CN111627503B - 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法 - Google Patents

一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111627503B
CN111627503B CN202010459606.7A CN202010459606A CN111627503B CN 111627503 B CN111627503 B CN 111627503B CN 202010459606 A CN202010459606 A CN 202010459606A CN 111627503 B CN111627503 B CN 111627503B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alumina ceramic
ceramic matrix
laser
model
matrix composite
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.)
Active
Application number
CN202010459606.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111627503A (zh
Inventor
张玉燕
方威
温银堂
李晨
梁波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanshan University
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN202010459606.7A priority Critical patent/CN111627503B/zh
Publication of CN111627503A publication Critical patent/CN111627503A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111627503B publication Critical patent/CN111627503B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本发明提供了一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，属于激光熔覆技术领域。本发明针对氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程，首先建立复合材料模型，在进行应力场预测的数值模拟过程之前使用代表体积元模型方法计算得到氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数。其次，在进行温度场分析时，因为造成基板和复合材料涂层产生应力的最根本的原因就是热量输入造成的温度变化，本发明建立了与实际情况更贴近的双热源耦合热源模型，使温度场计算过程中的热源输入更加准确。最后，本发明通过热力耦合方法实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中的应力场的分布和演变，实现应力场的预测。

Description

一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场 的预测方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法。
背景技术
激光熔覆技术是近年来一种新兴的表面改性技术，即利用高能激光束将金属粉末熔化并凝固在基板表面的一种表面强化技术。与传统的表面强化技术相比较，激光熔覆技术的高能量密度使得金属粉末熔化和凝固快、激光加载时间短，较短的激光加载时间使基板吸收的激光能量少，基板的热影响区和热变形小；熔覆产生的涂层稀释率低，精度可控；涂层的微观晶粒小且均匀，组织更加致密；自动化程度高。故激光熔覆技术被广泛应用在材料的表面改性以及金属组件再制造中，能够实现组件使用寿命的最大化，有很高的社会经济效益和应用价值。
激光熔覆原位制造涂层是一个复杂的过程，不仅涉及到物理变化，还可能涉及到物理和化学变化相结合的复杂情况。由于激光熔覆加工的特点是加热和冷却速率极快，这样就会导致在同一块加工工件上存在较大的温度梯度，不同部位的温度不同，导致工件不同部位的熔化和凝固不同步，这样就会产生热应力。部分温度相差较大的部位会处在不同的物相，物相变化不同步，不同物相间比容也不同，膨胀收缩相互牵制就会产生相变应力。应力的存在会导致激光熔覆的过程中涂层马上出现缺陷，也有可能以残余应力的形式留在工件中，在后期长时间的服役过程中释放，造成工件的热疲劳、应力腐蚀等问题。因此，研究激光熔覆涂层的温度场和应力场演变规律是十分必要的。但是，激光熔覆过程能量强，很难通过实验手段去检测涂层在激光熔覆制造过程中的一些参数，且通过反复实验查看熔覆效果成本太高，数值模拟技术为这种困境提供了一种很好的解决方案。
数值模拟技术主要是依靠计算机相关的有限元计算软件，通过数值计算和图像显示问题的结果。目前，基于数值模拟技术的激光熔覆应力场的分析研究主要集中在单一物质形成的涂层(包括涂层物质与基板物质相同，或者涂层物质与基板物质不相同这两种情况)的激光熔覆制造上，期间热源仅考虑激光的能量输入，得到基板和涂层的温度场分布及演变，通过热力耦合得到应力场的分布和变化。但这种方法存在着很大的局限性，无法应用于混合材料形成的复合涂层。中国专利CN107862163A公开了一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法，该方法中涉及的涂层为两种材料形成的复合涂层，但该方法中仅依靠两种材料不同的质量分数比例，通过算数平均值计算获得所有的热学物理参数和力学物理参数，精确度较差。
目前，针对激光诱导铝热反应形成的氧化铝基复合涂层，现有技术中在其激光熔覆制造过程中的数值分析一般直接将化学反应产热忽略，只考虑物理变化对温度和应力的影响；或者是将该化学反应产热并入激光的高斯热源模型中。但上述方式均存在一定局限性，准确性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，本发明提供的方法能够实现氧化铝陶瓷基复合材料防热涂层激光熔覆制造过程中应力场的分布和演变的准确预测。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，包括以下步骤：
基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数；其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层通过激光熔覆法，由包括铝粉和金属氧化物粉末的原料经激光诱导铝热反应在基板表面制备得到；
利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型；
以所述双热源耦合热源模型作为温度场分析的载荷，将所述基板的热学物理参数和所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数作为有限元计算的输入参数，利用有限元模型得到激光熔覆制造过程中氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场模拟数据，之后进行热力耦合，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
优选地，所述复合材料模型为随机粒子强化复合模型，包括基体材料和随机粒子，所述随机粒子随机分布在基体材料中；其中，所述基体材料为氧化铝陶瓷，随机粒子为金属氧化物粉末对应的金属单质颗粒。
优选地，所述金属氧化物粉末包括四氧化三铁粉和氧化铁粉中的至少一种；所述铝粉和金属氧化物粉末的粒度独立地为30～50μm。
优选地，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数的获得方法，包括以下步骤：
根据复合材料模型，基于基体材料和随机粒子的热学物理参数，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数。
优选地，所述热学物理参数包括密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量和泊松比。
优选地，所述激光热源模型为高斯移动热源模型。
优选地，所述激光诱导铝热反应热源模型为内部生热率热源模型，所述激光诱导铝热反应热源模型所用参数根据激光诱导铝热反应的热化学反应方程式得到。
优选地，所述热力耦合前包括：对所述温度场模拟数据进行实验校核。
优选地，所述实验校核的方法包括以下步骤：
在所述有限元模型上设置若干个有限元温度采样点，使用与激光熔覆相同的工艺参数进行实验，在基板上与有限元模型相同的位置设置实验温度采样点，对比实验温度采样点与有限元温度采样点的温度-时间数据，若误差≤15％，进行后续热力耦合步骤；若误差＞15％，修改有限元模型的参数条件，再次对有限元模型的温度场模拟数据进行校核，直至误差≤15％。
优选地，所述热力耦合的方法包括以下步骤：
将所述温度场模拟数据作为应力场分析的载荷，其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层以及基板的应力应变的计算服从虎克定律和von-Mises屈服准则，经过瞬态应力计算，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
本发明提供了一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，包括以下步骤：基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数；其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层通过激光熔覆法，由包括铝粉和金属氧化物粉末的原料经激光诱导铝热反应在基板表面制备得到；利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型；以所述双热源耦合热源模型作为温度场分析的载荷，将所述基板的热学物理参数和所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数作为有限元计算的输入参数，利用有限元模型计算得到激光熔覆制造过程中氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场模拟数据，之后进行热力耦合，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
本发明针对氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程，首先基于该氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，在进行应力场预测的数值模拟过程之前使用代表体积元模型(RVE)方法计算得到应力场数值模拟过程中必须的材料参数，相较于简单的质量分数算数平均方法更具有可信度。其次，在进行温度场分析时，因为造成基板和复合材料涂层产生应力的最根本的原因就是热量输入造成的温度变化，本发明建立了与实际情况更贴近的双热源耦合热源模型，使温度场计算过程中的热源输入更加准确。最后，本发明通过热力耦合方法实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中的应力场的分布和演变，实现应力场的预测，为优化制造参数提供参考。
进一步地，本发明在进行热力耦合之前对温度场模拟数据进行实验校核，更加保证了温度场数值模拟结果的准确性；再通过热力耦合方法，将温度场模拟数据作为应力场分析的载荷，其中，氧化铝陶瓷基复合材料涂层以及基板的应力应变的计算服从虎克定律和von-Mises屈服准则，经过瞬态应力计算后，即可得到氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的分布和演变，实现应力场预测；其中可以根据需要改变相关的参数，进而获得不同工艺参数下氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的分布和演变。
附图说明
图1为本发明中氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场预测方法的流程图；
图2为基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层的随机粒子强化复合模型示意图；
图3为高斯移动热源模型示意图；
图4为氧化铝陶瓷基复合材料涂层的第一个单元的内部生热率与时间之间的变化关系图；
图5为氧化铝陶瓷基复合材料涂层的前三个单元的内部生热率与时间之间的变化关系图；
图6为本发明中对温度场模拟数据进行实验校核时所用温度采集装置示意图；
图7为实施例1中单道熔覆几何模型示意图；
图8为实施例1中利用生死单元模拟复合材料涂层生成过程及温度场变化图；
图9为实施例1中实验校核后实验温度采样点与有限元温度采样点(记为采样点A)的温度变化曲线对比图；
图10为实施例1中实验校核后实验温度采样点与有限元温度采样点(记为采样点B)的温度变化曲线对比图；
图11为实施例1中实验校核后实验温度采样点与有限元温度采样点(记为采样点C)的温度变化曲线对比图；
图12为实施例1中激光熔覆结束时刻沿对称轴的应力场剖面图；
图13为实施例1中激光熔覆过程中最大等效应力变化曲线；
图14为实施例1中不同激光功率下激光熔覆过程中应力变化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，包括以下步骤：
基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数；其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层通过激光熔覆法，由包括铝粉和金属氧化物粉末的原料经激光诱导铝热反应在基板表面制备得到；
利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型；
以所述双热源耦合热源模型作为温度场分析的载荷，将所述基板的热学物理参数和所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数作为有限元计算的输入参数，利用有限元模型得到激光熔覆制造过程中氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场模拟数据，之后进行热力耦合，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
图1为本发明中氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场预测方法的流程图，下面结合图1对本发明的方法进行说明。
本发明基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数。在本发明中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层通过激光熔覆法，由包括铝粉和金属氧化物粉末的原料经激光诱导铝热反应在基板表面制备得到；本发明对所述金属氧化物粉末的具体种类没有特殊限定，能够与铝粉经激光诱导铝热反应形成氧化铝陶瓷基复合材料涂层即可，具体如四氧化三铁粉和/或氧化铁粉，也可以根据需求在其中掺杂一些其它单质，如铬等；在本发明中，具体以四氧化三铁粉为例进行说明。本发明对铝粉和金属氧化物粉末的配比没有特殊限定，能够保证二者完全反应、没有原料残留即可；所述铝粉和金属氧化物粉末的粒度优选独立地为30～50μm。本发明对所述基板的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的基板即可；在本发明中，具体以钛合金基板为例进行说明。
本发明基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，所述复合材料模型优选为随机粒子强化复合模型，包括基体材料和随机粒子，所述随机粒子随机分布在基体材料中。在本发明中，就氧化铝陶瓷基复合材料涂层而言，所述基体材料为氧化铝陶瓷，随机粒子为金属氧化物粉末对应的金属单质颗粒；以四氧化三铁粉为例，所述随机粒子为铁单质颗粒，即经激光诱导铝热反应后，生成的涂层为以氧化铝陶瓷为基体材料且其中随机夹杂铁单质颗粒的复合材料，其模型示意图如图2所示。
得到复合材料模型后，本发明根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数(即热力学相关的物理参数)。本发明优选根据基体材料(即氧化铝陶瓷)和随机粒子(如铁单质颗粒)的热学物理参数，通过代表体积元方法得到氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数，具体可以使用ANSYS的MaterialDesigner完成该步骤；其中，所述热学物理参数优选包括密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量以及泊松比，所述弹性模量优选以杨氏模量和剪切模量体现。本发明利用代表体积元法计算得到复合材料涂层(即氧化铝陶瓷基复合材料涂层)的热学物理参数，具体是对复合材料涂层的几何模型网格化之后，将其暴露在几种宏观的载荷(加热载荷通过模型的热响应计算其热性能参数，施加力载荷计算其力学性能参数)情况下，计算其响应，根据几何模型的响应结果，得到复合材料涂层的热学物理参数，如密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量以及泊松比。这是由于复合材料模型尺度(微米级)与工件尺度(毫米级)差距过大，通过均匀化解决复合材料模型尺度和热力分析几何模型尺度跨度过大的问题，即视复合材料涂层的性质是均匀的，这样就只需在宏观上进行结构模拟即可；本发明中所述热力分析几何模型是指根据需要计算得到温度场和应力场的基板和复合材料涂层而建立的几何模型，即要进行有限元计算的基板和复合材料涂层的几何模型，尺度为毫米级。
本发明针对氧化铝陶瓷基复合材料涂层，使用代表体积元模型方法计算得到难以通过实验方法获得的复合材料涂层的物理参数，相较于直接使用质量分数比例计算物理参数，本发明方法对复合材料涂层性质的计算更加准确，该参数用于温度场应力场预测，计算得到的结果也更具有可信度。
得到氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数之后，本发明优选使用SpaceClaim软件建立基板和复合材料涂层的几何实体模型，再赋予基板和复合材料涂层的几何模型材料属性，如以温度场计算为例，设置温度边界条件，包括但不限于环境温度、热流输入等，经过计算得到温度场结果。为计算方便，本发明将复合材料涂层划分为若干个单元，使用生死单元技术，即在仿真时根据需要将定义的一些单元进行“杀死”或“激活”，根据激光热源的移动速度设置载荷步，将各个单元按照载荷步依次激活，用以仿真复合材料涂层从无到有的过程，使仿真更贴近实际，提升温度场模拟数据的精确程度。
本发明利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型。本发明优选基于传热学原理计算激光熔覆制造过程的温度场变化，设置工件与环境之间由对流换热进行热量传递。本发明优选利用高斯移动热源模型(如图3所示)作为激光热源模型，即使用高斯移动热源模拟激光热流输入，其空间热流关于x、y、t的函数(Q(x,y,t))表达式如式1所示：
Figure BDA0002510479080000081
式1中，qm为激光的最大热流密度；R为激光光斑的半径；v为激光光斑移动的速度，x、y为坐标系的x轴和y轴，坐标轴是以基板上表面为所在平面，以激光扫描起点为原点，以基板扫描方向为x方向，以与x垂直的方向为y方向；t为激光在该扫描方向的扫描时间；e为自然常数；其中，y2+(x-v×t)2表示的是坐标为(x，y)的点到t时刻激光光斑中心的距离的平方。
在本发明中，所述激光诱导铝热反应热源模型为内部生热率热源模型，即所述激光诱导铝热反应模型是根据激光诱导铝热反应发生时内部热量产生的形式而建立的热源模型，所述激光诱导铝热反应热源模型所用参数优选根据激光诱导铝热反应的热化学反应方程式得到。在本发明中，在激光熔覆制造的过程中，在激光能量输入的诱导下，铝粉与金属氧化物粉末会发生激光诱导铝热反应，以四氧化三铁粉为例，其和铝粉之间发生激光诱导铝热反应，热化学反应方程式具体如下所示：
8Al(s)+3Fe3O4(s)＝4Al2O3(s)+9Fe(s) △H＝-3347.6kJ/mol
本发明优选根据所述热化学反应方程式，计算得到形成一定体积复合材料涂层所产生的热量。
在本发明中，激光诱导铝热反应发生的极快，激光熔覆结束反应即停止。本发明优选为复合材料涂层单元添加内部生热率，利用内部生热率来模拟激光诱导铝热反应放出热量。具体的，如前文所述，复合材料涂层被划分为若干个单元，为了模拟激光扫描时复合材料涂层生成的过程，将这些单元设定为“生死单元”，具体的，复合材料涂层上的单元在激光光斑未扫描到该位置时不参与计算，即设置为“死”的状态，在该状态，该单元等于不存在；在激光光斑移动到单元所在位置时，单元就会被激活，参与进计算当中。
在本发明中，根据激光加载的速度，当激光热源移动到复合材料涂层单元位置时，在激活复合材料涂层单元的同时，激活单元的内部生热率温度载荷。内部生热率温度载荷并不是一直不变的，它随着时间的变化而变化，在激光光斑移走后不久就会归为0，即激光诱导铝热反应结束。在本发明中，铝热反应温度极高，且该反应十分迅速，很难进行观测定量并进行定量分析。在本发明中，一定体积的复合材料涂层单元的生热量是一定的，本发明设定为激光光斑到达该单元位置时开始反应，例如设定一个复合材料涂层单元(记为第一个单元)的尺寸为3mm*1mm*0.5mm(宽*长*厚)，激光具体是沿着复合材料涂层单元长度方向扫描，在激光扫描速度为5mm/s时，激光到达该复合材料涂层单元末端时(即扫描距离为1mm)，时间为0.2s，之后将不再有新的原料参与其反应，将此时视为内部生热率最高时刻，因此该复合材料涂层单元的整体发热时间设置为0.4s，生热率与时间之间的变化关系如图4所示。在本发明中，复合材料涂层单元内部生热率在生热的过程中产生的总热量为反应生成该单元体积的复合材料涂层产生的总热量，前三个单元的生热率和时间关系如图5所示，后续的单元以此类推。
在本发明中，激光熔覆制造氧化铝陶瓷基涂层时，由于熔覆粉末的特性，在激光能量输入的条件下，激光诱导铝热反应放出大量的热量，这对温度场和应力场的影响不可忽视。本发明利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型，即高斯移动热源和内部生热热源同时作用，组成激光熔覆制造氧化铝陶瓷基涂层的双热源耦合热源模型，相较于直接将反应热叠加在用于模拟激光热的高斯移动热源上，反应热是从内向外发出的，并不是和激光热一样从外部输入，使用内部生热率更能表现反应热，得到的温度场和应力场也更能反应真实情况。
本发明以所述双热源耦合热源模型作为温度场分析的载荷，将所述基板的热学物理参数和所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数作为有限元计算的输入参数，利用有限元模型得到激光熔覆制造过程中氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场模拟数据，之后进行热力耦合，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。本发明对所述基板的热学物理参数的获得方式不作特殊限定，具体可以根据基板的材质，从现有材料数据库中获得其热学物理参数。
本发明优选先进行稳态热计算，之后进行瞬态温度场计算，进而得到激光熔覆制造氧化铝陶瓷基复合材料涂层温度场的分布和演变(即温度场模拟数据)。本发明通过稳态热计算为后续的瞬态温度场计算提供初始温度场条件；本发明在进行稳态热计算时，优选不添加热边界条件及双热源耦合的热载荷(即双热源耦合热源模型)，只定义复合材料涂层和基板的温度。
进行稳态热计算之后，本发明优选进行瞬态温度场计算；为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，本发明优选附加一定的热边界条件和初始条件，称为定解条件，具体是拾取所有与空气接触的面，添加对热换流系数；之后在需要进行激光熔覆涂层的表面加载双热源耦合的热载荷，得到激光熔覆制造氧化铝陶瓷基复合材料涂层温度场的分布和演变(即温度场模拟数据)。
本发明优选对所述温度场模拟数据进行实验校核，之后再进行热力耦合；所述实验校核的方法优选包括以下步骤：
在所述有限元模型上设置若干个有限元温度采样点，使用与激光熔覆相同的工艺参数进行实验，在基板上与有限元模型相同的位置设置实验温度采样点，对比实验温度采样点与有限元温度采样点的温度-时间数据，若误差≤15％，进行后续热力耦合步骤；若误差＞15％，修改有限元模型的参数条件，再次对有限元模型的温度场模拟数据进行校核，直至误差≤15％。
本发明优选在所述有限元模型上设置若干个温度采样点，绘制得到这些温度采样点的温度变化曲线(具体为温度-时间曲线)；使用与激光熔覆相同的工艺参数进行实验，在基板上与有限元模型相同的位置设置温度采样点，使用热电偶采集温度变化，并与有限元温度采样点的温度变化曲线对比，若误差≤15％，进行后续热力耦合步骤；若误差＞15％，修改有限元模型的参数条件，如高斯移动热源的激光吸收率、对流换热系数等，之后再次对有限元模型的温度场模拟数据进行校核，直至误差≤15％。在本发明中，对温度场模拟数据进行实验校核时优选采用热电偶测温方法，所用温度采集装置示意图如图6所示，图6中样件包括基板和复合材料涂层。
在本发明中，所述热力耦合的方法优选包括以下步骤：
将所述温度场模拟数据作为应力场分析的载荷，其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层以及基板的应力应变的计算服从虎克定律和von-Mises屈服准则，经过瞬态应力计算，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
在本发明中，对所述有限元仿真结果进行实验校核后，优选将所述有限元模型各单位节点的温度变化数据作为应力场分析的载荷，其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层以及基板的应力应变的计算服从虎克定律和von-Mises屈服准则，经过瞬态应力计算后，即可得到激光熔覆制造氧化铝陶瓷基复合材料涂层的应力场的分布和演变，实现应力场预测。如图1所示，具体是以所述温度场模拟数据作为应力场分析的载荷，将所述基板的力学物理参数和所述复合材料涂层的力学物理参数作为有限元计算的输入参数，并设置一定的结构边界条件，利用有限元模型得到激光熔覆制造过程中复合材料涂层的应力场的分布和演变以及基板的应力场分布和演变，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场预测。
本发明使用有限元方法预测应力的分布，有利于降低应力检测的成本，且方便快捷，而目前常用成本低的应力检测方法对工件会产生损伤，如：盲孔法、环芯法、层剥法等，无损的应力检测方法成本则较高，如：中子衍射法、X射线衍射法等。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
建立复合材料模型，计算得到氧化铝陶瓷基复合材料涂层的性质，其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层由铝粉和四氧化三铁粉经激光诱导铝热反应形成，铝粉和和四氧化三铁粉的粒度为30～50μm；所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数如表1所示；
表1基于复合材料模型得到的氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数
Figure BDA0002510479080000121
建立单道熔覆的几何模型，其中，实验基板(具体为钛合金基板)模型的尺寸为100mm*100mm*5mm，单道熔覆涂层的尺寸为100mm*3mm*0.5mm，如图7所示；
以激光功率600W、激光扫描速度5mm/s、光斑直径3mm为例，建立双热源耦合热源模型和确定热边界条件后，计算得到温度场的分布和演变；其中，复合材料涂层生成过程及温度场变化的动态过程如图8所示(以某一个复合材料涂层单元为例，图8中的B比A多一个复合材料涂层单元)；
经过多次校核修改部分参数后，最终若干个温度采样点的温度变化与实验中相同位置温度采样点(记为采样点A、B、C)的温度变化曲线对比图如图9～11所示；
在得到与实际温度分布吻合的温度场数据结果后，将其作为应力场分析的载荷，计算得到应力场的分布和演变，同时得到应变结果；激光熔覆结束时刻沿对称轴的应力场剖面如图12所示；
通过更改高斯移动热源模型中的激光功率，可以得到不同激光功率在激光熔覆过程中对最大等效应力的影响，其中，图13为激光熔覆过程中最大等效应力变化曲线，图14为不同激光功率下激光熔覆过程应力变化曲线。
由以上实施例可知，本发明针对激光熔覆制造氧化铝陶瓷基复合材料涂层，提出了一种新的应力场预测方法。本发明针对此种氧化铝陶瓷基复合材料的热物性质未知以及难以测量的特点，使用复合材料数值计算手段，具体是使用代表体积元模型(RVE)方法，计算得到该复合材料涂层的热学物理参数，使用这些计算得到的热物性质作为应力场模型数值模拟计算的材料初始条件。同时，本发明利用建立高斯移动热源模型作为激光热源模型，根据热化学反应方程式计算激光诱导反应产热，使用单元内部生热率方式表现激光诱导铝热反应产生的热量；将两种热源结合的双热源耦合热源模型作为计算激光熔覆温度场的载荷，得到激光熔覆制造氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场的分布和演变。试验通过设置与有限元仿真相同的条件，设置若干温度采样点，测量激光熔覆过程中的温度变化，在温度场有限元模型对应位置设置采样点，对比实验与有限元温度采样点的温度-时间数据，校核有限元模型，直至有限元温度场模拟数据与实验数据相符(误差≤15％)时，再进行热力耦合，即可预测应力场分布与演变，用以指导改进激光熔覆工艺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于氧化铝陶瓷基复合材料涂层建立复合材料模型，根据所述复合材料模型，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数；其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层通过激光熔覆法，由包括铝粉和金属氧化物粉末的原料经激光诱导铝热反应在基板表面制备得到；
利用激光熔覆制造过程中的激光热源模型和激光诱导铝热反应热源模型，建立双热源耦合热源模型；
以所述双热源耦合热源模型作为温度场分析的载荷，将所述基板的热学物理参数和所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数作为有限元计算的输入参数，利用有限元模型得到激光熔覆制造过程中氧化铝陶瓷基复合材料涂层的温度场模拟数据，之后进行热力耦合，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述复合材料模型为随机粒子强化复合模型，包括基体材料和随机粒子，所述随机粒子随机分布在基体材料中；其中，所述基体材料为氧化铝陶瓷，随机粒子为金属氧化物粉末对应的金属单质颗粒。
3.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于，所述金属氧化物粉末包括四氧化三铁粉和氧化铁粉中的至少一种；所述铝粉和金属氧化物粉末的粒度独立地为30～50μm。
4.根据权利要求2或3所述的预测方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数的获得方法，包括以下步骤：
根据复合材料模型，基于基体材料和随机粒子的热学物理参数，利用代表体积元方法得到所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层的热学物理参数。
5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述热学物理参数包括密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量和泊松比。
6.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述激光热源模型为高斯移动热源模型。
7.根据权利要求1或6所述的预测方法，其特征在于，所述激光诱导铝热反应热源模型为内部生热率热源模型，所述激光诱导铝热反应热源模型所用参数根据激光诱导铝热反应的热化学反应方程式得到。
8.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述热力耦合前包括：对所述温度场模拟数据进行实验校核。
9.根据权利要求8所述的预测方法，其特征在于，所述实验校核的方法包括以下步骤：
在所述有限元模型上设置若干个有限元温度采样点，使用与激光熔覆相同的工艺参数进行实验，在基板上与有限元模型相同的位置设置实验温度采样点，对比实验温度采样点与有限元温度采样点的温度-时间数据，若误差≤15％，进行后续热力耦合步骤；若误差＞15％，修改有限元模型的参数条件，再次对有限元模型的温度场模拟数据进行校核，直至误差≤15％。
10.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述热力耦合的方法包括以下步骤：
将所述温度场模拟数据作为应力场分析的载荷，其中，所述氧化铝陶瓷基复合材料涂层以及基板的应力应变的计算服从虎克定律和von-Mises屈服准则，经过瞬态应力计算，实现氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测。
CN202010459606.7A 2020-05-27 2020-05-27 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法 Active CN111627503B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010459606.7A CN111627503B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010459606.7A CN111627503B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111627503A CN111627503A (zh) 2020-09-04
CN111627503B true CN111627503B (zh) 2022-03-08

Family

ID=72261304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010459606.7A Active CN111627503B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111627503B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113369694B (zh) * 2021-04-25 2022-06-07 西安交通大学 一种双光束耦合激光增材成形方法及装置
CN113343547B (zh) * 2021-04-27 2022-03-08 东南大学 一种陶瓷-金属复合结构光热波场建模方法
CN113343521B (zh) * 2021-05-27 2023-07-04 重庆大学 基于comsol预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法
CN114429052B (zh) * 2022-04-06 2022-06-21 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 复合材料广义热弹性耦合问题计算方法
CN115099082A (zh) * 2022-05-22 2022-09-23 北京工业大学 一种高温合金复合粉末激光熔覆涂层瞬态热应力分析方法
CN115651518B (zh) * 2022-11-14 2023-12-22 江苏吉鑫风能科技股份有限公司 一种风电铸件用表面防护涂料及其制备方法
CN117831670A (zh) * 2023-03-31 2024-04-05 西安文理学院 一种模拟优化激光熔覆和激光重熔复合工艺的优化方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107862163A (zh) * 2017-12-08 2018-03-30 南昌航空大学 一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法
CN108038266A (zh) * 2017-11-17 2018-05-15 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种选择性激光修复过程的数值模拟方法
CN108763704A (zh) * 2018-05-18 2018-11-06 西北工业大学 基于激光立体成形自愈合效应的宏观热应力场有限元建模方法
CN110704966A (zh) * 2019-09-19 2020-01-17 河海大学常州校区 激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108038266A (zh) * 2017-11-17 2018-05-15 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种选择性激光修复过程的数值模拟方法
CN107862163A (zh) * 2017-12-08 2018-03-30 南昌航空大学 一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法
CN108763704A (zh) * 2018-05-18 2018-11-06 西北工业大学 基于激光立体成形自愈合效应的宏观热应力场有限元建模方法
CN110704966A (zh) * 2019-09-19 2020-01-17 河海大学常州校区 激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Finite Element Simulation of Temperature and Stress Field for Laser Cladded Nickel-Based Amorphous Composite Coatings;Ruifeng Li et al.;《coatings》;20180924;第1-12页 *
Progress in numerical simulation of the laser cladding process;Nusrat Tamanna et al.;《Optics and Lasers in Engineering》;20190611;第151-163页 *
基于热力耦合的激光熔覆数值模拟与实验研究;任仲贺 等;《激光与光电子学进展》;20190331;第56卷(第5期);第1-10页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111627503A (zh) 2020-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111627503B (zh) 一种氧化铝陶瓷基复合材料涂层激光熔覆制造过程中应力场的预测方法
Moges et al. A review of model inaccuracy and parameter uncertainty in laser powder bed fusion models and simulations
Guo et al. Finite element simulation of the compressive response of additively manufactured lattice structures with large diameters
Gupta Design of thermal barrier coatings: a modelling approach
Kahlen et al. Tensile strengths for laser-fabricated parts and similarity parameters for rapid manufacturing
Sfarra et al. Ceramics and defects: Infrared thermography and numerical simulations—a wide-ranging view for quantitative analysis
Shi et al. Identification of material constitutive laws for machining—part II: generation of the constitutive data and validation of the constitutive law
Zhang et al. Numerical studies of residual states and scaling effects in laser-directed energy deposition additive manufacturing
Luo et al. Effects of process parameters on deformation and temperature uniformity of forged Ti-6Al-4V turbine blade
Lampeas et al. Multifield modelling and failure prediction of cellular cores produced by selective laser melting
Nirmalan et al. The measurement of full-surface internal heat transfer coefficients for turbine airfoils using a nondestructive thermal inertia technique
Balbaa et al. Multi-scale modeling of residual stresses evolution in laser powder bed fusion of Inconel 625
CN115238605A (zh) 一种预测slm单熔道表面质量的数值模拟方法
Wang et al. Hybrid prediction model for residual stress profile induced by multi-axis milling Ti-6Al-4 V titanium alloy combined finite element with experiment
Lee et al. A finite element approach to transient thermal analysis of work rolls in rolling process
Seiler et al. Creep failure of honeycombs made by rapid prototyping
Lopez et al. Identifying uncertainty in laser powder bed fusion models
Liu et al. Aerodynamic and mechanical analyses on manufacturing variations of a turbine blade row
Zhang et al. Investigation of temperature field for the in-situ fabrication of particle-reinforced alumina ceramics coating via laser induction
Venkadeshwaran et al. Bend angle prediction and parameter optimisation for laser bending of stainless steel using FEM and RSM
CN113627059B (zh) 一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法
Astafeva Modeling of welding process and allied technologies
Iordache et al. Numerical simulation of friction stir welding (FSW) process based on ABAQUS environment
Bai et al. Solid-state phase transformation-induced residual stress in selective laser melting of martensitic stainless steel
Birnbaum et al. Scaling effects in laser-based additive manufacturing processes

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