[发明专利]一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，具体步骤如下：首先对熔池形状进行简化条件并建立模型，然后建立枝晶的形核与生长模型，最后编写计算机程序，输入合金热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算即可得到模拟结果。本模型耗时短、节能环保、无污染，能够模拟堆焊熔池凝固过程中枝晶的生长形貌、溶质浓度分布、择优生长以及研究温度梯度、扰动振幅、各向异性强度等焊接工艺参数对枝晶生长的影响，从而对改善堆焊层性能起到一定的借鉴作用。

技术领域

本发明属于金属材料焊接工艺数值模拟方法技术领域，具体涉及一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法。

背景技术

随着人类科学技术的不断发展，传统的钢铁材料在许多方面已经难以满足人们的使用要求。而镍基合金具有良好的耐热性、耐磨性、耐蚀性等特点，综合性能良好，但是由于镍基合金的生产成本较高，单纯使用镍基合金势必会大大提高生产成本。堆焊作为一种材料表面改性技术，提供了一种既经济又实用的技术方法，将性能优良但成本较高的镍基合金借助于一定的焊接热源熔敷到成本低廉的母材表面，从而提高母材的表面性能，满足人们的使用要求。

由于焊接熔池凝固组织对堆焊层的性能影响很大，因此，对焊接熔池凝固组织的控制非常重要。传统的焊接熔池凝固组织控制方法主要是通过对过程参量的选择、计算等实现，这种方法需要大量的实验积累，尽管这种建立在实验基础上的近似方法有助于解决一些实际问题，但它不能给出焊接熔池凝固过程中晶粒的形成及生长的具体过程。数值模拟作为一种新兴的研究焊接熔池凝固过程的技术，可以精确、量化合金凝固过程中的各种现象与演化规律，弥补了传统实验方法的缺点。所以，建立一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法就尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，解决了现有技术中存在的缺少一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；

步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；

步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；

步骤4：模拟计算及结果导出。

本发明的特点还在于：

步骤1中简化条件包括：

简化条件1、建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；

简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆；

简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域；

简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；

简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；

步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：

R²＝(i-i₀)²+(j-j₀)²

式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i₀,j₀)为熔池中心的坐标。

步骤2按照以下具体步骤实施：

步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；