(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111287163.9 (22)申请日 2021.11.02 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710000 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 赵宇凡　林鑫　谭华　杨海鸥　 王猛　刘建睿　于君　王理林　 谢朋辰　孙依　付健盛　 (74)专利代理 机构 西安合创非凡知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61248 代理人 支思迪 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种金属增材制造凝固组织加工预测图的 构建方法 (57)摘要 本发明公开了一种金属增材制造凝固组织 加工预测图的构建方法， 包括： 数值模拟凝固前 沿各处对应凝固参数的提取方法， 显微观察所得 晶粒形态图像结果的指标化处理方法， 数值模拟 所得凝固前沿温度梯度G、 凝固速度R值与实验观 察所得晶粒形态指标间的数据配对 方法， 基于多 组模拟及对应实验结果所绘制的凝固图， 获得最 终凝固组织加工预测图的方法。 本发 明所绘制凝 固图和凝固组织加工预测图更符合增材制造工 艺特性， 获得的特定材料相关结果更加接近于客 观事实。 本发明在实施过程中， 综合利用数值模 拟、 图像处理、 计算机语言编程等手段， 可高效处 理实验及模拟的海量数据， 大量统计结果的获取 更加提升 了结果的可靠性。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 113886995 A 2022.01.04 CN 113886995 A 1.一种金属增材制造凝固组织加工预测图的构建方法， 其特征在于， 包括：  数值模拟 凝固前沿各处对应凝固参数(温度梯度和凝固速度)的提取方法； 显微观察所得晶粒形态图 像结果的指标化处理方法；  数值模拟所得凝固前沿温度梯度(G)、 凝固速度(R)值与实验观 察所得晶粒形态指标间的数据配对方法； 基于多组模拟及对应实验结果所绘制的凝固图， 获得最终凝固组织加工预测图的方法。 2.根据权利要求1所述的金属增材制造凝 固组织加工预测图的构建方法， 其特征在于， 所述数值模拟凝固前沿各 处对应凝固参数的提取方法包括： 建立移动热源作用下的多物理 场热流体动力学三维传热与熔体流动数值模型， 材料物性参数随温度变化， 热传递模式为 热对流、 热传导、 热辐射， 引入马朗戈尼对流、 蒸发反冲压等对熔体流动具有显著影响的物 理效应； 实施不同工艺参数下的单道熔覆数值模拟， 以及 对应的单道熔覆实验； 基于实验所 得熔池几何特征， 对模拟进行校准反馈； 基于经校验的数值模 型， 实施多组工艺参数下的单 道熔覆模拟； 获得计算领域中某个特定二维截面上动态演化的凝固界面范围内各网格所对 应的凝固参数G和R， 即当稳态移动熔池通过此特定截面时， 提取并收集每一时间步长动态 演化的凝固前沿网格所对应G和R， 其中模拟 计算域中的凝固前沿由固相分数大于0且小于1 的网格集合表示， 建立数值模拟中此特定界面上格网格坐标与凝固参数间的对应数据列 表 (x, y)～(G, R)。 3.根据权利要求1所述的金属增材制造凝 固组织加工预测图的构建方法， 其特征在于， 所述显微观察所得晶粒形态图像结果的指标化处理方法包括： 对单道熔覆实验中对应工艺 参数下的特定截面显微观察所得EBSD图像结果进行晶粒形态的指标化处理， 柱状、 等轴以 及混合晶粒形态指标用长宽比(Aspect  ratio)表示； 利用ImageJ图像处理软件获得熔覆区 域每个晶粒形态指标， 以及各个晶粒所覆盖的坐标区域， 建立图像坐标与对应晶粒形态的 数据列表(x ’, y’)～(Aspect  ratio)。 4.根据权利要求1所述的金属增材制造凝 固组织加工预测图的构建方法， 其特征在于， 所述数值模拟所得G、 R值与实验观察所得晶粒形态指标间的数据配对方法包括： 将模拟结 果的坐标(x,  y)与对应实验(x ’, y’)进行归一化处理， 利用R语 言编程， 将模拟中网格所对 应的G、 R值与实验观察的晶粒形态指标进行数据配对， 获得(G,R)～(Aspect  ratio)数据列 表， 并自动 绘制MAM凝固图， 其中三种晶粒形态按颜色进行分类； 随后进行多组对应模拟及 实验， 重复上述 步骤， 按凝固图中不同晶粒 形态对应点的分布， 划分各晶粒 形态对应区域。 5.根据权利要求1所述的金属增材制造凝 固组织加工预测图的构建方法， 其特征在于， 所述基于多组模拟及对应实验结果所绘制的凝固图， 获得最 终凝固组织加工预测图的方法 包括： 提取多组工艺参数下利用数值模拟所得(G,R)点群的重心点， 将各工艺参数对应的(G, R)点群的重心点置于4.中已绘制凝固图中， 获得多组工艺参数(P,  V,  …)与晶粒形态对应 关系， 并据此绘制凝固组织加工预测图， 以指导实际加工 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 113886995 A 2一种金属增材制造凝固组织加工预测图的构建 方法 技术领域 [0001]本发明涉及金属增材制造技术， 具体涉及 一种金属增材制造凝固组织加工预测图 的构建方法。 背景技术 [0002]目前， 在金属增材制造 （Metal  additive manufacturing,  MAM） 过程中， 热流方向 大体平行于逐层叠加方向， 且凝固前沿温度梯度大， 所以在外延及竞争生长特性主导下， 极 易形成沿竖直方向生长的粗大柱状晶组织。 [0003]作为MAM的共性问题， 方向性显著的柱状晶不但引起材料性能的各向异性， 还会导 致塑韧性、 损伤容限和疲劳性能的降低。 [0004]尤其是对于裂 纹敏感度高的高温合金， 柱状晶界及晶内列状枝晶间裂 纹的萌生和 扩展容易。 [0005]例如在实际应用中 （图1） ， 高温下燃气轮机叶片长度方向受到离心力带来的强载 荷， 平行于长度方向生长的柱状晶粒有助于提高抗蠕变性能； 但与涡轮盘连接部位需承受 多轴应力， 则取向随机且长 宽比趋近于一的等轴晶粒组织才能满足高强韧性要求。 [0006]所以针对不 同工况要求对MAM金属零部件内部晶粒形态及取向的自由控制， 是加 强MAM实用性的重要课题。 金属凝固过程中柱状晶与等轴晶之间的竞争由凝固界面的局部 热条件与合金热力学特征决定， 所以目前对于晶粒形态控制一方面主要基于凝固工艺参数 调节来控制凝固参数  (温度梯度 G和凝固速度 R的大小及方向)。 基于Hunt柱状 ‑等轴转变 (Columnar ‑Equiaxed  Transition:  CET)解析模型。 如图2所示凝固图(Solidification   map)， 结晶形态受凝固界面处的 G和R控制：G/R比值越小， 界面前沿成分过冷区间及最大过 冷度增大， 促使结晶粒形态由柱状向等轴晶转变。 CET的临界条件与 Gn/R成比例， 比例系数 与指数n的值随合金体系而异。 原则上， 凝固图由每种合金决定； 因此， 如果构建出多种合金 的凝固图并形成数据库， 则将为凝固组织的精确控制提供指针。 [0007]但是， 凝固图的坐标轴 G和R无法通过MAM工艺参数进行直接调控。 对于MAM来说， 可 以直接调控的是载能束(激光或电子束)的功率(Power,  P)和扫描速度(Scan  velocity,   V)、 熔道间距(Line  offset, Loffset)等工艺参数。 所以， 相比于 G和R为坐标轴的凝固图， P和 V或者其他MAM主要工艺参数为坐标轴的凝固组织加工预测图(Process  map)对于MAM的凝 固组织精确控制则更具实际意义。 所以如图3所示， 为了实现将凝固图转变为MAM凝固组织 预测图， 可以利用计算方法， 推导MAM工艺参数(P,  V,  …)与凝固条件(G,  R)间的相关关 系， 通过凝固条件， 建立起工艺参数与凝固组织特征间的对应关系。 本专利中的方法， 就是 针对①如何构建凝固图以及 ②通过凝固图获得凝固组织加工预测图这两个关键 问题而提 出的。 [0008]为建立凝固图和凝固组织加工预测图， 现有方法是第一步先通过Hunt模型， 确定 凝固图中柱状晶和等轴晶区域的各自边界(图2中的红色虚线和蓝色实线)； 第二步再通过 计算获得对应工艺参数下(P,  V,  …)的熔池及其凝固过程中温度场 演化， 由温度场计算得说　明　书 1/5 页 3 CN 113886995 A 3