[发明专利]一种激光熔凝层组织精确控制方法

说明书

本发明涉及一种激光熔凝层组织精确控制方法，其步骤包括首先建立激光熔凝温度场数值模拟模型，并根据实际检测的温度数据对上述温度场数值模拟模型进行修正优化，再利用所选样品的凝固组织与熔凝过程中的温度梯度G与凝固梯度R关系数据库，获得所选样品的凝固组织所对应的G和R值，代入优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应样品的熔凝工艺参数，最后利用该工艺参数对样品进行激光熔凝试验进而获得精确控制后的熔凝层组织。本发明通过模型与试验的结合方式，既可以精确获得所需的激光熔凝组织，也可以避免通过复杂的多次试验来实现对激光熔凝层组织精确控制，简化了操作，且精确了结果，且获得的样品的性能也大大提升。

技术领域

本发明属于激光加工方法技术领域，具体涉及一种激光熔凝层组织精确控制方法。

背景技术

材料的性能是由其微观组织决定的，包括相的种类和形态，而微观组织则是由凝固过程条件所决定，因此控制凝固过程以获得理想的组织和性能是研究人员追求的目标。激光熔凝是指利用高能密度的激光束扫描工件的表面，使表面一薄层熔化并在极快的冷却速度下凝固。激光熔凝可以在普通的金属材料表面获得高硬度、高耐磨性和高温性能的改性层；同时可使零件的心部仍保持较好的韧性，使零件具有耐蚀性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光熔凝是局部快速凝固非平衡物理冶金过程，该方法具有功率密度高工件变形小、工艺简单等特点，特别是激光熔凝的凝固界面的温度梯度可高达10³K/mm，凝固速度高达每秒数米，可以获得超细组织和结构，因此激光熔凝技术近年来在材料表面改性技术方面得到了广泛应用。

根据快速凝固原理，激光凝固后组织受到凝固材料化学成分、固液界面前沿的温度梯度(G)、凝固速度(R)、固液界面能等因素的影响。温度梯度(G)与凝固速度(R)的商决定着凝固组织，温度梯度(G)与凝固速度(R)积决定着凝固组织晶粒大小。随着G/R的增加，凝固组织依次为等轴晶，柱状晶，胞状晶及平面晶；而RG的积决定着晶粒的尺寸。

目前，国内外不少学者对激光熔凝的温度场进行了数值模拟，例如利用ANSYS有限元模拟软件，建立了激光熔凝RuT300三维实体有限元模型，研究了不同预热温度下激光熔凝的瞬态温度场,获得预热温度对温度分布、温度梯度、冷却速率等的影响规律；此外，专利CN201810621229.5公开了一种实现钛合金表面晶粒形态调控的脉冲激光表面熔凝方法。首先，对激光表面熔凝工艺窗口进行初步优化，在优化工艺窗口下对激光熔凝过程中熔池表面的定点温度变化进行记录，获得熔池中心的定点热循环曲线和平均冷却速率ξ；最后获得β晶形态受控的钛合金表面。该发明实现了钛合金表面β晶形态的调控，能有效提高成形件力学性能。

但是，目前在激光熔凝技术方面，由于激光熔凝过程是一个快速加热快速冷却的过程，在当前技术条件下难以通过对重熔过程进行实时测量来获得精确的温度场数据，然而，确定激光熔凝的温度变化对建立工艺参数与组织、性能之间的关系又是极其重要的。因此，设计一种能够利用数值模拟的方法对激光熔凝温度场进行分析，从而精确控制激光熔凝层组织的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种激光熔凝层组织精确控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种激光熔凝层组织精确控制方法，以下步骤：

步骤S1：基于有限元建立激光熔凝温度场数值模拟模型；

步骤S2：取样品进行激光熔凝试验并获得温度数据，根据该温度数据对步骤S1中的温度场数值模拟模型进行修正优化，获得优化后的温度场数值模拟模型；

步骤S3：利用所选样品的凝固组织对应的熔凝过程中温度梯度G与凝固梯度R关系数据库，获得该样品凝固组织所对应的G与R值，并将其代入到步骤S2获得的优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应样品的熔凝工艺参数，所述工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸和激光扫描方向；