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专利号: 201910690780X
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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;

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:

2 2 2

R=(i‑i0) +(j‑j0)

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:建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒形核模型;

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;

步骤3:建立镍基合金堆焊熔池枝晶的晶粒生长模型;

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;

步骤4:模拟计算及结果导出;

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。