分，上半部分熔池以外的區域定步驟2.1義為空氣，下半部分熔池以外的區域定義為母材；

步驟1.2、上半部分熔池形狀可以通過以下公式建立：

步驟1.3、下半部分熔池形狀可以通過以下公式建立：

式中：(i,j)為任意一點的坐標；(i₁,j₁)為上半部分熔池頂部的坐標；(i₂,j₂)為下半部分熔池底部的坐標。

3.根據權利要求1所述的一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，其特征在于，所述步驟2按照以下具體步驟實施：

步驟2.1、在某一過冷度ΔT時所形成的晶粒密度n(ΔT)如下式所示：

dn/d(ΔT)的表達式如下：

式中：n_max為非均勻形核密度的最大值；ΔT_σ為標準曲率過冷度；ΔT_max為最大形核過冷度；

步驟2.2、晶核形成后在過冷度的作用下會不斷生長，在生長過程中排出的溶質濃度為：

式中：Dl為液相擴散系數；Δt為步長時間；dx為網格尺寸；

步驟2.3、隨著晶粒的長大，液相不斷地轉變為固相，固相率的增長可以用下式進行計算：

式中：k0為溶質平衡分配系數；A為擾動因子；rand()能夠在[0,1]產生一個隨機數。

4.根據權利要求1所述的一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，其特征在于，所述步驟3具體按照以下步驟實施：

枝晶在生長過程中排出的溶質會導致枝晶周圍液相溶質濃度升高，使液相元胞間出現較大的濃度梯度，加劇溶質的擴散，對于二維非穩態溶質擴散，采用如下控制方程：

式中：Dl、Ds分別表示液相擴散系數和固相擴散系數。

5.根據權利要求1所述的一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，其特征在于，所述步驟4具體按照以下步驟實施：

基于步驟1～3所構建的模型進行編程，將編好的程序導入模擬軟件Matlab中，輸入合金的熱物性參數以及各種焊接工藝參數，進行計算即可得到激光熔覆過程中枝晶生長的模擬結果。