一种金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，尤其涉及一种金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法。

背景技术

金属基复合材料融合了金属基材料的高延展性和高韧性，以及增强相的高强度和高刚度性能。通常采用陶瓷颗粒作为增强相，这有效提高了金属材料的强度和硬度，同时改善了耐高温、耐磨损、耐腐蚀和抗辐射等性能。因此，金属基复合材料已经成为提升航空航天飞行器等高端零部件性能的重要应用材料。传统上，金属基复合材料的制备方法主要包括熔铸法和粉末冶金法。然而，这些方法存在复杂性、高成本以及对设备要求较高的问题，尤其在制备航空、航天大型构件或进行批量生产时存在不足。

近年来，随着增材制造技术的快速发展，该技术在金属基复合材料领域的研究和应用引起了科研工作者和工业领域的广泛关注。研究者希望通过增材制造技术的成功发展，克服传统制备方法在金属基复合材料的制备和加工中存在的问题。然而，在激光增材过程中，由于熔体流动和快速凝固，增强相颗粒容易发生团聚现象，无法均匀分布在材料中。颗粒团聚显著增加了材料变形过程中的应力集中程度，导致早期损伤和破坏，从而严重恶化了力学性能。针对金属基复合材料成型产品的增强颗粒分布后处理分析，存在不能准确再现颗粒在熔池中运动的问题，可能导致错误的结论。此外，由于增材过程具有独特的熔化/凝固行为，颗粒分散机制可能与传统工艺中的颗粒分散机制不同，因此理解金属基复合材料激光增材过程中的颗粒运动机制变得非常必要。

目前为止，在已经公开的专利当中，虽然有发明通过改变激光形式、粉体形式等方式去解决团聚问题，但还没有陶瓷颗粒在激光增材过程中的运动机制相关的专利。因此，本发明提供一种金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法，通过CFD-DEM双向耦合的流体仿真方法，以揭示强化陶瓷颗粒与熔池的耦合运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法，以解决现有技术中金属基复合材料激光增材过程陶瓷颗粒运动迁移机制不明，从而为陶瓷颗粒的分布均匀化调控提供理论基础。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法，包括以下步骤：

(1)建立计算流体动力学(CFD)模型，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，自由表面受对流、辐射、蒸发和激光热量的影响，通过求解体积分数的连续方程实现熔池气液界面的追踪，熔池内流体受反冲压力、表面张力、浮力和重力等因素驱动；

(2)建立离散元方法(DEM)模型，基于牛顿第二定律详细计算粒子与粒子的相互作用、粒子与流体的相互作用，包括动量交换和热量交换；

(3)建立激光热源模型，假设激光能量在光束横截面上具有高斯分布；

(4)判断DEM模块中的粉末颗粒的温度是否达到液相线温度，若达到，映射粉末颗粒的动量、体积和温度至流体网格单元，并删除颗粒，若未达到，保留颗粒，并视为非弹性碰撞，粘附在它们所在的单元上；

(5)判断DEM模块中的粉末颗粒是否相互碰撞，若碰撞，则计算碰撞后的速度和温度；

(6)从CFD模块获取流体的速度、温度、压力等信息，从DEM模块获取颗粒的速度、温度、位置等信息，计算颗粒和流体之间的动量和能量交换，包括阻力、浮力、颗粒与流体传热和热辐射等；

(7)将步骤六中得到的动量和能量信息代入CFD模块的控制方程，以求解流体的速度和温度、气液界面等，同时使用PISO算法求解压力并更新速度，根据温度更新金属材料和陶瓷材料的热物理性能参数；

(8)将步骤六中得到的动量和能量信息代入DEM模块，以更新颗粒速度、温度和位置；

(9)重复步骤四到步骤八，直至达到规定计算时间；

(10)对计算结果进行后处理，即可获得颗粒在激光增材过程的运动轨迹以及颗粒分布情况。

优选的，步骤(1)的气液界面追踪是基于VOF方法，求解体积分数的连续方程如下：

其中，f其中是液相的体积分数，当f的值为零时，表示单元中没有液相，

优选的，步骤(2)的颗粒包括金属颗粒和陶瓷增强相颗粒，在激光增材过程中，金属颗粒升温至熔点以上形成熔池，而陶瓷增强相颗粒不会熔化，仍在熔池中进行运动。

优选的，步骤(2)的陶瓷颗粒在熔池中时，每个颗粒的平移、旋转和温度的演变可以用以下方程描述：

其中，

优选的，步骤(2)的陶瓷颗粒间的相互碰撞可以用以下方程描述：

其中k

优选的，步骤(6)的动量和能量交换采用欧拉-拉格朗日框架，将流体相视为连续相，颗粒相视为离散相，颗粒在流场中的运动使用拉格朗日坐标跟踪，在每个时间步长内，DEM模块更新陶瓷颗粒的位置和温度，CFD模块通过提取流体网格单元信息来计算受力和受热情况所需的数据，陶瓷颗粒的力学参数和热学参数的计算方程如下：

Q

其中，

优选的，步骤(7)中流体的速度和温度更新通过CFD模块获取由所有陶瓷颗粒引起的动量损失和热损失，将陶瓷颗粒施加的力结合到流体网格单元中，其计算方程如下：

其中，f

本发明的有益效果为：

(1)提高激光增材过程控制精度：通过计算流体动力学(CFD)模型和离散元方法(DEM)模型的耦合，不仅考虑了颗粒与流体之间的动量和能量交换，还考虑了反冲压力、表面张力、浮力、重力、阻力、浮力、颗粒与流体传热和热辐射等多种因素，能够更准确地模拟金属基复合材料激光增材过程中的复杂流体和颗粒相互作用。这有助于实现对流体速度、温度、气液界面等关键参数的高精度预测，从而提高激光增材过程的控制精度。

(2)减少实验试错成本：通过对颗粒在激光增材过程中的运动轨迹和分布情况的准确预测，可以减少对实际试验的依赖，从而降低试错成本。工程师和研发人员可以更加依赖数值模拟，提前了解潜在问题，优化工艺参数，提高生产效率。

(3)提高金属基复合材料激光增材零件性能：本方法用于探明金属基复合材料激光增材过程中陶瓷颗粒运动迁移机制的不明确性，为实现陶瓷颗粒在激光增材过程中的均匀分布提供理论基础，也为激光增材技术在制造、航空航天等领域的应用提供了技术支持，推动了该领域的进步。

附图说明

图1是金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法的实现流程图；

图2是通过后处理获取陶瓷颗粒在不同位置的运动轨迹图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明方法工作流程如图1所示。

图1是金属基复合材料激光增材过程颗粒运动预测方法的实现流程图。

步骤1在仿真软件中详细输入金属和陶瓷材料的热物理性能参数，这包括但不限于熔点、导热系数、比热容等。确保对于每一材料，这些参数都准确地反映了其在激光增材过程中的热学行为，需要考虑到热物性参数随着温度变化而变化。

步骤2对流体和颗粒的状态进行初始化，对于流体，需要考虑激光增材过程中空气域、流体域的尺寸大小，其初始状态需要符合实际激光增材工艺条件，对于颗粒，应当对金属颗粒和陶瓷颗粒的尺寸、初始分布进行初始化。

步骤3设置总计算时间，这个时间范围应当涵盖整个增材过程，从激光照射的开始到完成，需要考虑激光扫描速度、材料层间的堆叠时间以及激光在每一层的停留时间等因素。

步骤4-8为在DEM模块对颗粒的温度、速度、位置等进行计算，包括：

(1)判断颗粒是否熔化。在激光增材过程中，金属颗粒升温至熔点以上形成熔池，而陶瓷增强相颗粒不会熔化，仍在熔池中进行运动，若金属颗粒的温度达到熔点，则颗粒的动量、体积和温度被映射到流体网格单元。

(2)判断颗粒之间是否碰撞，若发生碰撞，则用以下方程去计算碰撞过程的受力和热量变化：

其中k

(3)获取颗粒的速度、温度和位置。颗粒固体相是通过离散单元法DEM来计算，计算的基本原理是牛顿第二定律，其运动轨迹通过移动和转动来描述，具体作用力包括颗粒-颗粒、颗粒-流场间相互作用力，每个颗粒的平移、旋转和温度的演变可以用以下方程描述：

其中，

步骤9-13为在CFD模块对流体的温度、速度、压力等进行计算，包括：

(1)设置热源模型。为了简化计算，假设激光能量在光束横截面上具有高斯分布。在不考虑粉末屏蔽的情况下，通过以下公式计算激光照射范围内的热通量密度：

其中，P是热源的功率，(x

(2)设置边界条件。需明确设定流场的边界条件，包括流体的入口条件、出口条件，以及流体与固体表面之间的相互作用，熔池的自由表面受到四种不同的热边界条件的影响，包括对流、辐射、蒸发和来自激光的热通量：

其中，h

(3)设置收敛条件。需要定义数值求解过程中的收敛条件，这包括误差限、迭代步数等参数，确保在求解过程中达到稳定的数值解，合理的收敛条件是数值模拟的关键，对于确保模拟结果的准确性和稳定性至关重要。

(4)求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。热流体耦合问题的控制方程以欧拉形式描述，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，在这一步骤中需考虑DEM模块中达到熔点的金属颗粒，从而计算出流体的温度、速度、压力等。

步骤14为计算颗粒和流体之间的动量和热量交换，动量和能量交换采用欧拉-拉格朗日框架，将流体相视为连续相，颗粒相视为离散相，颗粒在流场中的运动使用拉格朗日坐标跟踪，在每个时间步长内，DEM模块更新陶瓷颗粒的位置和温度，CFD模块通过提取流体网格单元信息来计算受力和受热情况所需的数据，陶瓷颗粒的力学参数和热学参数的计算方程如下：

Q

其中，

步骤15为基于VOF法更新熔池的气液界面，求解体积分数的连续方程如下：

其中，f其中是液相的体积分数，当f的值为零时，表示单元中没有液相，

步骤16：更新流体的压力和速度。详细说明在颗粒和流体相互作用后如何更新流体的压力和速度场，考虑到颗粒的存在会对流场产生影响，确保更新过程合理、稳定，准确反映激光增材过程中的流体动力学，流体的速度和温度更新通过CFD模块获取由所有陶瓷颗粒引起的动量损失和热损失，将陶瓷颗粒施加的力结合到流体网格单元中，其计算方程如下：

其中f

步骤17：计算颗粒的加速度和速度，明确计算颗粒受到的加速度，以及如何根据流体场的动力学信息更新颗粒的速度，涉及到颗粒在流场中受到的力和热力学效应，确保颗粒在模拟中的运动行为准确反映实际情况，

步骤18：更新颗粒的位置和温度。描述在流体场的作用下，颗粒运动和温度如何被更新。确保模拟中捕捉到颗粒在激光增材过程中的实时状态变化，包括位置、速度和温度等参数的准确更新。

步骤19：判断是否达到计算时间。若达到计算时间，则完成计算，若未达到计算时间，则返回步骤3，反复迭代。

步骤20：对计算结果进行后处理，这包括颗粒在激光增材过程中的运动轨迹分析、颗粒分布情况的可视化等，图2描述了通过后处理获取陶瓷颗粒在不同位置的运动轨迹图，激光增材过程熔池的气液界面和固液界面通过仿真可以获取，从而计算出陶瓷颗粒在熔池内的初始位置、移动轨迹和最终位置。