[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

本發明公開了一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，首先定義熔池形狀并建立枝晶的形核與生長模型，然后建立溶質分配與擴散模型，最后編寫計算機程序，輸入合金熱物性參數以及各種焊接工藝參數，導入模擬計算軟件，進行計算即可得到模擬結果。本模型研究周期短、節能能源，能夠模擬鎳基合金熔覆層凝固過程中枝晶的生長形貌、溶質濃度分布以及形核基底數、表面換熱系數、熱輸入等參數對枝晶生長的影響，從而對提高鎳基合金熔覆層性能起到一定的指導作用。

技術領域

本發明屬于金屬材料激光熔覆數值模擬技術領域，具體涉及一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法。

背景技術

激光熔覆能夠改善工件表面的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等性能，具有可控性好、熔覆層組織致密并且結合強度高、易于實現自動化控制等優點。因此，已經成為了材料表面局部強化的一種有效途徑。激光熔覆既能夠提高材料表面的性能，使之達到我們使用的要求，又能夠節約大量的貴重戰略金屬原料，既可用于材料表面改性，還可用于材料表面的修復，因此，激光熔覆應用前景十分廣闊。

激光熔覆過程中會發生各種復雜的現象，傳統的實驗研究方法不僅費時費力，而且不能直觀的再現激光熔覆的具體過程。元胞自動機法作為一種研究凝固過程中各種復雜變化現象的手段，可以清晰地再現激光熔覆過程中產生的各種復雜現象，能夠便于我們研究熔覆層的組織結構，從而提高熔覆層的性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，具有幫助科研人員研究鎳基合金熔覆層的微觀組織結構的特點。

本發明所采用的技術方案是，一種鎳基合金激光熔覆過程中枝晶生長數值模擬方法，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。

本發明的特點還在于：

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。

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；