[发明专利]一种镍基合金激光熔覆过程中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激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法，首先定义熔池形状并建立枝晶的形核与生长模型，然后建立溶质分配与扩散模型，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，导入模拟计算软件，进行计算即可得到模拟结果。本模型研究周期短、节能能源，能够模拟镍基合金熔覆层凝固过程中枝晶的生长形貌、溶质浓度分布以及形核基底数、表面换热系数、热输入等参数对枝晶生长的影响，从而对提高镍基合金熔覆层性能起到一定的指导作用。

技术领域

本发明属于金属材料激光熔覆数值模拟技术领域，具体涉及一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法。

背景技术

激光熔覆能够改善工件表面的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性等性能，具有可控性好、熔覆层组织致密并且结合强度高、易于实现自动化控制等优点。因此，已经成为了材料表面局部强化的一种有效途径。激光熔覆既能够提高材料表面的性能，使之达到我们使用的要求，又能够节约大量的贵重战略金属原料，既可用于材料表面改性，还可用于材料表面的修复，因此，激光熔覆应用前景十分广阔。

激光熔覆过程中会发生各种复杂的现象，传统的实验研究方法不仅费时费力，而且不能直观的再现激光熔覆的具体过程。元胞自动机法作为一种研究凝固过程中各种复杂变化现象的手段，可以清晰地再现激光熔覆过程中产生的各种复杂现象，能够便于我们研究熔覆层的组织结构，从而提高熔覆层的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法，具有帮助科研人员研究镍基合金熔覆层的微观组织结构的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：定义熔池形状；

步骤2：建立枝晶形核与生长模型；

步骤3：建立溶质分配与扩散模型；

步骤4：模拟计算及结果导出。

本发明的特点还在于：

步骤1按照以下具体步骤实施：

步骤1.1、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步骤2.1义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；

步骤1.2、上半部分熔池形状可以通过以下公式建立：

步骤1.3、下半部分熔池形状可以通过以下公式建立：

式中：(i,j)为任意一点的坐标；(i₁,j₁)为上半部分熔池顶部的坐标；(i₂,j₂)为下半部分熔池底部的坐标。

步骤2按照以下具体步骤实施：

步骤2.1、在某一过冷度ΔT时所形成的晶粒密度n(ΔT)如下式所示：

dn/d(ΔT)的表达式如下：

式中：n_max为非均匀形核密度的最大值；ΔT_σ为标准曲率过冷度；ΔT_max为最大形核过冷度；

步骤2.2、晶核形成后在过冷度的作用下会不断生长，在生长过程中排出的溶质浓度为：

式中：Dl为液相扩散系数；Δt为步长时间；dx为网格尺寸；