技术摘要：
一种激光熔覆过程中元素分布的预测模拟方法，包括以下步骤：(1)设置计算边界条件，初始化计算条件，空气域和基体域；(2)循环开始，标定计算域，设置激光扫描域、空气域、基体域、送粉域、热源；(3)判断送粉域液相体积分数，实时更新计算域；(4)求解柱状晶平均尺寸、平 全部
背景技术：
激光熔覆过程中，金属粉末加入中吸收激光能量而熔化，熔化的粉末与基体熔化 形成的熔池相互作用，导致溶质的重新分布，合金元素的浓度分布对熔覆层的力学性能有 重要影响；在激光熔覆过程中液相流动是合金元素宏观再分布的主要原因；目前国内对于 激光熔覆过程中的元素分布预测模拟方法十分欠缺，大多数方法只提供温度场、应力场、流 场等模拟方法。
技术实现要素：
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种激光熔覆过程中的元素分布预测模 拟方法。 本发明解决实际生产中熔池凝固后成分难以预测问题；模拟结果为实际生产提供 有效的参考价值。本发明的技术方案如下： 一种激光熔覆过程中元素分布预测模拟方法，包括如下步骤： (1)采用单元赋值方法离散计算域，设置空气域和基体域两个计算域，初始化计算 条件； (2)循环迭代开始，根据单元坐标和单元记录的空气体积分数标定计算域，设置激 光扫描域、送粉域、热源域，分别赋值2、3和4，激光束域照在基体域上方，并沿着扫描方向移 动，随着熔池的形成，凝固，再形成，基体域呈现梯度增长，能量吸收域和粉末沉积域的位置 也随之发生变化，其中热源域中的热源视为均匀热源，其公式为： 其中：q为能量密度，Q为激光功率，r为激光光斑半径。 (3)送粉域内的质量源根据单位时间送粉质量以静态液相形式记录在计算单元 中，实时更新计算域； (4)根据单元温度值和材料热物性参数求解凝固及熔化速率，当单元温度低于凝 固点时，液相以柱状晶的形式凝固，柱状晶平均尺寸计算公式为： 其中：dc为柱状晶直径，Rc为柱状晶半径，λ1为一次枝晶间距，fc-柱状晶体积分数。 柱状晶的凝固速率计算公式为： Mlc＝vRc·Sc·ρc·fl (3) 5 CN 111597746 A 说 明 书 2/6 页 其中： Mlc 为柱状晶凝固速率，vRc为柱状晶生长速率，Sc为柱状晶侧面积，ρc为柱状晶密度，fl为液相体 积分数，t为单位时间，Dl为液相扩散系数， 为固液界面处液相溶质浓度， 为固液界面处 固相溶质密度，cl为液相溶质浓度，Rf为柱状晶远场半径，dc为柱状晶直径。 (5)耦合求解液相和柱状晶相的质量、动量、能量、溶质的传输方程，其中质量守恒 方程为： 其中：ρl为液相密度，fc为柱状晶体积分数， 为液相流动速度。 动量守恒方程计算公式为： 其中：p为压强， 为液相应力-应变张量， 为重力加速度， 为凝固熔化导致的 动量变化， 为固液间阻力导致的动量变化， 为固相流动速率， K为渗透率。 能量守恒方程计算公式为： 熔化: 凝固： 6 CN 111597746 A 说 明 书 3/6 页 其中：hf为潜热，kl，kc分别是液相、固相的热导率，Tl、Tc分别是液相、固相得温度， hl、hc分别是液相、固相的焓， 分别是由相变导致的液相、固相的能量变化， 是 由液相和固相之间的热传递导致的能量变化，H*为导热系数。 成分守恒方程计算公式为： 其中： 为相变导致的溶质浓度变化，cc为固相溶质浓度，k为溶质再分配系数； (6)判断收敛条件，如果不满足进入下一个循环，如果满足进入下一个时间步计 算； (7)设计激光熔覆实验，采用金相制样制备熔覆层纵截面试样； (8)将模拟结果与实际样品结果进行对照，验证模拟结果的可靠性，然后用于后续 激光熔覆过程中元素分布的预测，通过能谱分析测量出试样的成分分布，与模拟结果进行 对比，模拟结果的元素分布使用单元平均溶质表征，其计算公式如下： 其中：cmix为单元平均溶质浓度。 优选地，步骤(1)所述的设置空气域和基体域两个计算域，分别赋值1和5，空气域 中的气相体积分数设为99.998％，基体域中固相体积分数设为99.998％，设置计算边界条 件，基体域的边界类型设置为wall，边界温度为Tw＝300K，热传导系数H＝10W·m-2·K-1,空 气域的边界类型设置为pressure outlet。 优选地，步骤(7)设计激光熔覆实验，采用金相制样制备熔覆层纵截面试样，激光 熔覆实验采用45钢为基体，316L为金属粉末，激光功率为1500W，扫描速度为10mm/s，送粉速 率为0.6r/min；金相制样采用线切割，磨，抛，腐蚀的技术制备出熔覆层纵截面试样。 本发明的有益效果： 1 .本发明采用计算域标定的方法，将计算域分为空气域、基体域、激光扫描域、送 粉域、热源域五个区域，并且随着熔覆过程的进行，计算域会实时更新； 2.本发明采用两相耦合求解激光熔覆熔池凝固过程中质量、溶质、焓及动量方程， 预测熔池凝固过程中的元素分布； 3.本发明适用于预测各种二元合金材料的激光熔覆过程中的元素分布，对激光熔 覆工艺优化具有参考作用，市场潜力巨大。 附图说明 图1是本发明边界条件的示意图； 图2是本发明计算域的标定示意图；图中，1空气域；2激光扫描域；3送粉域；4热源 7 CN 111597746 A 说 明 书 4/6 页 域；5基体域； 图3是本发明一个较佳实施例1.0s时铬元素分布云图； 图4是本发明一个较佳实施例1.3s时铬元素分布云图； 图5是本发明一个较佳实施例1.6s时铬元素分布云图； 图6是本发明一个较佳实施例1.9s时铬元素分布云图； 图7是本发明一个较佳实施例的15毫米处熔覆层铬元素浓度垂直分布与实验值比 较；
一种激光熔覆过程中元素分布的预测模拟方法，包括以下步骤：(1)设置计算边界条件，初始化计算条件，空气域和基体域；(2)循环开始，标定计算域，设置激光扫描域、空气域、基体域、送粉域、热源；(3)判断送粉域液相体积分数，实时更新计算域；(4)求解柱状晶平均尺寸、平 全部
背景技术：
激光熔覆过程中，金属粉末加入中吸收激光能量而熔化，熔化的粉末与基体熔化 形成的熔池相互作用，导致溶质的重新分布，合金元素的浓度分布对熔覆层的力学性能有 重要影响；在激光熔覆过程中液相流动是合金元素宏观再分布的主要原因；目前国内对于 激光熔覆过程中的元素分布预测模拟方法十分欠缺，大多数方法只提供温度场、应力场、流 场等模拟方法。
技术实现要素：
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种激光熔覆过程中的元素分布预测模 拟方法。 本发明解决实际生产中熔池凝固后成分难以预测问题；模拟结果为实际生产提供 有效的参考价值。本发明的技术方案如下： 一种激光熔覆过程中元素分布预测模拟方法，包括如下步骤： (1)采用单元赋值方法离散计算域，设置空气域和基体域两个计算域，初始化计算 条件； (2)循环迭代开始，根据单元坐标和单元记录的空气体积分数标定计算域，设置激 光扫描域、送粉域、热源域，分别赋值2、3和4，激光束域照在基体域上方，并沿着扫描方向移 动，随着熔池的形成，凝固，再形成，基体域呈现梯度增长，能量吸收域和粉末沉积域的位置 也随之发生变化，其中热源域中的热源视为均匀热源，其公式为： 其中：q为能量密度，Q为激光功率，r为激光光斑半径。 (3)送粉域内的质量源根据单位时间送粉质量以静态液相形式记录在计算单元 中，实时更新计算域； (4)根据单元温度值和材料热物性参数求解凝固及熔化速率，当单元温度低于凝 固点时，液相以柱状晶的形式凝固，柱状晶平均尺寸计算公式为： 其中：dc为柱状晶直径，Rc为柱状晶半径，λ1为一次枝晶间距，fc-柱状晶体积分数。 柱状晶的凝固速率计算公式为： Mlc＝vRc·Sc·ρc·fl (3) 5 CN 111597746 A 说 明 书 2/6 页 其中： Mlc 为柱状晶凝固速率，vRc为柱状晶生长速率，Sc为柱状晶侧面积，ρc为柱状晶密度，fl为液相体 积分数，t为单位时间，Dl为液相扩散系数， 为固液界面处液相溶质浓度， 为固液界面处 固相溶质密度，cl为液相溶质浓度，Rf为柱状晶远场半径，dc为柱状晶直径。 (5)耦合求解液相和柱状晶相的质量、动量、能量、溶质的传输方程，其中质量守恒 方程为： 其中：ρl为液相密度，fc为柱状晶体积分数， 为液相流动速度。 动量守恒方程计算公式为： 其中：p为压强， 为液相应力-应变张量， 为重力加速度， 为凝固熔化导致的 动量变化， 为固液间阻力导致的动量变化， 为固相流动速率， K为渗透率。 能量守恒方程计算公式为： 熔化: 凝固： 6 CN 111597746 A 说 明 书 3/6 页 其中：hf为潜热，kl，kc分别是液相、固相的热导率，Tl、Tc分别是液相、固相得温度， hl、hc分别是液相、固相的焓， 分别是由相变导致的液相、固相的能量变化， 是 由液相和固相之间的热传递导致的能量变化，H*为导热系数。 成分守恒方程计算公式为： 其中： 为相变导致的溶质浓度变化，cc为固相溶质浓度，k为溶质再分配系数； (6)判断收敛条件，如果不满足进入下一个循环，如果满足进入下一个时间步计 算； (7)设计激光熔覆实验，采用金相制样制备熔覆层纵截面试样； (8)将模拟结果与实际样品结果进行对照，验证模拟结果的可靠性，然后用于后续 激光熔覆过程中元素分布的预测，通过能谱分析测量出试样的成分分布，与模拟结果进行 对比，模拟结果的元素分布使用单元平均溶质表征，其计算公式如下： 其中：cmix为单元平均溶质浓度。 优选地，步骤(1)所述的设置空气域和基体域两个计算域，分别赋值1和5，空气域 中的气相体积分数设为99.998％，基体域中固相体积分数设为99.998％，设置计算边界条 件，基体域的边界类型设置为wall，边界温度为Tw＝300K，热传导系数H＝10W·m-2·K-1,空 气域的边界类型设置为pressure outlet。 优选地，步骤(7)设计激光熔覆实验，采用金相制样制备熔覆层纵截面试样，激光 熔覆实验采用45钢为基体，316L为金属粉末，激光功率为1500W，扫描速度为10mm/s，送粉速 率为0.6r/min；金相制样采用线切割，磨，抛，腐蚀的技术制备出熔覆层纵截面试样。 本发明的有益效果： 1 .本发明采用计算域标定的方法，将计算域分为空气域、基体域、激光扫描域、送 粉域、热源域五个区域，并且随着熔覆过程的进行，计算域会实时更新； 2.本发明采用两相耦合求解激光熔覆熔池凝固过程中质量、溶质、焓及动量方程， 预测熔池凝固过程中的元素分布； 3.本发明适用于预测各种二元合金材料的激光熔覆过程中的元素分布，对激光熔 覆工艺优化具有参考作用，市场潜力巨大。 附图说明 图1是本发明边界条件的示意图； 图2是本发明计算域的标定示意图；图中，1空气域；2激光扫描域；3送粉域；4热源 7 CN 111597746 A 说 明 书 4/6 页 域；5基体域； 图3是本发明一个较佳实施例1.0s时铬元素分布云图； 图4是本发明一个较佳实施例1.3s时铬元素分布云图； 图5是本发明一个较佳实施例1.6s时铬元素分布云图； 图6是本发明一个较佳实施例1.9s时铬元素分布云图； 图7是本发明一个较佳实施例的15毫米处熔覆层铬元素浓度垂直分布与实验值比 较；
