CN107952959B - 激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于三维绘图模拟的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，包括以下步骤：步骤一，提取激光熔化沉积增材制造晶粒形态模拟仿真的基本单元；步骤二，根据所提取的基本单元来模拟沉积第1层，按照实际扫描路径进行扫描；步骤三，根据所提取的基本单元来模拟沉积第2至n层，按照实际扫描路径进行扫描。所述方法可提供宏观晶粒形态的预测结果，为构件凝固晶粒形态的主动控制提供基础，进而实现对激光熔化沉积增材制造构件凝固组织和力学性能的主动控制。

Description

激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法

技术领域

本发明涉及三维仿真模拟技术领域，具体而言，涉及一种基于三维绘图模拟的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法。

背景技术

现代工业的快速发展致使对金属构件尺寸、结构及性能的要求日益提高，对制造技术要求越来越高；激光熔化沉积增材制造技术突破了“铸造+锻造+机械加工+焊接”传统制造技术成本高、周期长、材料浪费大等限制，在航空、航天、核电、石化、船舶等制造领域拥有广阔的发展前景，近20年来成为研究热点之一，在世界范围内受到高度关注。

激光熔化沉积增材制造技术以合金粉末为原料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，直接从零件数字模型一步完成全致密、高性能大型复杂金属结构件的直接近净成形制造。激光熔化沉积增材制造实际上是“逐点扫描-逐线搭接-逐层堆积”的长期循环往复过程，导致其金属构件具有独特的凝固组织，许多报道发现激光熔化沉积增材制造样品中存在上下贯穿的大柱晶，并与由等轴晶和小柱晶上下交替组成的“竹节形”组织在纵向呈周期排列，如图1中所示。激光熔化沉积增材制造构件的凝固组织表现出对工艺参数和工艺过程状态变化的敏感性及复杂多变性，这给零件内部凝固组织一致性和力学性能稳定控制带来较大困难，凝固晶粒形态及其对力学性能的影响成为长期制约高性能大型金属构件激光增材制造发展和应用的关键。

因此，建立一种有效的激光熔化沉积增材制造构件晶粒形态预测方法，通过对实际加工过程的模拟仿真，提供宏观晶粒形态的预测结果，为构件凝固晶粒形态的主动控制提供基础，进而实现对激光熔化沉积增材制造构件凝固组织和力学性能的主动控制，具有重要的实际意义。目前尚无激光熔化沉积增材制造构件晶粒形态预测方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于三维绘图模拟的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，提取激光熔化沉积增材制造晶粒形态模拟仿真的基本单元；

步骤二，根据所提取的基本单元来模拟沉积第1层，按照实际扫描路径进行扫描；

步骤三，根据所提取的基本单元来模拟沉积第2至n层，按照实际扫描路径进行扫描。

优选的，步骤一中，所述基本单元是移动熔池的二维形貌特征的熔池纵截面轮廓，包括等轴晶区和短柱晶区的分界线。

优选的，所述基本单元是利用金相法获得的激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，其中所述金相法依据的是在实际工艺过程中的各项工艺参数下得到的真实的单道单层熔池纵截面金相照片。

优选的，步骤二中，所述模拟沉积第1层的过程为：使基本单元的最高点与扫描路径起始点重合，并垂直于扫描路径，令基本单元沿着第1层的扫描路径移动，将基本单元沿扫描路径形成的“沉积道”与基材重合的部分消除，并将基本单元沿扫描路径移动形成的“沉积道”填充到刚刚基材被消除的位置，模拟激光熔化沉积增材制造激光将基材熔化以及移动熔池凝固的过程，当基本单元移动到扫描路径的终点时，第1层沉积结束。

优选的，步骤三中，所述模拟沉积第2至n层的过程为：将基本单元移动到第2层扫描路径的起始点，开始第2层的沉积；消除第2层“沉积道”与已有沉积层相重合的部分，并将新扫描形成的“沉积道”填入被激光“熔化”的位置，将基本单元移动到第3层扫描路径的起始点，用同样的方法重复扫描“沉积”第3至第n个沉积层。

优选的，扫描完成若干层后，晶粒形态已经演化为激光熔化沉积增材制造特殊晶粒形态，由下向上贯穿的大柱晶和“竹节状”晶粒区域组成，“大柱晶定向生长通道”是由短柱晶在沉积道间外延区重叠跨层连续搭接形成的。

上述发明内容提供了一种激光熔化沉积增材制造构件晶粒形态预测方法，可提供宏观晶粒形态的预测结果，为构件凝固晶粒形态的主动控制提供基础，进而实现对激光熔化沉积增材制造构件凝固组织和力学性能的主动控制。

附图说明

图1是TB6钛合金激光熔化沉积增材制造试样内部宏观特殊“钢筋强化混凝土状”β晶粒形态特征立体拼图，其中，B层为“竹节状”结构，Pw层为宽大柱晶，Pn层为窄大柱晶，以PwBPnB为单元重复交替排列。

图2是激光熔化沉积增材制造工艺过程示意图。

图3是激光熔化沉积增材制造TC11钛合金单道单层熔池纵截面金相照片。

图4是由金相图片提取出来的激光熔化沉积增材制造晶粒形态预测方法的基本单元示意图，中间的线为等轴晶区和短柱晶区的分界线。

图5是模拟激光熔化沉积增材制造过程中基材被激光熔化过程的示意图，令基本单元的最高点与扫描路径的起始点重合，且垂直于扫描路径。

图6是模拟激光熔化沉积增材制造过程中移动局部熔池凝固形成沉积道过程的示意图，顶部为等轴晶，底部为外延生长的短柱晶。

图7是激光熔化沉积增材制造相邻沉积道间熔池搭接过程示意图。

图8是激光熔化沉积增材制造熔池跨层搭接示意图。

图9是在基材上完成第一个沉积层扫描的结果图，其中灰色部分为基材，白色和黑色部分分别代表等轴晶和短柱晶区域。

图10是第二层“沉积”完成的结果图，第二层与第一层的熔池发生搭接，名义搭接率为50％。

图11是第三层“沉积”完成的结果图。

图12是第四层“沉积”完成的结果图。

图13是XOZ截面图，上下贯穿的大柱晶P和“竹节状”晶粒区域B，按PB的规律周期排列。

图14是激光熔化沉积增材制造TB6钛合金样品XOZ面“钢筋条强化混凝土”晶粒形态照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明所述的基于三维绘图模拟的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

图2是激光熔化沉积增材制造工艺过程示意图。如图2中所示，激光熔化沉积金属增材制造的基本原理是，激光将金属粉末和部分基材加热熔化形成移动局部熔池，工件与激光束发生相对位移，形成扫描路径，局部熔池沿扫描路径移动形成沉积道，沉积道搭接成沉积层，沉积层逐层沉积成三维零件，由“点”到“线”到“面”再到“体”的过程。

将主沉积道沿XOZ面切开，观察单道移动局部熔池的XOZ截面形状，可以看到激光熔化沉积增材制造移动局部熔池顶部具有随机取向的细小等轴晶组织，底部为未熔化残留晶粒直接定向外延生长的柱状晶，其中白色虚线是熔池底部残留的熔合线，如图3，激光熔化沉积增材制造TC11钛合金单道单层熔池纵截面金相照片中所示。

根据激光熔化沉积增材制造的工艺特点以及移动局部熔池快速凝固形核/长大机制，本实例以移动局部熔池二维纵截面轮廓为基本单元，该基本单元是利用金相法获得的激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，其中所述金相法依据的是在实际工艺过程中的各项工艺参数下得到的如图3所示的真实的单道单层熔池纵截面金相照片。随后，按照实际工艺过程，在三维空间内自动模拟激光熔化/凝固、道间搭接、逐层堆积的工艺过程，再现激光熔化沉积增材制造构件特殊晶粒形态的演化过程，得到凝固晶粒形态演绎结果，建立一种有效的凝固晶粒形态预测方法，为激光熔化沉积增材制造构件不同部位晶粒形态主动控制提供依据。

本发明做如下基本假设：

(1)由于增材制造工艺过程中移动熔池外部环境变化较小，因此可以忽略熔池尺寸及内部晶粒形貌的变化，假设所有沉积道都具有相同纵截面形状的熔池；

(2)扫描路径信息已知，与实际工艺过程中激光与工作台在空间的相对移动路线一致，包含了搭接率、重熔深度等工艺参数信息，基本单元从每一段扫描路径的终点移动到下一段扫描路径的起始点时不会形成“沉积道”；

(3)在某些特殊情况下，激光在样品边缘扫描时，熔池外侧边缘可能会向下流淌凝固，熔池失稳，激光熔化沉积增材制造构件边缘与内部的晶粒形态可能存在差异。并且沉积完成后，还会进行机加工等后续工艺，零件表面通常会被除去，所以不考虑样品边缘与内部晶粒形态的差异。

本发明中激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法如下：

首先提取图像模块。通过金相实验等方法，获得激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，并提取出以下信息：熔池纵截面轮廓，以及等轴晶区和短柱晶区的分界线，作为激光熔化沉积增材制造晶粒形态模拟仿真的基本单元，如图4，由金相图片提取出来的激光熔化沉积增材制造晶粒形态预测方法的基本单元示意图中所示，其中中间的线为等轴晶区和短柱晶区的分界线。所述基本单元是利用金相法获得的激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，其中所述金相法依据的是在实际工艺过程中的各项工艺参数下得到的真实的单道单层熔池纵截面金相照片。

接下来结合已有的激光熔化沉积增材制造的扫描路径信息，自动模拟激光重熔、道间搭接、逐层堆积的工艺过程。

首先令基本单元最高点与扫描路径起始点重合，并沿着该层的扫描路径移动，到扫描路径的终点时停止移动，移动过程中基本单元始终与扫描路径垂直，并将基材与基本单元沿扫描路径形成的“沉积道”重合的部分消除，模拟激光熔化沉积增材制造激光将基材熔化的过程，如图5，模拟激光熔化沉积增材制造过程中基材被激光熔化过程的示意图中所示，其中基本单元最高点与扫描路径的起始点重合并垂直于扫描路径，基本单元的一个端点与扫描路径起始点重合；令基本单元沿着第1层的扫描路径移动，将基材与基本单元底部轮廓相重合的部分消除；同时将新形成的“沉积道”填充到刚刚被激光“熔化”的位置，模拟激光熔化沉积增材制造移动熔池凝固的过程，如图6，模拟激光熔化沉积增材制造过程中移动局部熔池凝固形成沉积道过程的示意图中所示，其中顶部为等轴晶，底部为外延生长的短柱晶。当同一沉积层内相邻扫描路径的距离小于基本单元的宽度时，沉积道间将发生搭接，令后续“沉积道”消除其与已有“沉积道”相重合的部分，并将新扫描形成的“沉积道”填入“熔化”的位置，模拟激光熔化沉积增材制造同一沉积层内相邻沉积道间的搭接的过程，如图7，激光熔化沉积增材制造相邻沉积道间熔池搭接过程示意图中所示。当第n层沉积完毕，将基本单元移动到第n+1层扫描路径的起始点，沿着扫描路径移动开始新一层的沉积，用基本单元沿扫描路径形成的“沉积道”消除其与已沉积部分相重合的部分，移动熔池凝固形成新的沉积道，如图8，激光熔化沉积增材制造熔池跨层搭接示意图中所示。由于基本单元由顶部等轴晶区和底部外延生长的短柱晶区组成，新形成的沉积道内也相应地由等轴晶区和短柱晶区组成，其中黑色代表短柱晶区，白色代表等轴晶区。当沉积全部结束时，即可获得激光熔化沉积增材制造构件三维宏观晶粒形貌。

以名义搭接率为50％的扫描方式为例，介绍激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法的具体实施方式：

(1)利用金相法获得获得激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，并提取出熔池纵截面轮廓以及等轴晶区和短柱晶区的分界线，作为激光熔化沉积增材制造晶粒形态模拟仿真的基本单元；

(2)使基本单元最高点与扫描路径起始点重合，并垂直于扫描路径。令基本单元沿着第一层的扫描路径移动，将基本单元沿扫描路径形成的“沉积道”与基材重合的部分消除，并将基本单元沿扫描路径移动形成的“沉积道”填充到刚刚基材被消除的位置，模拟激光熔化沉积增材制造激光将基材熔化以及移动熔池凝固的过程。当基本单元移动到扫描路径的终点时，第一层沉积结束，如图9，在基材上完成第一个沉积层扫描的结果图中所示，其中底部长方体部分为基材，白色和黑色部分分别代表等轴晶和短柱晶区域；

(3)将基本单元移动到第二层扫描路径的起始点，开始第二层的“沉积”。新形成的“沉积道”与已有“沉积道”之间形成搭接，名义搭接率为50％，用第二层“沉积道”底面轮廓消除其与第一层“沉积道”相重合的部分，并将新扫描形成的“沉积道”填入被激光“熔化”的位置，完成第二层的扫描，如图10，第二层“沉积”完成的结果图中所示；

(3)将基本单元移动到第三层扫描路径的起始点，用同样的方法扫描“沉积”第三个沉积层，如图11，第三层“沉积”完成的结果图中所示；

(4)扫描完成若干层后，晶粒形态已经演化为激光熔化沉积增材制造特殊“钢筋条强化混凝土”晶粒形态，短柱晶在沉积道间外延区重叠跨层连续搭接形成了大柱晶“定向生长通道”，由下向上贯穿的大柱晶P、以及“竹节状”晶粒区域B，按P、B、……、P、B的规律周期排列，如图12和13所示。

图14为实际激光熔化沉积增材制造TB6钛合金样品XOZ面“钢筋条强化混凝土”晶粒形态，与通过上述过程得出的模拟结果进行比较，可以发现两者的重合度很好。由此可见，通过上述过程，可提供宏观晶粒形态的预测结果，为构件凝固晶粒形态的主动控制提供基础，进而实现对激光熔化沉积增材制造构件凝固组织和力学性能的主动控制。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，提取激光熔化沉积增材制造晶粒形态模拟仿真的基本单元；

步骤二，根据所提取的基本单元来模拟沉积第1层，按照实际扫描路径进行扫描；

步骤三，根据所提取的基本单元来模拟沉积第2至n层，按照实际扫描路径进行扫描；

其中，步骤二中，所述根据所提取的基本单元来模拟沉积第1层的过程为：令基本单元的最高点与扫描路径起始点重合，并垂直于扫描路径，令基本单元沿着第1层的扫描路径移动，将基本单元沿扫描路径形成的“沉积道”与基材重合的部分消除，然后将基本单元沿扫描路径移动形成的“沉积道”填充到刚刚基材被消除的位置，模拟激光熔化沉积增材制造激光将基材熔化以及移动熔池凝固的过程，当基本单元移动到该层扫描路径的终点时，第1层沉积结束。

2.根据权利要求1所述的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，所述基本单元是移动熔池的二维形貌特征的熔池纵截面轮廓。

3.根据权利要求2所述的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，所述基本单元是利用金相法获得的激光熔化沉积增材制造构件移动熔池的二维形貌特征，其中所述金相法依据的是在实际工艺过程中的各项工艺参数下得到的真实的单道单层熔池截面金相照片。

4.根据权利要求2所述的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，所述熔池纵截面轮廓包括等轴晶区和短柱晶区的分界线。

5.根据权利要求1-4任一项所述的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，所述根据所提取的基本单元来模拟沉积第2至n层的过程为：将基本单元移动到第2层扫描路径的起始点，开始第2层的沉积；消除第2层“沉积道”与已有沉积层相重合的部分，并将新扫描形成的“沉积道”填入被激光“熔化”的位置，将基本单元移动到第3层扫描路径的起始点，用同样的方法重复扫描“沉积”至第n个沉积层。

6.根据权利要求4所述的激光熔化沉积增材制造构件空间晶粒形态预测方法，其特征在于，扫描完成若干层后，晶粒形态已经演化为激光熔化沉积增材制造特殊晶粒形态，所述特殊晶粒形态由由下向上贯穿的大柱晶和“竹节状”晶粒区域组成，所述大柱晶是由短柱晶在沉积道间外延区重叠跨层连续搭接形成的。