[发明专利]金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法

说明书

本发明提供了一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，该方法包括以下步骤：S1，建立金属增材制造工艺数据模型；S2，在微观尺度上，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；S3，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算；S4，在介观尺度上，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究；S5，利用流‑热‑固‑磁多物理场耦合仿真平台进行仿真计算；S6，建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。本发明通过多尺度多物理场耦合仿真的手段，形成宏微观一体化的金属增材制造产品质量预测体系。

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法。

背景技术

金属增材制造技术是一种逐层增加材料而形成三维复杂结构零件的制造方法，具体分为同步送粉（送丝）激光（电子束、电弧等）熔覆成形技术和激光（电子束）选区熔化的粉末床成形技术两大类。1995年起，美国国防部先进研究计划署和海军研究办公室对该技术开展了一系列研究，计划使其在几年内实现工程化。然而，受限于当时激光器稳定性、控制系统技术水平等关键技术问题，金属增材制造技术一直未能实现工业化应用。最近，随着德国工业4.0、美国制造业创新网络、中国制造2025等工业发展战略概念的提出，金属增材制造技术进入高速发展期。

金属增材制造技术有望解决航空、航天等高端技术领域对钛合金、镍基合金、高强铝合金、特殊合金钢等金属材料大型关键构件的轻质、高效和高可靠性的需求。当前，金属增材制造在制造环境及微观结构可控性、缺陷形成及演化机理、残余应力控制及变形开裂预防、疲劳寿命、技术标准体系等方面遇到技术瓶颈，导致金属增材制造的应用领域受限。

金属增材制造过程“材料物理冶金”和“材料热物理”等材料科学基础问题的研究，是解决高性能大型金属构件增材制造过程中“热应力控制和变形开裂预防”及构件“内部质量和力学性能控制”等瓶颈的重要手段。金属增材制造材料基础问题实验研究方面，美国、德国等多家机构研究了钛合金、镍基高温合金、不锈钢、合金钢等高性能难熔金属构件激光增材制造技术。国内多家高校和研究院所对TC4等钛合金、IN718等镍基高温合金、NiTi合金以及Ti/Ni梯度材料等进行了大量激光增材制造工艺、组织结构和性能的实验研究与应用。

目前，金属增材制造的优化仍处于试错试验研究阶段，从资金和时间成本上限制了金属增材制造技术的快速发展与应用。同时，由于高性能金属增材制造过程中冶金缺陷的形成与发展机理、以及应力应变演化等方面的研究缺少可靠的实验技术和手段，开展金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真研究，能够有效地揭示熔池状态变化、冶金缺陷的形成与发展机理、材料组织演化与结构变形的耦合机制，实现材料-工艺-缺陷演变-性能的精准形性调控，提高金属增材制造产品的质量、性能和寿命。

发明内容

本发明的目的就是针对现有金属增材制造技术的不足，提出一种能够揭示增材制造过程中显微组织演化规律、冶金缺陷的形成与发展机理、残余应力与变形以及精确控形控性机制的多尺度多物理场耦合仿真方法，建立材料-工艺-缺陷演变-性能的金属增材制造精准预测模型。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，用于对金属增材制造过程中产生的显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射以及残余应力与变形进行多尺度多物理场耦合仿真模拟，该方法包括以下步骤：

S1，通过动态数据建模的方式，建立金属增材制造工艺数据模型，其中包括增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库；

S2，在微观尺度上，基于量子力学理论，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；