一种激光熔凝层组织精确控制方法与流程

本发明属于激光加工方法技术领域，具体涉及一种激光熔凝层组织精确控制方法。

背景技术：

材料的性能是由其微观组织决定的，包括相的种类和形态，而微观组织则是由凝固过程条件所决定，因此控制凝固过程以获得理想的组织和性能是研究人员追求的目标。激光熔凝是指利用高能密度的激光束扫描工件的表面，使表面一薄层熔化并在极快的冷却速度下凝固。激光熔凝可以在普通的金属材料表面获得高硬度、高耐磨性和高温性能的改性层；同时可使零件的心部仍保持较好的韧性，使零件具有耐蚀性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光熔凝是局部快速凝固非平衡物理冶金过程，该方法具有功率密度高工件变形小、工艺简单等特点，特别是激光熔凝的凝固界面的温度梯度可高达10³k/mm，凝固速度高达每秒数米，可以获得超细组织和结构，因此激光熔凝技术近年来在材料表面改性技术方面得到了广泛应用。

根据快速凝固原理，激光凝固后组织受到凝固材料化学成分、固液界面前沿的温度梯度(g)、凝固速度(r)、固液界面能等因素的影响。温度梯度(g)与凝固速度(r)的商决定着凝固组织，温度梯度(g)与凝固速度(r)积决定着凝固组织晶粒大小。随着g/r的增加，凝固组织依次为等轴晶，柱状晶，胞状晶及平面晶；而rg的积决定着晶粒的尺寸。

目前，国内外不少学者对激光熔凝的温度场进行了数值模拟，例如利用ansys有限元模拟软件，建立了激光熔凝rut300三维实体有限元模型，研究了不同预热温度下激光熔凝的瞬态温度场,获得预热温度对温度分布、温度梯度、冷却速率等的影响规律；此外，专利cn201810621229.5公开了一种实现钛合金表面晶粒形态调控的脉冲激光表面熔凝方法。首先，对激光表面熔凝工艺窗口进行初步优化，在优化工艺窗口下对激光熔凝过程中熔池表面的定点温度变化进行记录，获得熔池中心的定点热循环曲线和平均冷却速率ξ；最后获得β晶形态受控的钛合金表面。该发明实现了钛合金表面β晶形态的调控，能有效提高成形件力学性能。

但是，目前在激光熔凝技术方面，由于激光熔凝过程是一个快速加热快速冷却的过程，在当前技术条件下难以通过对重熔过程进行实时测量来获得精确的温度场数据，然而，确定激光熔凝的温度变化对建立工艺参数与组织、性能之间的关系又是极其重要的。因此，设计一种能够利用数值模拟的方法对激光熔凝温度场进行分析，从而精确控制激光熔凝层组织的方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种激光熔凝层组织精确控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种激光熔凝层组织精确控制方法，以下步骤：

步骤s1：基于有限元建立激光熔凝温度场数值模拟模型；

步骤s2：取样品进行激光熔凝试验并获得温度数据，根据该温度数据对步骤s1中的温度场数值模拟模型进行修正优化，获得优化后的温度场数值模拟模型；

步骤s3：利用所选样品的凝固组织对应的熔凝过程中温度梯度g与凝固梯度r关系数据库，获得该样品凝固组织所对应的g与r值，并将其代入到步骤s2获得的优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应样品的熔凝工艺参数，所述工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸和激光扫描方向；

步骤s4：将所选样品表面进行预处理，根据步骤s3获得的工艺参数对样品表面进行激光熔凝试验并获得所需的熔凝层组织。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2中的温度数据的获取是通过非接触式温度探测设备获得的，所述非接触式温度探测设备为红外热像仪或红外增强ccd摄像机。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s4中的预处理包括样品表面打磨、清洗和黑化处理。

作为本发明的进一步优化方案，所述凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据库为已知材料的相关数据库，对于新材料或没有相关的凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据的材料，其数据将通过熔凝试验来获得。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3中的温度梯度g和凝固梯度r与凝固组织的关系为：温度梯度g与凝固梯度r的商与凝固组织的类型的关系，温度梯度g与凝固梯度r的积与凝固组织的晶粒尺寸大小的关系.

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过有限元建立的激光熔凝温度场数值模拟模型经过了实际实验测试获得的温度数据进行修正优化，使得该温度场数值模拟模型能准确的反映激光熔凝工艺参数对温度场的影响，基于从温度场模型可以获得试样任何位置的温度梯度g与凝固速度r数据，反之即可从温度场数值模拟模型逆推出对应凝固组织的工艺参数，；

2)本发明根据熔凝组织及晶粒尺寸与熔凝过程中温度梯度g与凝固速度r的关系数据库，又可对工艺参数进行优化，从而获得期望的熔凝组织，这种通过模型与试验的结合方式，既可以精确获得所需的激光熔凝组织，也可以避免通过复杂的多次试验来实现对激光熔凝层组织精确控制，简化了操作，且精确了结果，且获得的杨平的性能也大大提升；

3)本发明通过在激光熔凝系统中加入冷却介质，能扩大获得熔凝组织的范围，进一步细化凝固组织，获得高的晶体缺陷密度，形成非平衡相；

4)本发明方法简单，稳定性高，设计合理，便于实现。

附图说明

图1是本发明中实施例1的熔凝区金相图；

图2是本发明中实施例1的热影响区金相图；

图3是本发明中实施例1的基体金相图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

一种激光熔凝层组织精确控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：基于有限元建立激光熔凝温度场数值模拟模型；

步骤s2：取样品进行激光熔凝试验并获得温度数据，根据该温度数据对步骤s1中的温度场数值模拟模型进行修正优化，获得优化后的温度场数值模拟模型；

步骤s3：利用所选样品的凝固组织对应的熔凝过程中温度梯度g与凝固梯度r关系数据库，获得该样品凝固组织所对应的g与r值，并将其代入到步骤s2获得的优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应样品的熔凝工艺参数，所述工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸和激光扫描方向；

步骤s4：将所选样品表面进行预处理，根据步骤s3获得的工艺参数对样品表面进行激光熔凝试验并获得所需的熔凝层组织。

需要说明的是，所述步骤s2中的温度数据的获取是通过非接触式温度探测设备获得的，所述非接触式温度探测设备为红外热像仪或红外增强ccd摄像机；所述步骤s3中所述的凝固组织包括凝固组织的类型、区域深度和晶粒尺寸；所述步骤s4中的预处理包括样品表面打磨、清洗和黑化处理。

所述凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据库为已知材料的相关数据库，对于新材料或没有相关的凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据的材料，其数据将通过熔凝试验来获得。

所述步骤s3中的温度梯度g和凝固梯度r与凝固组织的关系为：温度梯度g与凝固梯度r的商与凝固组织的类型的关系，温度梯度g与凝固梯度r的积与凝固组织的晶粒尺寸大小的关系。

实施例1

一种激光熔凝层组织精确控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：基于有限元建立激光熔凝温度场数值模拟模型；

步骤s2：取45钢样品在激光熔凝系统中进行激光熔凝试验，对45钢样品表面进行熔凝，以flirfdps-150型红外热像仪获取温度数据，再根据该温度数据对步骤s1中的温度场数值模拟模型进行修正优化，获得优化后的温度场数值模拟模型；

步骤s3：利用所选45钢样品的凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据库，获得45钢样品的凝固组织所对应的g与r值，并将其代入步骤s2获得的优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应的45钢样品的熔凝工艺参数，本实施例中所需的45钢凝固组织为极细的树枝状马氏体组织，其逆向导出的工艺参数为：激光功率1250w，扫描速度650mm/min，光斑尺寸5mm×3mm，激光扫描方向沿5mm侧，熔凝时氩气保护；

步骤s4：将所选45钢样品表面进行打磨、清洗和黑化处理，根据步骤s3获得的工艺参数对45钢样品表面在激光熔凝系统中进行激光熔凝试验，以红外热像仪获得相应数据，最终获得所需的熔凝层组织。

实施例2

一种激光熔凝层组织精确控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：基于有限元建立激光熔凝温度场数值模拟模型；

步骤s2：取tc4钛合金样品在激光熔凝系统中进行激光熔凝试验，对tc4钛合金样品表面进行熔凝，以红外增强ccd摄像机获取温度数据，再根据该温度数据对步骤s1中的温度场数值模拟模型进行修正优化，获得优化后的温度场数值模拟模型；

步骤s3：利用所选tc4钛合金样品的凝固组织与熔凝过程中的温度梯度g与凝固梯度r关系数据库，获得tc4钛合金样品的凝固组织所对应的g与r值，并将其代入步骤s2获得的优化后的温度场数值模拟模型进而逆向导出相对应的tc4钛合金样品的熔凝工艺参数，本实施例中所需的tc4钛合金凝固组织为细小的等轴晶组织，其逆向导出的工艺参数为：激光功率900w，扫描速度450mm/min，光斑尺寸5mm×3mm，激光扫描方向沿5mm侧，熔凝时氩气保护；

步骤s4：将所选tc4钛合金样品表面进行打磨、清洗和黑化处理，根据步骤s3获得的工艺参数对tc4钛合金样品表面在激光熔凝系统中进行激光熔凝试验，通过红外增强ccd摄像机检测熔凝过程的温度并获得相应数据，最终获得所需的熔凝层组织。

实施例1和2精确控制后获得的45钢熔凝层组织和tc4钛合金熔凝层组织，如图1-3所示，为实施例的45钢熔凝区、热影响区和基体的金相图，可知：对于45钢样品来说，由于激光熔凝过程的加热及冷却速度极快，成核率高且结晶非常迅速，晶核来不及长大，因此能获得极小而均匀的晶粒，从而在此基础上转变的马氏体也非常细，具有很高的硬度，并且脆性也较低，可以明显提高45钢表面性能，在熔凝区形成了极细的树枝状马氏体，组织比基体组织要细得多；热影响区则由针状马氏体和残余奥氏体的混合物组成，组织比常规淬火要更细小；基体则由珠光体和粗大铁素体组成。

同理，对于tc4钛合金样品来说，激光熔凝后的组织可分为熔凝区和相变硬化区。通过观察得知，熔凝区整体上呈现出一种非常致密的组织形态，为细小的等轴晶组织，与通常激光熔凝典型的枝晶和柱晶等凝固组织有很大的区别，其主要归因于激光熔凝过程中冷却介质水的冷却作用，大大提高了试样的凝固速度(r)，从而使温度梯度(g)与凝固速度(r)的商很小，温度梯度(g)与凝固速度(r)的积很大，获得了细小致密的等轴晶熔凝组织。热影响区为母材与熔凝区之间的过渡区，其位于表层熔凝区的下方。热影响区由原始α晶粒、原始β基体组织和细小的针状α′马氏体组织组成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。