CN110489821A - 一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 - Google Patents
一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110489821A CN110489821A CN201910690780.XA CN201910690780A CN110489821A CN 110489821 A CN110489821 A CN 110489821A CN 201910690780 A CN201910690780 A CN 201910690780A CN 110489821 A CN110489821 A CN 110489821A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cellular
- molten bath
- interface
- dendrite
- nickel alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，具体步骤如下：首先对熔池形状进行简化条件并建立模型，然后建立枝晶的形核与生长模型，最后编写计算机程序，输入合金热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算即可得到模拟结果。本模型耗时短、节能环保、无污染，能够模拟堆焊熔池凝固过程中枝晶的生长形貌、溶质浓度分布、择优生长以及研究温度梯度、扰动振幅、各向异性强度等焊接工艺参数对枝晶生长的影响，从而对改善堆焊层性能起到一定的借鉴作用。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接工艺数值模拟方法技术领域，具体涉及一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法。
背景技术
随着人类科学技术的不断发展，传统的钢铁材料在许多方面已经难以满足人们的使用要求。而镍基合金具有良好的耐热性、耐磨性、耐蚀性等特点，综合性能良好，但是由于镍基合金的生产成本较高，单纯使用镍基合金势必会大大提高生产成本。堆焊作为一种材料表面改性技术，提供了一种既经济又实用的技术方法，将性能优良但成本较高的镍基合金借助于一定的焊接热源熔敷到成本低廉的母材表面，从而提高母材的表面性能，满足人们的使用要求。
由于焊接熔池凝固组织对堆焊层的性能影响很大，因此，对焊接熔池凝固组织的控制非常重要。传统的焊接熔池凝固组织控制方法主要是通过对过程参量的选择、计算等实现，这种方法需要大量的实验积累，尽管这种建立在实验基础上的近似方法有助于解决一些实际问题，但它不能给出焊接熔池凝固过程中晶粒的形成及生长的具体过程。数值模拟作为一种新兴的研究焊接熔池凝固过程的技术，可以精确、量化合金凝固过程中的各种现象与演化规律，弥补了传统实验方法的缺点。所以，建立一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法就尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，解决了现有技术中存在的缺少一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；
步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；
步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；
步骤4：模拟计算及结果导出。
本发明的特点还在于：
步骤1中简化条件包括：
简化条件1、建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；
简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆；
简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域；
简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；
简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；
步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：
R2＝(i-i0)2+(j-j0)2
式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i0,j0)为熔池中心的坐标。
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；
步骤2.2、本模型将整个熔池定义为液相元胞，在熔池底部定义若干个固相元胞作为凝固的初始晶核元胞，初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；
步骤2.3、选定一个初始晶核元胞，对该初始晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，若界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞；
步骤2.4、对步骤2.3所得新转变的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞，以此类推，直至所有液相元胞转变为固相元胞。
步骤3具体按照以下步骤实施：
由金属凝固理论可知，液态金属要凝固必须有过冷度的存在，总过冷度可由下式表示：
ΔT＝ΔTt+ΔTc+ΔTr
式中：ΔTt为温度过冷；ΔTc为成分过冷；ΔTr为曲率过冷。
本模型采用传统的尖锐界面模型，界面生长速度与总过冷度之间的关系为：
v＝μk·ΔT
式中：μk为界面动力学系数；固相率的增长是影响过冷熔体中液/固转变最主要的变量之一，它与界面速率成正比,可用下式进行计算：
式中：G为邻位网格状态参数；Δx为网格尺寸；Δt为步长时间；A为扰动因子；rand()能够在[0,1]产生一个随机数；
当凝固的下一时间步长内有Δfs的液相转变为固相时，则Δt时间内排出的溶质可由下式确定：
ΔC＝Cl(1-k)Δfs
式中：Cl表示溶质组元的液相溶质浓度；k表示溶质平衡分配系数；
从界面元胞排出的溶质导致枝晶周围液相溶质浓度升高，使液相元胞间出现较大的浓度梯度，这必然加剧溶质的扩散；
对于二维非稳态溶质扩散，采用如下控制方程：
式中：Dl、Ds分别表示液相扩散系数和固相扩散系数。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：将基于步骤1～3所构建的镍基合金堆焊熔池枝晶生长模型导入模拟软件Matlab中；
步骤4.2:输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算得到镍基合金堆焊熔池枝晶生长的模拟结果。
本发明的有益效果是：
(1)提出了一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，为研究镍基合金堆焊层组织的凝固过程提供了一种新的研究方法；
(2)能够更直观、更清晰的观察到组织的演变过程，为更好的改善镍基合金堆焊层的性能提供参考；
(3)本发明耗时短、节能环保、无污染。
附图说明
图1是本发明一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法的流程图；
图2是本发明一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法的焊接熔池简化示意图；
图3是本发明一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法的四邻域元胞关系示意图；
图4是本发明实施例1模拟Ni-Nb合金固相溶质浓度分布状态和枝晶生长形貌图；
图5是本发明实施例1模拟Ni-Nb合金温度梯度为1*104K/m时枝晶生长形貌图；
图6是本发明实施例1模拟Ni-Nb合金扰动振幅为1时枝晶生长形貌图；
图7是本发明实施例1模拟Ni-Nb合金各向异性强度为0时枝晶生长形貌图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施方式对本发明进行详细说明
实施例1
一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；
步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；
步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；
步骤4：模拟计算及结果导出。
本发明的特点还在于：
步骤1中简化条件包括：
简化条件1、焊接熔池为不规则的类圆弧状，且随着凝固的进行，熔池会不断发生变化，为了简化模型，建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；
简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆，如图2所示；
简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域，如图3所示；
简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；
简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；
步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：
R2＝(i-i0)2+(j-j0)2
式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i0,j0)为熔池中心的坐标。
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；
步骤2.2、焊接熔池在凝固过程中，均匀形核的可能性非常小，通常是以熔池边界熔化的母材晶核表面作为新相晶核的基底，进行联生结晶，本模型将整个熔池定义为液相元胞，在熔池底部定义若干个固相元胞作为凝固的初始晶核元胞，初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；
步骤2.3、选定一个初始晶核元胞，对该初始晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，若界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞；
步骤2.4、对步骤2.3所得新转变的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞，以此类推，直至所有液相元胞转变为固相元胞。
步骤3具体按照以下步骤实施：
由金属凝固理论可知，液态金属要凝固必须有过冷度的存在，本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷，总过冷度可由下式表示：
ΔT＝ΔTt+ΔTc+ΔTr
式中：ΔTt为温度过冷；ΔTc为成分过冷；ΔTr为曲率过冷。
本模型采用传统的尖锐界面模型，界面生长速度与总过冷度之间的关系为：
v＝μk·ΔT
式中：μk为界面动力学系数；固相率的增长是影响过冷熔体中液/固转变最主要的变量之一，它与界面速率成正比,可用下式进行计算：
式中：G为邻位网格状态参数；Δx为网格尺寸；Δt为步长时间；A为扰动因子；rand()能够在[0,1]产生一个随机数；
当凝固的下一时间步长内有Δfs的液相转变为固相时，则Δt时间内排出的溶质可由下式确定：
ΔC＝Cl(1-k)Δfs
式中：Cl表示溶质组元的液相溶质浓度；k表示溶质平衡分配系数；
从界面元胞排出的溶质导致枝晶周围液相溶质浓度升高，使液相元胞间出现较大的浓度梯度，这必然加剧溶质的扩散；
对于二维非稳态溶质扩散，采用如下控制方程：
式中：Dl、Ds分别表示液相扩散系数和固相扩散系数。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：将基于步骤1～3所构建的镍基合金堆焊熔池枝晶生长模型编写成计算机程序导入模拟软件Matlab中；
步骤4.2:输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数，如表1所示，进行计算得到Ni-Nb合金堆焊熔池枝晶生长的模拟结果，模拟结果如图4～7所示。
表1
表1为Ni-Nb合金模拟时计算所用的热物性参数。
图4是时间步长为4000，温度梯度为10K/m，扰动振幅为0，各向异性强度为0.3时熔池中枝晶的生长形貌与固相溶质浓度分布状态。
从图4中可以看出，熔池中的晶体都以柱状晶形式生长，并且一次枝晶上存在着粗大的二次枝晶，枝晶相互之间竞争生长激烈。还可以看到，先凝固的固相其溶质浓度低于后凝固的固相，存在着严重的偏析现象。
图5为间步长为4000，温度梯度为1e4K/m，扰动振幅为0，各向异性强度为0.3时熔池中枝晶的生长形貌。
图5与图4对比可以发现，其他条件不变，随着温度梯度的增大，一次枝晶数量和二次枝晶数量都有所减少，枝晶臂发生粗化。
图6为间步长为4000，温度梯度为10K/m，扰动振幅为1，各向异性强度为0.3时熔池中枝晶的生长形貌。
图6与图4对比可以发现，其他条件不变，随着扰动振幅的增大，二次枝晶明显发生粗化，二次枝晶臂间距增大，并且有些二次枝晶上出现三次枝晶。
图7为间步长为4000，温度梯度为10K/m，扰动振幅为0，各向异性强度为0时熔池中枝晶的生长形貌。
图7与图4对比可以发现，其他条件不变，随着各向异性强度的减小，一次枝晶出现分叉，二次枝晶数量减少，二次枝晶臂间距增大，一次枝晶和二次枝晶均发生粗化。
实施例2
一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；
步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；
步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；
步骤4：模拟计算及结果导出。
本发明的特点还在于：
步骤1中简化条件包括：
简化条件1、焊接熔池为不规则的类圆弧状，且随着凝固的进行，熔池会不断发生变化，为了简化模型，建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；
简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆，如图2所示；
简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域，如图3所示；
简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；
简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；
步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：
R2＝(i-i0)2+(j-j0)2
式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i0,j0)为熔池中心的坐标。
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；
步骤2.2、焊接熔池在凝固过程中，均匀形核的可能性非常小，通常是以熔池边界熔化的母材晶核表面作为新相晶核的基底，进行联生结晶，本模型将整个熔池定义为液相元胞，在熔池底部定义若干个固相元胞作为凝固的初始晶核元胞，初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；
步骤2.3、选定一个初始晶核元胞，对该初始晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，若界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞；
步骤2.4、对步骤2.3所得新转变的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞，以此类推，直至所有液相元胞转变为固相元胞。
步骤3具体按照以下步骤实施：
由金属凝固理论可知，液态金属要凝固必须有过冷度的存在，本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷，总过冷度可由下式表示：
ΔT＝ΔTt+ΔTc+ΔTr
式中：ΔTt为温度过冷；ΔTc为成分过冷；ΔTr为曲率过冷。
本模型采用传统的尖锐界面模型，界面生长速度与总过冷度之间的关系为：
v＝μk·ΔT
式中：μk为界面动力学系数；固相率的增长是影响过冷熔体中液/固转变最主要的变量之一，它与界面速率成正比,可用下式进行计算：
式中：G为邻位网格状态参数；Δx为网格尺寸；Δt为步长时间；A为扰动因子；rand()能够在[0,1]产生一个随机数；
当凝固的下一时间步长内有Δfs的液相转变为固相时，则Δt时间内排出的溶质可由下式确定：
ΔC＝Cl(1-k)Δfs
式中：Cl表示溶质组元的液相溶质浓度；k表示溶质平衡分配系数；
从界面元胞排出的溶质导致枝晶周围液相溶质浓度升高，使液相元胞间出现较大的浓度梯度，这必然加剧溶质的扩散；
对于二维非稳态溶质扩散，采用如下控制方程：
式中：Dl、Ds分别表示液相扩散系数和固相扩散系数。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：步骤4.1：将基于步骤1～3所构建的镍基合金堆焊熔池枝晶生长模型编写成计算机程序导入模拟软件Matlab中；
步骤4.2:输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数，如表2所示，进行计算得到Ni-Cr合金堆焊熔池枝晶生长的模拟结果。
表2
表2为Ni-Cr合金模拟时计算所用的热物性参数。
实施例3
一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；
步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；
步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；
步骤4：模拟计算及结果导出。
本发明的特点还在于：
步骤1中简化条件包括：
简化条件1、焊接熔池为不规则的类圆弧状，且随着凝固的进行，熔池会不断发生变化，为了简化模型，建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；
简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆，如图2所示；
简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域，如图3所示；
简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；
简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；
步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：
R2＝(i-i0)2+(j-j0)2
式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i0,j0)为熔池中心的坐标。
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；
步骤2.2、焊接熔池在凝固过程中，均匀形核的可能性非常小，通常是以熔池边界熔化的母材晶核表面作为新相晶核的基底，进行联生结晶，本模型将整个熔池定义为液相元胞，在熔池底部定义若干个固相元胞作为凝固的初始晶核元胞，初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；
步骤2.3、选定一个初始晶核元胞，对该初始晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，若界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞；
步骤2.4、对步骤2.3所得新转变的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞，以此类推，直至所有液相元胞转变为固相元胞。
步骤3具体按照以下步骤实施：
由金属凝固理论可知，液态金属要凝固必须有过冷度的存在，本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷，总过冷度可由下式表示：
ΔT＝ΔTt+ΔTc+ΔTr
式中：ΔTt为温度过冷；ΔTc为成分过冷；ΔTr为曲率过冷。
本模型采用传统的尖锐界面模型，界面生长速度与总过冷度之间的关系为：
v＝μk·ΔT
式中：μk为界面动力学系数；固相率的增长是影响过冷熔体中液/固转变最主要的变量之一，它与界面速率成正比,可用下式进行计算：
式中：G为邻位网格状态参数；Δx为网格尺寸；Δt为步长时间；A为扰动因子；rand()能够在[0,1]产生一个随机数；
当凝固的下一时间步长内有Δfs的液相转变为固相时，则Δt时间内排出的溶质可由下式确定：
ΔC＝Cl(1-k)Δfs
式中：Cl表示溶质组元的液相溶质浓度；k表示溶质平衡分配系数；
从界面元胞排出的溶质导致枝晶周围液相溶质浓度升高，使液相元胞间出现较大的浓度梯度，这必然加剧溶质的扩散；
对于二维非稳态溶质扩散，采用如下控制方程：
式中：Dl、Ds分别表示液相扩散系数和固相扩散系数。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：将基于步骤1～3所构建的镍基合金堆焊熔池枝晶生长模型编写成计算机程序导入模拟软件Matlab中；
步骤4.2：输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数，如表2所示，进行计算得到Ni-Mo合金堆焊熔池枝晶生长的模拟结果。
表3
表3为Ni-Mo合金模拟时计算所用的热物性参数。
本发明的有益效果是：针对镍基合金堆焊过程中，熔池中枝晶的形成与生长问题，提供一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法。本发明可以模拟合金凝固过程中枝晶的生长形貌和溶质组元的分布状态，同时还可以模拟温度梯度、扰动振幅、各向异性强度等因素对枝晶生长的影响，从而对改善堆焊层性能起到一定的借鉴作用。
Claims (5)
1.一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：镍基合金堆焊熔池形状的简化及建立；
步骤2：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型；
步骤3：建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型；
步骤4：模拟计算及结果导出。
2.一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1中简化条件包括：
简化条件1、建模时，将整个模拟区域分为两个部分，上半部分熔池以外的区域定义为空气，下半部分熔池以外的区域定义为母材；
简化条件2、焊接熔池简化为上下两个半圆；
简化条件3、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域；
简化条件4、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；
简化条件5、本模型忽略了动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；
步骤1中镍基合金堆焊熔池熔池形状通过以下公式建立：
R2＝(i-i0)2+(j-j0)2
式中：(i,j)为熔池内任意一点的坐标；(i0,j0)为熔池中心的坐标。
3.根据权利要求2所述的一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格，每一个网格即为一个元胞；
步骤2.2、将整个熔池定义为液相元胞，在熔池底部定义若干个固相元胞作为凝固的初始晶核元胞，初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；初始晶核元胞周围的液相元胞定义为界面元胞；
步骤2.3、选定一个初始晶核元胞，对该初始晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，若界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞；
步骤2.4、对步骤2.3所得新转变的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定，界面元胞的固相分数大于1，则该界面元胞转变为固相元胞，新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞，以此类推，直至所有液相元胞转变为固相元胞。
4.根据权利要求1所述的一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
由金属凝固理论可知，液态金属要凝固必须有过冷度的存在，总过冷度可由下式表示：
ΔT＝ΔTt+ΔTc+ΔTr
式中：ΔTt为温度过冷；ΔTc为成分过冷；ΔTr为曲率过冷；
本模型采用传统的尖锐界面模型，界面生长速度与总过冷度之间的关系为：
v＝μk·ΔT
式中：μk为界面动力学系数；固相率的增长是影响过冷熔体中液/固转变最主要的变量之一，它与界面速率成正比,可用下式进行计算：
式中：G为邻位网格状态参数；Δx为网格尺寸；Δt为步长时间；A为扰动因子；rand()能够在[0,1]产生一个随机数；
当凝固的下一时间步长内有Δfs的液相转变为固相时，则Δt时间内排出的溶质可由下式确定：
ΔC＝Cl(1-k)Δfs
式中：Cl表示溶质组元的液相溶质浓度；k表示溶质平衡分配系数；
从界面元胞排出的溶质导致枝晶周围液相溶质浓度升高，使液相元胞间出现较大的浓度梯度，这必然加剧溶质的扩散；
对于二维非稳态溶质扩散，采用如下控制方程：
式中：Dl、Ds分别表示液相扩散系数和固相扩散系数。
5.根据权利要求1所述的一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：将基于步骤1～3所构建的镍基合金堆焊熔池枝晶生长模型导入模拟软件Matlab中；
步骤4.2:输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算得到镍基合金堆焊熔池枝晶生长的模拟结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910690780.XA CN110489821B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910690780.XA CN110489821B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110489821A true CN110489821A (zh) | 2019-11-22 |
| CN110489821B CN110489821B (zh) | 2022-10-21 |
Family
ID=68548824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910690780.XA Active CN110489821B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110489821B (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111259585A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-06-09 | 大连交通大学 | 一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统 |
| CN111261241A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-06-09 | 西安理工大学 | 一种镍基合金多道堆焊过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111339670A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-06-26 | 西安理工大学 | 一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111370078A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-07-03 | 西安理工大学 | 一种Inconel 625合金多层多道激光熔覆过程中晶体生长数值模拟方法 |
| CN111681714A (zh) * | 2020-07-02 | 2020-09-18 | 兰州大学 | 一种在定向凝固包晶合金中生长非典型三次枝晶的方法 |
| CN112185474A (zh) * | 2020-09-07 | 2021-01-05 | 西安理工大学 | 一种Ti-45％Al合金定向凝固过程的数值模拟方法 |
| CN113284570A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 西安理工大学 | 一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法 |
| CN113987820A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-01-28 | 哈尔滨理工大学 | 一种镁合金三维枝晶组织数值预测方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170147723A1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-05-25 | Metal Industries Research & Development Centre | Method of simulatively predicting a metal solidification microstructure for a continuous casting process |
| CN107309543A (zh) * | 2017-05-04 | 2017-11-03 | 南京航空航天大学 | 一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法 |
| CN107790717A (zh) * | 2017-11-05 | 2018-03-13 | 湖南大学 | 一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3d打印方法 |
-
2019
- 2019-07-29 CN CN201910690780.XA patent/CN110489821B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170147723A1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-05-25 | Metal Industries Research & Development Centre | Method of simulatively predicting a metal solidification microstructure for a continuous casting process |
| CN107309543A (zh) * | 2017-05-04 | 2017-11-03 | 南京航空航天大学 | 一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法 |
| CN107790717A (zh) * | 2017-11-05 | 2018-03-13 | 湖南大学 | 一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3d打印方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 张敏等: "焊接熔池凝固组织中等轴晶生长的模拟", 《焊管》 * |
| 王永健: "基于数学模型的焊接熔积速度对熔池枝晶间距及生长方向的影响", 《电焊机》 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111259585A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-06-09 | 大连交通大学 | 一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统 |
| CN111261241B (zh) * | 2020-02-28 | 2023-03-07 | 西安理工大学 | 一种镍基合金多道堆焊过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111339670A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-06-26 | 西安理工大学 | 一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111370078A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-07-03 | 西安理工大学 | 一种Inconel 625合金多层多道激光熔覆过程中晶体生长数值模拟方法 |
| CN111261241A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-06-09 | 西安理工大学 | 一种镍基合金多道堆焊过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111339670B (zh) * | 2020-02-28 | 2024-04-09 | 西安理工大学 | 一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法 |
| CN111681714A (zh) * | 2020-07-02 | 2020-09-18 | 兰州大学 | 一种在定向凝固包晶合金中生长非典型三次枝晶的方法 |
| CN111681714B (zh) * | 2020-07-02 | 2023-06-20 | 兰州大学 | 一种在定向凝固包晶合金中生长非典型三次枝晶的方法 |
| CN112185474A (zh) * | 2020-09-07 | 2021-01-05 | 西安理工大学 | 一种Ti-45％Al合金定向凝固过程的数值模拟方法 |
| CN112185474B (zh) * | 2020-09-07 | 2024-02-06 | 西安理工大学 | 一种Ti-45％Al合金定向凝固过程的数值模拟方法 |
| CN113284570A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 西安理工大学 | 一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法 |
| CN113284570B (zh) * | 2021-05-25 | 2024-03-19 | 西安理工大学 | 一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法 |
| CN113987820A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-01-28 | 哈尔滨理工大学 | 一种镁合金三维枝晶组织数值预测方法 |
| CN113987820B (zh) * | 2021-11-04 | 2022-09-02 | 哈尔滨理工大学 | 一种镁合金三维枝晶组织数值预测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110489821B (zh) | 2022-10-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110489821A (zh) | 一种镍基合金堆焊熔池枝晶生长数值模拟方法 | |
| CN106407623B (zh) | 基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法 | |
| CN102289542B (zh) | 一种铸件宏观偏析数值模拟的方法 | |
| CN110489820B (zh) | 一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法 | |
| CN110489818A (zh) | 一种三元合金焊接熔池柱状枝晶生长数值模拟方法 | |
| CN105057642B (zh) | 铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法 | |
| CN110263418A (zh) | 一种体心立方合金微观偏析数值预测方法 | |
| CN101767189B (zh) | 一种钢锭中固相移动的模拟方法 | |
| Xu et al. | Multiscale Modeling and Simulation of Directional Solidification Process of Turbine Blade Casting with MCA Method | |
| CN109063322A (zh) | 一种铸件缩松缺陷数值预测的方法 | |
| CN111261241B (zh) | 一种镍基合金多道堆焊过程中枝晶生长数值模拟方法 | |
| CN112185474B (zh) | 一种Ti-45％Al合金定向凝固过程的数值模拟方法 | |
| CN109522610A (zh) | 一种焊缝区混合晶区有限元建模方法 | |
| CN111339670B (zh) | 一种镍基合金激光熔覆过程中枝晶生长数值模拟方法 | |
| CN106227954B (zh) | 一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法 | |
| CN113284570B (zh) | 一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法 | |
| Könözsy et al. | Columnar to equiaxed transition during ingot casting using ternary alloy composition | |
| Liu et al. | A modified cellular automaton method for the modeling of the dendritic morphology of binary alloys | |
| CN106944607A (zh) | 一种孕育合金晶粒组织数值预测方法 | |
| Guo et al. | Competitive growth of diverging columnar grains during directional solidification: A three-dimensional phase-field study | |
| CN113192565A (zh) | 一种钛铝合金定向凝固过程晶粒生长的三维数值模拟方法 | |
| CN116702505A (zh) | 镍基合金三维柱状晶生长数值模拟方法 | |
| CN111370078B (zh) | 一种Inconel 625合金多层多道激光熔覆过程中晶体生长数值模拟方法 | |
| Wu et al. | Simulation of dendritic grain structures with Cellular Automaton–Parabolic Thick Needle model | |
| Xu et al. | Stochastic modeling of dendritic microstructure of aluminum alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |