[發明專利]一種鎂合金激光選區熔化微觀組織演變的數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110966426.2
• 申請日: 2021-08-23
• 公開（公告）號: CN113807033A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 王文禮;劉文強;徐蓉蓉;戴秋昀
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06T3/40;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 王孝明

本發明提供了一種鎂合金激光選區熔化微觀組織演變的數值模擬方法，其中，采用高斯面熱源模型來模擬激光的掃描；獲得激光選區熔池的流場和溫度場；應用VOF法追蹤自由界面；在宏觀幾何模型中選取特定的二維截面進行微觀組織模擬計算；分別建立熔融粉末中的等軸晶形核模型和熔池邊緣外延生長的柱狀晶的形核模型；分別建立固相溶質擴散模型和液相溶質擴散模型；確定枝晶的生長動力學模型，并根據元胞捕獲規則進行迭代計算；對計算得到的數據保存，進行可視化處理。本發明的方法能夠準確定量預測鎂合金激光選區熔化工藝下的微觀組織演化過程。

技術領域

本發明屬于增材制造技術領域，涉及鎂合金，具體涉及一種鎂合金激光選區熔化微觀組織演變的數值模擬方法。

背景技術

鎂合金除了具有質量輕，比強度高的純金屬鎂的固有特性，還以出色的抗蠕變性能和耐高溫性能，廣泛應用航空航天，交通運輸，機械制造以及通訊電子等領域。然而，傳統壓力鑄造的方法帶來的疏松、縮孔等缺陷制約了鎂合金性能的進一步提升。

激光選區熔化(SLM)是一種直接制造零件的增材制造技術，不僅可加工傳統鑄造難以實現的復雜形狀，同時可制備高致密度成形件。該技術為實現航空發動機、汽車部件等輕量化設計創造了重要條件。但SLM是一個涉及多物理過程的制造工藝，其采用的數字化掃描路徑逐點快速熔凝的“離散+堆積”成形特征，使得移動熔池凝固行為和組織演化對零件的幾何形狀和力學性能產生重要影響。準確把握熔池的動態行為及微觀組織演化機制，對于實現鎂合金SLM的精確在線控制、優化成形件性能至關重要。

SLM的力學性能和微觀組織有著密切的聯系，現有的實驗動態表征手段只能通過高速攝像機(CCD)等方式觀察熔池表面的熔化和凝固行為，無法對微觀組織演化過程進行動態描述。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于，提供一種鎂合金激光選區熔化微觀組織演變的數值模擬方法，以解決現有技術中的表征方法無法對微觀組織演化過程進行動態描述的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種鎂合金激光選區熔化微觀組織演變的數值模擬方法，該方法按照以下步驟進行：

步驟1，在建模軟件中建立宏觀幾何模型，并劃分單元網格，進行邊界條件的設置，確定材料的物理參數；

步驟2，確定激光選區熔化加工過程數值模擬的熱源模型，采用熱源模型來模擬激光的掃描；

步驟3，聯立求解質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，獲得激光選區熔池的流場和溫度場；考慮了氬氣保護氣體及粉末層和基板的金屬相兩相，應用VOF法追蹤自由界面；

步驟4，在宏觀幾何模型中選取特定的二維截面進行微觀組織模擬計算；

所述的特定的二維截面為三維熔池溫度場橫截面、三維熔池溫度場縱截面或三維熔池溫度場水平截面；

用均勻宏觀單元節點溫度監測點進行分割，對監測點熱歷史曲線在時間上和空間上進行插值處理，作為微觀計算的溫度場；

步驟5，步驟4中獲得的微觀計算的溫度場所對應的區域即為微觀計算區域；

當進行等軸晶生長模擬時，在所述的微觀計算區域的幾何中心直接置入枝晶形核心；

當進行平面狀到胞狀再到柱狀晶的生長模擬時，針對所述的微觀計算區域，建立熔池邊緣外延生長的柱狀晶的形核模型；

當進行柱狀晶向等軸晶轉變的枝晶生長模擬時，針對所述的微觀計算區域，分別建立熔融粉末中的等軸晶形核模型和熔池邊緣外延生長的柱狀晶的形核模型；

步驟6，針對所述的微觀計算區域，分別建立固相溶質擴散模型和液相溶質擴散模型；