[发明专利]一种镁合金激光选区熔化微观组织演变的数值模拟方法

说明书

本发明提供了一种镁合金激光选区熔化微观组织演变的数值模拟方法，其中，采用高斯面热源模型来模拟激光的扫描；获得激光选区熔池的流场和温度场；应用VOF法追踪自由界面；在宏观几何模型中选取特定的二维截面进行微观组织模拟计算；分别建立熔融粉末中的等轴晶形核模型和熔池边缘外延生长的柱状晶的形核模型；分别建立固相溶质扩散模型和液相溶质扩散模型；确定枝晶的生长动力学模型，并根据元胞捕获规则进行迭代计算；对计算得到的数据保存，进行可视化处理。本发明的方法能够准确定量预测镁合金激光选区熔化工艺下的微观组织演化过程。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及镁合金，具体涉及一种镁合金激光选区熔化微观组织演变的数值模拟方法。

背景技术

镁合金除了具有质量轻，比强度高的纯金属镁的固有特性，还以出色的抗蠕变性能和耐高温性能，广泛应用航空航天，交通运输，机械制造以及通讯电子等领域。然而，传统压力铸造的方法带来的疏松、缩孔等缺陷制约了镁合金性能的进一步提升。

激光选区熔化(SLM)是一种直接制造零件的增材制造技术，不仅可加工传统铸造难以实现的复杂形状，同时可制备高致密度成形件。该技术为实现航空发动机、汽车部件等轻量化设计创造了重要条件。但SLM是一个涉及多物理过程的制造工艺，其采用的数字化扫描路径逐点快速熔凝的“离散+堆积”成形特征，使得移动熔池凝固行为和组织演化对零件的几何形状和力学性能产生重要影响。准确把握熔池的动态行为及微观组织演化机制，对于实现镁合金SLM的精确在线控制、优化成形件性能至关重要。

SLM的力学性能和微观组织有着密切的联系，现有的实验动态表征手段只能通过高速摄像机(CCD)等方式观察熔池表面的熔化和凝固行为，无法对微观组织演化过程进行动态描述。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种镁合金激光选区熔化微观组织演变的数值模拟方法，以解决现有技术中的表征方法无法对微观组织演化过程进行动态描述的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种镁合金激光选区熔化微观组织演变的数值模拟方法，该方法按照以下步骤进行：

步骤1，在建模软件中建立宏观几何模型，并划分单元网格，进行边界条件的设置，确定材料的物理参数；

步骤2，确定激光选区熔化加工过程数值模拟的热源模型，采用热源模型来模拟激光的扫描；

步骤3，联立求解质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，获得激光选区熔池的流场和温度场；考虑了氩气保护气体及粉末层和基板的金属相两相，应用VOF法追踪自由界面；

步骤4，在宏观几何模型中选取特定的二维截面进行微观组织模拟计算；

所述的特定的二维截面为三维熔池温度场横截面、三维熔池温度场纵截面或三维熔池温度场水平截面；

用均匀宏观单元节点温度监测点进行分割，对监测点热历史曲线在时间上和空间上进行插值处理，作为微观计算的温度场；

步骤5，步骤4中获得的微观计算的温度场所对应的区域即为微观计算区域；

当进行等轴晶生长模拟时，在所述的微观计算区域的几何中心直接置入枝晶形核心；

当进行平面状到胞状再到柱状晶的生长模拟时，针对所述的微观计算区域，建立熔池边缘外延生长的柱状晶的形核模型；

当进行柱状晶向等轴晶转变的枝晶生长模拟时，针对所述的微观计算区域，分别建立熔融粉末中的等轴晶形核模型和熔池边缘外延生长的柱状晶的形核模型；

步骤6，针对所述的微观计算区域，分别建立固相溶质扩散模型和液相溶质扩散模型；