[发明专利]一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测方法

说明书

本发明公开了一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测方法，属于金属激光增材制造温度场、应力场模拟领域。包括步骤：在有限元分析软件Abaqus中建立包含基板和成形层的三维热力耦合计算模型；设置增材制造模型的初始条件和边界条件；建立用户自定义USDFLD子程序和DFLUX子程序实现成形层实体转变和热源加载；创建作业，求解基板和成形层的温度场、应力场数值及分布。本发明提供的选区激光熔化有限元模拟方法，具有简单化、快速化、低成本的优点，为实际金属激光增材制造参数优化提供参考和理论依据。

技术领域

本发明涉及金属激光增材制造温度场、应力场模拟领域，更具体地说，涉及一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测的有限元模拟方法，能够实现高性能合金钢激光增材制造过程中的温度场、应力场的数值及分布规律预测。

背景技术

作为3D打印(3D Printing)、快速原型制造(Rapid Prototyping)、分层制造(Layer Manufacturing)的学术统称，增材制造(Additive Manufacturing，AM)融合了材料加工与成形、计算机辅助设计等技术，基于离散-堆积原理，通过软件与控制系统，将专用的金属或非金属材料采用金属粉末烧结与熔融、高分子材料喷射与光固化等方法进行逐层堆积，直接成形出三维实体零部件的新型制造技术。相比于传统的减材加工，增材制造是一种“自下而上”进行材料累加的制造方法。这使得受困于传统加工方式局限而无法制造的复杂零部件，可通过增材制造技术成形变为现实。同时它适合几乎所有材料的加工成形；而且可以通过创造适合于其独特工艺特性的各种新材料，从而促进材料技术的发展。

在使用范围最广泛的金属激光增材制造领域，主要分为以同步送粉为主要技术特征和以粉末床铺粉为主要技术特征的两种技术，即激光立体成形技术(激光直接沉积技术)和激光选区熔化技术。

选区激光熔化是利用高能量的激光束按照规划路径，扫描预先铺放的金属粉末，使其快速熔化，再迅速冷却凝固，逐道逐层成形为实体构件的技术，如图1所示。此技术成形精度高，成形后经过打磨、喷砂等简单处理即达到使用要求；成形构件的的力学性能良好，高于铸件的整体水平；成形尺寸受到铺粉设备的限制，最大不超过500mm；适合加工含内部型腔的复杂金属构件；激光功率在几百瓦左右，光斑直径和分层厚度较小，成形效率较激光立体成形技术低一个数量级。

选区激光熔化是一个快速非平衡凝固过程，同时是一个包含了多种传热及相变的物理冶金过程，因而在实际加工过程中成形件的温度、应力以及熔池难以监控和测量，为此通过有限元模拟分析成形过程的热物理机制以及应力演化成为了解决此难题的有效手段。相比于一般的热力分析，这样一个复杂快速的过程有限元分析考虑的因素和采用的技术更多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测的有限元模拟方法，可以模拟金属激光增材制造过程的单层单道、单层多道以及多层多道成形方式，为设计和优化选区激光熔化工艺参数提供参考依据，可以有效解决通过试错实验得到最优工艺参数成本高又费时的缺点。目前，高性能合金钢已广泛应用于机械制造、交通运输和军事工业上，而高性能合金钢24CrNiMo是高强度低合金钢之一，具有高淬透性、良好的强度和韧性，是高速列车制动盘的理想材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测方法，该预测方法的实现过程如下：

第一步：在软件Abaqus中建立包含基板和成形层的三维热力耦合计算模型；