激光增材制造合金成分优化和性能评判方法及系统

本发明涉及激光增材领域，具体地，涉及一种激光增材制造合金成分优化和性能评判方法及系统。

背景技术：

1、随着航空航天、智能机械等领域对结构设计和定制成形方面的需求，金属增材制造技术成为了高端制造业零部件加工的重要手段，它以计算机辅助设计和高能束精准沉积突破了传统铸造工艺的模具形状限制，以更精准、更自由、更快速的方式实现“设计-生产-处理”全流程生产成本与研发周期的共同下降。而激光增材制造技术作为兼顾使用成本和成形精度的一类成形工艺，在高端精密器件制造领域有广泛的应用前景。

2、高端制造业为追求产品轻量化大量采用比强度高的合金排号，但多数传统轻质高强合金(如al-cu合金、al-zn合金)由于凝固温度区间宽、热裂敏感性高的问题在打印后会出现粗大柱状晶、性能各向异性和凝固裂纹，并不适合激光增材制造工艺。大量研究表明，通过合金化改性促进合金在凝固阶段的异质形核过程，激活材料的柱状晶向等轴晶转变(cet)机制获得等轴晶组织，是一种有效地改善合金成形性、抑制凝固裂纹和提高材料性能的合金设计路线。基于这一路线，在铝合金中经过各类sc、zr、ti等元素改性的轻质高强合金得以实现激光增材制造，并在航空航天等高端场景得到应用。但现阶段改性合金的成分设计主要依靠试错工艺，通过对比不同含量改性元素对于成形组织和性能的影响优化选择合适的合金成分，缺少对合金可打印性的快速评判标准，使得改性合金的设计与优化工作耗时久、效率低。

3、在液态金属的凝固过程中，温度梯度g和凝固速度r直接影响了熔体成分分布和晶粒生长过程，是决定成形组织形态和成形性能的关键参数。合适的温度梯度g、凝固速度r和形核位点n是激活材料cet转变机制的核心，而在全等轴组织中，根据细晶强化理论晶粒尺寸与材料强度呈负相关关系，冷却速度ε越大可以获得越细小的成形组织，同时由于溶质原子的扩散过程被抑制，形成过饱和度更高的凝固组织，进一步提高了材料的力学性能。

4、因此，依据上述合金凝固过程中的4个关键参数构建改性后合金的可打印性快速预测路线，构建不同工艺参数下的性能评判参数，综合考虑材料的微观组织及力学性能两大因素，对于指导材料成分设计以及工艺参数优化过程具有重要的指导意义。

5、在公开号为cn114799224b中国专利文献中，公开了一种激光增材制造成形系统及成形性的调控方法，系统包括激光增材制造设备，包括：激光器、原位磁场发生器、原位磁场控制系统、电源，原位磁场发生器包括多个非线性磁场发生单元，每一非线性磁场发生单元包括磁感应线圈；计算机设计软件，用于建立三维实体几何模型并获取激光增材制造加工工序且导入至激光增材制造设备；原位磁场发生器、原位磁场控制系统与电源形成闭环，原位磁场发生器用于产生原位磁场以作用于内设的粉体，激光器用于产生激光以对粉体激光扫描，原位磁场控制系统用于控制电源产生电流以激活或关闭一或多个非线性磁场发生单元，用于控制粉体成形为试样过程中激光扫描的不同成形位置上的磁感应强度相同。该专利文献虽然解决粉体在激光增材制造成形过程中成形为试样存在的粗大柱状晶、易产生裂纹孔洞问题，但却无法对其进行评判。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光增材制造合金成分优化和性能评判方法及系统。

2、根据本发明提供的一种激光增材制造合金成分优化和性能评判方法，包括：

3、步骤s1：采集合金的相关信息并进行预处理，将预处理后的相关信息作为输入；

4、步骤s2：设置激光增材制造工艺参数，构建材料内部温度场分布函数以及温度梯度函数，筛选预设平面内的待计算点；

5、步骤s3：基于待计算点构建固-液界面方程并计算瞬态温度场在凝固界面位置的熔池特征信息；

6、步骤s4：基于熔池特征信息计算相关参数并判断材料是否满足预设的可打印性指标，若是，则继续计算临界冷却速度及性能评判标准并输出，若否，则变更改性元素含量并执行步骤s1-s3；所述相关参数包括平均冷却速度和形核剂数密度；

7、步骤s5：筛选输出值，确定工艺参数优化方向。

8、优选的，所述步骤s1包括以下子步骤：

9、步骤s1.1：计算经合金化改性后的合金物理性质参数；所述合金物理性质参数包括合金密度、热导率和热容；

10、步骤s1.2：计算合金基体相析出起始温度，得到该设计材料的近似固-液界面温度；所述计算包括对相对合金成分曲线的平滑化处理、析出相形核孕育期计算及孕育期-温度曲线交点的求解。

11、优选的，所述步骤s4包括以下子步骤：

12、步骤s4.1：计算凝固过程熔池平均冷却速度ε，确定冷却过程中形核剂析出时间区间，得到非均匀形核剂体密度数值；所述非均匀形核剂体密度数值根据形核剂可析出时间区间上的积分结果确定，其计算公式为：

13、

14、式中，α1、a*为常数，tl、th分别为时间积分上下限，sm为熔化熵，r为普适气体常数，tl代表材料的液相线温度，ε为平均冷却速度，τ为形核孕育期，t为待计算点从tl温度开始冷却的时间，θ代表润湿角；积分上下限依据下列不等式组确定：

15、

16、步骤s4.2：根据等冷却速度曲线、柱状晶区间边界、等轴晶区间边界计算各交点坐标，由各点与坐标原点连线的斜率得到熔池各点可打印性参数，并统计平均结果进行可打印性评判；

17、等冷速曲线形式为：

18、

19、式中，g0、r0为熔池内一点计算而得的温度梯度与凝固速度大小；

20、可打印性参数计算公式为：

21、

22、式中，k0为待计算点的斜率，k1为等冷却速度曲线与等轴晶区间边界交点的斜率；构建完整的可打印性阈值区间并计算等冷却速度曲线与柱状晶区间边界交点的斜率k2；当k0≤k1时所得的f为合格的可打印性标准，k0≥k2时所得的f为完全不可打印，k1≤k0≤k2时所得的f为不合格的可打印性。

23、优选的，所述步骤s5包括针对可打印性合格的材料，计算取得合格可打印性所需的最少非均匀形核剂体密度数值，得到临界冷却速度，计算性能快速评判指标，并统计平均结果，明确工艺参数优化方向；

24、性能快速评判指标的计算公式为：

25、

26、式中，ε为平均冷却速度，εc为待计算点落在等轴晶区间边界时的临界冷却速度。

27、优选的，所述构建材料内部温度场分布函数以及温度梯度函数根据成形工艺的相关特征对应设置温度场模拟方程。

28、优选的，所述筛选预设平面内的待计算点包括对合金液相线温度等温面的构建及熔池尺寸的计算，通过对比待计算点到原点的距离与熔池尺寸的大小关系选择出在熔池尺寸范围内的待计算点。

29、优选的，所述固-液界面方程基于所述合金基体相析出起始温度的等温面为标准进行构建。

30、优选的，所述瞬态温度场在凝固界面位置的熔池特征信息包括选定预设的y-z平面待计算点沿x轴负方向在固液界面上投影点处的温度梯度g0及凝固速度数值r0，且：

31、

32、

33、式中，(x0,y0,z0)代表熔池y-z平面一待计算点沿x轴负方向在固液界面上投影点的空间三维坐标，v代表激光扫描速度。

34、优选的，所述最少非均匀形核剂体密度数值由数学公式计算获得；所述临界冷却速度由对非均匀形核进体密度计算公式的二分迭代计算获得；所述性能快速评判指标基于临界冷却速度与平均冷却速度获得，且：

35、

36、式中，nc为最少非均匀形核剂体密度，g0为温度梯度，a与n是与具体材料类型相关的常数。

37、根据本发明提供的一种激光增材制造合金成分优化和性能评判系统，包括：

38、模块m1：采集合金的相关信息并进行预处理，将预处理后的相关信息作为输入；

39、模块m2：设置激光增材制造工艺参数，构建材料内部温度场分布函数以及温度梯度函数，筛选预设平面内的待计算点；

40、模块m3：基于待计算点构建固-液界面方程并计算瞬态温度场在凝固界面位置的熔池特征信息；

41、模块m4：基于熔池特征信息计算相关参数并判断材料是否满足预设的可打印性指标，若是，则继续计算临界冷却速度及性能评判标准并输出，若否，则变更改性元素含量并执行模块m1-m3；所述相关参数包括平均冷却速度和形核剂数密度；

42、模块m5：筛选输出值，确定工艺参数优化方向。

43、优选的，所述模块m1包括以下子模块：

44、模块m1.1：计算经合金化改性后的合金物理性质参数；所述合金物理性质参数包括合金密度、热导率和热容；

45、模块m1.2：计算合金基体相析出起始温度，得到该设计材料的近似固-液界面温度；所述计算包括对相对合金成分曲线的平滑化处理、析出相形核孕育期计算及孕育期-温度曲线交点的求解。

46、优选的，所述模块m4包括以下子模块：

47、模块m4.1：计算凝固过程熔池平均冷却速度ε，确定冷却过程中形核剂析出时间区间，得到非均匀形核剂体密度数值；所述非均匀形核剂体密度数值根据形核剂可析出时间区间上的积分结果确定，其计算公式为：

48、

49、式中，α1、a*为常数，tl、th分别为时间积分上下限，sm为熔化熵，r为普适气体常数，tl代表材料的液相线温度，ε为平均冷却速度，τ为形核孕育期，t为待计算点从tl温度开始冷却的时间，θ代表润湿角；积分上下限依据下列不等式组确定：

50、

51、模块m4.2：根据等冷却速度曲线、柱状晶区间边界、等轴晶区间边界计算各交点坐标，由各点与坐标原点连线的斜率得到熔池各点可打印性参数，并统计平均结果进行可打印性评判；

52、等冷速曲线形式为：

53、

54、式中，g0、r0为熔池内一点计算而得的温度梯度与凝固速度大小；

55、可打印性参数计算公式为：

56、

57、式中，k0为待计算点的斜率，k1为等冷却速度曲线与等轴晶区间边界交点的斜率；构建完整的可打印性阈值区间并计算等冷却速度曲线与柱状晶区间边界交点的斜率k2；当k0≤k1时所得的f为合格的可打印性标准，k0≥k2时所得的f为完全不可打印，k1≤k0≤k2时所得的f为不合格的可打印性。

58、优选的，所述模块m5包括针对可打印性合格的材料，计算取得合格可打印性所需的最少非均匀形核剂体密度数值，得到临界冷却速度，计算性能快速评判指标，并统计平均结果，明确工艺参数优化方向；

59、性能快速评判指标的计算公式为：

60、

61、式中，ε为平均冷却速度，εc为待计算点落在等轴晶区间边界时的临界冷却速度。

62、优选的，所述构建材料内部温度场分布函数以及温度梯度函数根据成形工艺的相关特征对应设置温度场模拟方程。

63、优选的，所述筛选预设平面内的待计算点包括对合金液相线温度等温面的构建及熔池尺寸的计算，通过对比待计算点到原点的距离与熔池尺寸的大小关系选择出在熔池尺寸范围内的待计算点。

64、优选的，所述固-液界面方程基于所述合金基体相析出起始温度的等温面为标准进行构建。

65、优选的，所述瞬态温度场在凝固界面位置的熔池特征信息包括选定预设的y-z平面待计算点沿x轴负方向在固液界面上投影点处的温度梯度g0及凝固速度数值r0，且：

66、

67、

68、式中，(x0,y0,z0)代表熔池y-z平面一待计算点沿x轴负方向在固液界面上投影点的空间三维坐标，v代表激光扫描速度。

69、优选的，所述最少非均匀形核剂体密度数值由数学公式计算获得；所述临界冷却速度由对非均匀形核进体密度计算公式的二分迭代计算获得；所述性能快速评判指标基于临界冷却速度与平均冷却速度获得，且：

70、

71、式中，nc为最少非均匀形核剂体密度，g0为温度梯度，a与n是与具体材料类型相关的常数。

72、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

73、1、本发明通过温度场近似方程快速构建了对添加促进非均匀形核元素改性后合金可打印性的评价标准，避免了有限元仿真过程耗时长的问题，通过对不同改性元素含量的合金可打印性结合相应工艺参数进行评判，对比不同含量改性合金可打印性的优劣以及工艺窗口大小，判断该成分是否符合材料设计的相关需求，进而可以指导改性合金的成分设计工作。

74、2、本发明对于可打印性合格的改性合金，根据不同激光工艺参数可以获得性能评判参数，根据该项参数的大小辅助激光增材激光参数的选择与设计；该项技术相较于其他方法计算量更小，模拟速度快，同时统合形貌预测和性能评判两项功能为一体，从而实现最快的速度实现激光增材制造专用改性合金的成分优化和工艺评判。

75、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。