基于多物理場(chǎng)耦合的12CrNi2合金鋼激光熔化沉積數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料的性能與制造工藝的先進(jìn)性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。12CrNi2合金鋼作為一種重要的合金材料，憑借其出色的綜合性能，在機(jī)械制造、汽車工業(yè)、航空航天等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域占據(jù)著不可或缺的地位。12CrNi2合金鋼屬于低碳合金滲碳結(jié)構(gòu)鋼，歸屬于Cr-Ni系合金結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分主要包含碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等元素。碳元素是影響鋼強(qiáng)度和硬度的關(guān)鍵，適量的碳能有效提升鋼的強(qiáng)度與硬度；鉻元素可提升鋼的淬透性和耐磨性，增強(qiáng)鋼在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性；鎳元素則能顯著改善鋼的韌性和低溫性能，使鋼在低溫環(huán)境中仍能保持良好的力學(xué)性能。這種合金元素的合理配比，賦予了12CrNi2合金鋼高強(qiáng)度、高韌性以及高淬透性等優(yōu)良特性。在冷變形過程中，12CrNi2合金鋼塑性表現(xiàn)中等，既不會(huì)因過于脆弱而難以成型，也不會(huì)因過于剛硬而增加加工難度。同時(shí)，其低溫韌性較好，在低溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能，缺口敏感性較低，回火脆性傾向小，焊接性良好，這些優(yōu)點(diǎn)使其在實(shí)際應(yīng)用中具有極高的可靠性和廣泛的適用性。然而，傳統(tǒng)的12CrNi2合金鋼制造工藝存在諸多局限性。對(duì)于形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精細(xì)的零件，傳統(tǒng)工藝往往需要多道繁瑣的加工工序，不僅加工周期長(zhǎng)，材料利用率低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加，而且在控制零件內(nèi)部微觀組織和性能均勻性方面存在一定困難，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)零件高性能、高精度的嚴(yán)格要求。隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)12CrNi2合金鋼零件的性能和制造精度提出了更高的要求，因此，探索一種高效、精確且能夠有效提升零件性能的制造技術(shù)迫在眉睫。激光熔化沉積技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，為12CrNi2合金鋼的制造提供了新的解決方案。該技術(shù)基于離散-堆積原理，通過高能激光束逐層熔化金屬粉末，并按照預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行堆積，直接制造出具有復(fù)雜形狀的三維零件。與傳統(tǒng)制造工藝相比，激光熔化沉積技術(shù)具有無需模具、加工周期短、材料利用率高以及能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件等顯著優(yōu)勢(shì)。在制造12CrNi2合金鋼零件時(shí)，激光熔化沉積技術(shù)能夠根據(jù)零件的三維模型，精確控制激光束的掃描路徑和能量輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件微觀組織和性能的有效調(diào)控。通過優(yōu)化激光功率、掃描速度、掃描策略等工藝參數(shù)，可以獲得具有不同微觀組織和性能的12CrNi2合金鋼零件。例如，適當(dāng)提高激光功率和降低掃描速度，可以使金屬粉末充分熔化，減少零件內(nèi)部的孔隙缺陷，提高零件的致密度和力學(xué)性能。盡管激光熔化沉積技術(shù)在12CrNi2合金鋼制造中展現(xiàn)出巨大潛力，但該過程涉及復(fù)雜的物理現(xiàn)象，包括激光與材料的相互作用、熔池的形成與凝固、熱應(yīng)力的產(chǎn)生與分布等，這些因素相互耦合，使得實(shí)際的激光熔化沉積過程難以通過實(shí)驗(yàn)完全解析。此外，實(shí)驗(yàn)研究往往成本高昂、周期較長(zhǎng)，且受到設(shè)備和工藝條件的限制，難以全面探究各種工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量和性能的影響。因此，數(shù)值模擬技術(shù)作為一種有效的研究手段，在激光熔化沉積工藝研究中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬能夠通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)激光熔化沉積過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等物理量進(jìn)行計(jì)算和分析，深入揭示該過程的內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律。通過數(shù)值模擬，可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)不同的工藝參數(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)零件的質(zhì)量和性能，為實(shí)際工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。例如，通過模擬激光功率、掃描速度等參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響，可以確定最佳的工藝參數(shù)組合，減少零件的殘余應(yīng)力和變形，提高零件的質(zhì)量和性能。同時(shí)，數(shù)值模擬還可以幫助研究人員理解激光熔化沉積過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如熔池的流動(dòng)行為、凝固組織的形成機(jī)制等，為進(jìn)一步改進(jìn)工藝和開發(fā)新材料提供指導(dǎo)。綜上所述，開展激光熔化沉積12CrNi2合金鋼熱力耦合數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論角度來看，深入研究激光熔化沉積過程中的物理冶金機(jī)制以及熱力耦合行為，有助于豐富和完善金屬增材制造理論體系。通過揭示激光與粉末相互作用、熔池凝固行為以及組織演變等過程的內(nèi)在機(jī)制，可以為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，數(shù)值模擬技術(shù)能夠?yàn)榧す馊刍练e工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。在航空航天、汽車制造等對(duì)材料性能和零件精度要求極高的領(lǐng)域，激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的高質(zhì)量制造對(duì)于推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品創(chuàng)新具有重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1激光熔化沉積技術(shù)研究進(jìn)展激光熔化沉積技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，最初作為一種快速原型制造技術(shù)，旨在快速制造出零件的原型，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)提供快速驗(yàn)證的手段。隨著材料科學(xué)、激光技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。國(guó)外在激光熔化沉積技術(shù)研究方面起步較早，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家處于領(lǐng)先地位。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室早在20世紀(jì)90年代就開展了激光工程化凈成形（LENS）技術(shù)的研究，該技術(shù)是激光熔化沉積技術(shù)的典型代表之一，通過將激光束聚焦于金屬粉末上，使其逐層熔化堆積，實(shí)現(xiàn)金屬零件的近凈成形。LENS技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，如渦輪葉片、葉輪等。這些零部件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中承受著高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜工況，對(duì)材料的性能和零件的精度要求極高。激光熔化沉積技術(shù)能夠制造出具有復(fù)雜形狀和高性能的零部件，滿足航空航天領(lǐng)域的嚴(yán)格需求。德國(guó)在激光熔化沉積設(shè)備研發(fā)和工藝研究方面也取得了顯著成果，通快（TRUMPF）公司開發(fā)的激光熔化沉積設(shè)備具有高功率、高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車制造、模具制造等領(lǐng)域。在汽車制造中，激光熔化沉積技術(shù)可用于制造輕量化的汽車零部件，如鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、底盤部件等，有效減輕汽車重量，提高燃油效率。日本則在微納尺度的激光熔化沉積技術(shù)研究方面獨(dú)具特色，通過精確控制激光能量和掃描路徑，實(shí)現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)零件的制造，為電子、醫(yī)療等領(lǐng)域提供了新的制造手段。國(guó)內(nèi)對(duì)激光熔化沉積技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。自20世紀(jì)90年代以來，眾多科研機(jī)構(gòu)和高校紛紛開展相關(guān)研究，如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等。北京航空航天大學(xué)在激光熔化沉積技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用方面取得了一系列重大成果，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光熔化沉積設(shè)備，并成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效、高質(zhì)量制造。西北工業(yè)大學(xué)則在激光熔化沉積過程的數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化方面進(jìn)行了深入研究，通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬激光與材料的相互作用、熔池的流動(dòng)和凝固等過程，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。華中科技大學(xué)在激光熔化沉積技術(shù)與其他制造技術(shù)的復(fù)合加工方面進(jìn)行了積極探索，如將激光熔化沉積與數(shù)控加工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了零件的高精度制造。目前，激光熔化沉積技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、模具制造、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，除了制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件外，還用于制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件，如機(jī)翼、機(jī)身框架等，有效減輕了飛機(jī)重量，提高了飛行性能；在汽車制造領(lǐng)域，用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件、輕量化底盤部件以及個(gè)性化定制的汽車內(nèi)飾件等；在模具制造領(lǐng)域，可快速制造出具有復(fù)雜冷卻通道的模具，提高模具的冷卻效率和使用壽命；在醫(yī)療領(lǐng)域，用于制造個(gè)性化的植入物，如人工關(guān)節(jié)、牙齒等，提高了植入物與人體的相容性和適配性。1.2.212CrNi2合金鋼研究現(xiàn)狀12CrNi2合金鋼作為一種重要的合金結(jié)構(gòu)鋼，在機(jī)械制造、汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)異的綜合性能，如高強(qiáng)度、高韌性、良好的淬透性和低溫韌性等，使其成為制造關(guān)鍵零部件的理想材料。在機(jī)械制造領(lǐng)域，常用于制造承受重載荷的齒輪、軸類零件等。以齒輪為例，在機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪需要頻繁地傳遞動(dòng)力，承受巨大的扭矩和沖擊力。12CrNi2合金鋼的高強(qiáng)度和耐磨性能夠確保齒輪在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不易磨損和變形，從而保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。在汽車工業(yè)中，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷、連桿等零部件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，活塞銷和連桿需要承受高溫、高壓以及頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，12CrNi2合金鋼良好的綜合性能能夠滿足這些零部件在惡劣工作環(huán)境下的使用要求，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命。在航空航天領(lǐng)域，由于對(duì)材料的性能要求極為苛刻，12CrNi2合金鋼的高強(qiáng)度、高韌性以及良好的低溫性能，使其成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)某些部件以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的重要材料之一。傳統(tǒng)的12CrNi2合金鋼制造工藝主要包括鍛造、鑄造、機(jī)械加工等。鍛造工藝能夠使金屬材料在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而改善材料的內(nèi)部組織和性能，但對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，鍛造工藝需要多道工序和復(fù)雜的模具，成本較高且加工難度大。鑄造工藝雖然可以制造出形狀復(fù)雜的零件，但鑄件內(nèi)部容易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，需要進(jìn)行后續(xù)的加工和處理來提高零件的質(zhì)量。機(jī)械加工工藝則是對(duì)鍛造或鑄造后的零件進(jìn)行進(jìn)一步的加工，以達(dá)到所需的尺寸精度和表面質(zhì)量，但會(huì)產(chǎn)生大量的切削廢料，材料利用率較低。隨著激光熔化沉積技術(shù)的發(fā)展，為12CrNi2合金鋼的制造帶來了新的機(jī)遇。激光熔化沉積技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)12CrNi2合金鋼零件的近凈成形，減少了后續(xù)加工工序，提高了材料利用率。通過精確控制激光能量和掃描路徑，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件微觀組織和性能的有效調(diào)控，獲得具有優(yōu)異綜合性能的12CrNi2合金鋼零件。例如，在激光熔化沉積過程中，快速的加熱和冷卻過程能夠細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度和韌性；同時(shí)，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度等，控制零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和變形，提高零件的質(zhì)量和精度。1.2.3熱力耦合數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀數(shù)值模擬技術(shù)作為一種重要的研究手段，在激光熔化沉積領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)激光熔化沉積過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等物理量進(jìn)行模擬和分析，能夠深入揭示該過程的內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律。在溫度場(chǎng)模擬方面，研究者們通常采用有限元法、有限差分法等數(shù)值方法，建立激光與材料相互作用的熱傳導(dǎo)模型。通過求解熱傳導(dǎo)方程，計(jì)算激光熔化沉積過程中材料內(nèi)部的溫度分布和變化規(guī)律。研究表明，激光功率、掃描速度、粉末粒度等工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)有著顯著影響。當(dāng)激光功率增加時(shí)，材料吸收的能量增多，溫度升高，熔池尺寸增大；而掃描速度增加時(shí)，熱量在材料中的傳導(dǎo)時(shí)間減少，溫度降低，熔池尺寸減小。在應(yīng)力場(chǎng)模擬方面，考慮到激光熔化沉積過程中材料的熱脹冷縮以及相變等因素，建立熱力耦合的力學(xué)模型。通過求解力學(xué)平衡方程和本構(gòu)方程，計(jì)算材料內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化規(guī)律。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致零件的變形和開裂，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量和性能。研究發(fā)現(xiàn)，合理調(diào)整工藝參數(shù)，如優(yōu)化掃描策略、控制層間溫度等，可以有效降低殘余應(yīng)力。此外，通過對(duì)熔池流場(chǎng)的模擬，能夠了解熔池內(nèi)液體金屬的流動(dòng)行為，為控制熔池的形狀和尺寸、減少缺陷提供依據(jù)。然而，當(dāng)前的熱力耦合數(shù)值模擬研究仍存在一些不足之處。一方面，模型的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高。激光熔化沉積過程涉及復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如激光與材料的相互作用、粉末的熔化和凝固、多相流等，目前的模型難以全面準(zhǔn)確地描述這些現(xiàn)象。另一方面，模擬計(jì)算的效率較低，對(duì)于大型復(fù)雜零件的模擬，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。此外，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)值模擬的結(jié)合還不夠緊密，缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和完善模型。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的熱力耦合數(shù)值模擬，旨在深入探究該過程中的物理現(xiàn)象與內(nèi)在機(jī)制，為工藝優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，具體研究?jī)?nèi)容如下：建立激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的熱力耦合模型：綜合考慮激光與材料的相互作用、粉末的熔化與凝固、熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及相變等復(fù)雜物理過程，基于有限元方法建立精確的熱力耦合模型。在建模過程中，充分考慮12CrNi2合金鋼的材料特性，如熱物理參數(shù)（比熱容、熱導(dǎo)率、密度等）隨溫度的變化關(guān)系，以及材料在熔化和凝固過程中的潛熱釋放。同時(shí)，對(duì)激光熱源進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)描述，采用高斯分布或雙橢球分布等熱源模型，以準(zhǔn)確模擬激光能量在材料中的分布和傳輸。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或查閱相關(guān)文獻(xiàn)，獲取12CrNi2合金鋼在不同溫度下的熱物理參數(shù)，為模型的建立提供可靠的數(shù)據(jù)支持。利用數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS等，構(gòu)建三維模型，對(duì)激光熔化沉積過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬分析激光熔化沉積過程中的溫度場(chǎng)分布與演變規(guī)律：運(yùn)用所建立的熱力耦合模型，對(duì)不同激光功率、掃描速度、掃描策略等工藝參數(shù)下的激光熔化沉積過程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析溫度場(chǎng)的分布和演變規(guī)律。研究激光能量輸入對(duì)溫度場(chǎng)的影響，觀察熔池的形成、擴(kuò)展和凝固過程。分析不同工藝參數(shù)下熔池的尺寸、形狀、最高溫度以及溫度梯度的變化情況。當(dāng)激光功率增加時(shí)，熔池的最高溫度升高，熔池尺寸增大；而掃描速度增加時(shí)，熔池的最高溫度降低，熔池尺寸減小。通過模擬不同掃描策略下的溫度場(chǎng)，如單向掃描、雙向掃描、分區(qū)掃描等，分析掃描策略對(duì)溫度分布均勻性的影響，為優(yōu)化掃描策略提供依據(jù)。研究激光熔化沉積過程中的應(yīng)力場(chǎng)分布與演變規(guī)律：考慮材料的熱脹冷縮、相變以及塑性變形等因素，分析激光熔化沉積過程中應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)制和分布規(guī)律。研究殘余應(yīng)力的大小、分布位置以及隨工藝參數(shù)的變化情況。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于材料在加熱和冷卻過程中的不均勻熱膨脹和收縮。通過模擬不同工藝參數(shù)下的應(yīng)力場(chǎng)，分析激光功率、掃描速度、層間溫度等參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。探討如何通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如調(diào)整掃描策略、控制層間溫度、采用合適的預(yù)熱和后熱措施等，來降低殘余應(yīng)力，減少零件的變形和開裂傾向。分析工藝參數(shù)對(duì)激光熔化沉積12CrNi2合金鋼組織和性能的影響：結(jié)合溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果，深入研究工藝參數(shù)對(duì)12CrNi2合金鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過熱-力-組織耦合模型，模擬不同工藝參數(shù)下材料的凝固過程，分析晶粒的生長(zhǎng)方向、尺寸和形態(tài)的變化。在快速凝固條件下，晶粒尺寸會(huì)顯著細(xì)化，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。研究殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能的影響，如對(duì)拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、韌性等性能指標(biāo)的影響。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，建立工藝參數(shù)與材料組織和性能之間的定量關(guān)系，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型優(yōu)化：設(shè)計(jì)并開展激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的實(shí)驗(yàn)研究，采用熱電偶、紅外測(cè)溫儀等設(shè)備測(cè)量沉積過程中的溫度變化，利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等分析手段對(duì)沉積層的微觀組織進(jìn)行表征，通過拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法檢測(cè)材料的力學(xué)性能。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和修正，進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)精度，使其能夠更準(zhǔn)確地反映激光熔化沉積過程中的物理現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究以及二者相結(jié)合的方法，對(duì)激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的熱力耦合過程進(jìn)行全面深入的研究。數(shù)值模擬方法：選用專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS作為主要的數(shù)值模擬工具。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析功能，能夠?qū)す馊刍练e過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行精確模擬。在建立模型時(shí)，采用合適的單元類型對(duì)12CrNi2合金鋼的沉積區(qū)域和基板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和密度能夠滿足計(jì)算精度的要求。對(duì)于激光熱源的加載，根據(jù)實(shí)際的激光功率、光斑尺寸和掃描速度等參數(shù)，選擇合適的熱源模型，如高斯熱源模型或雙橢球熱源模型，并將其準(zhǔn)確施加到模型上。通過設(shè)置材料的熱物理參數(shù)、邊界條件和初始條件，模擬激光熔化沉積過程中材料的溫度變化和應(yīng)力分布。利用ANSYS軟件的后處理功能，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀地展示溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布和演變規(guī)律。同時(shí)，通過參數(shù)化建模和優(yōu)化分析功能，研究不同工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究方法：搭建激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括高功率激光器、送粉系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和保護(hù)氣體系統(tǒng)等。選用合適的12CrNi2合金鋼粉末作為原材料，確保粉末的粒度分布均勻、純度高。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、送粉速率、掃描策略等，通過改變單一工藝參數(shù)，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，以研究不同工藝參數(shù)對(duì)沉積層質(zhì)量和性能的影響。利用熱電偶、紅外測(cè)溫儀等溫度測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)測(cè)量沉積過程中的溫度變化，獲取溫度-時(shí)間曲線，為數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)沉積層進(jìn)行微觀組織分析和力學(xué)性能測(cè)試。采用X射線衍射儀（XRD）分析沉積層的相組成，確定是否存在未熔合、氣孔等缺陷；利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沉積層的微觀組織形態(tài)，如晶粒尺寸、形狀和分布等；通過拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法，檢測(cè)沉積層的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度和韌性等。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法：將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，深入分析原因，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。例如，如果模擬得到的溫度場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度存在偏差，可能是由于熱源模型不準(zhǔn)確、材料熱物理參數(shù)取值不合理或邊界條件設(shè)置不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌?。通過調(diào)整這些參數(shù)和條件，重新進(jìn)行模擬，直到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同時(shí)，利用數(shù)值模擬的結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究，通過模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，預(yù)測(cè)沉積層的質(zhì)量和性能，為實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇提供參考，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高研究效率。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，深入揭示激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的熱力耦合機(jī)制和工藝參數(shù)對(duì)材料組織和性能的影響規(guī)律，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、激光熔化沉積及數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)2.1激光熔化沉積技術(shù)原理2.1.1技術(shù)基本原理激光熔化沉積技術(shù)（LaserMeltingDeposition，LMD），是增材制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心基于離散-堆積的創(chuàng)新成形原理。該原理的實(shí)現(xiàn)，首先依賴于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)，通過專業(yè)的三維建模軟件，工程師能夠根據(jù)實(shí)際需求，精確構(gòu)建出目標(biāo)零件的三維數(shù)字化模型。這個(gè)模型如同一份詳盡的藍(lán)圖，包含了零件的所有幾何信息和尺寸參數(shù)，為后續(xù)的制造過程提供了精確的指導(dǎo)。隨后，借助切片軟件，將三維模型沿著特定的方向進(jìn)行分層處理，將其轉(zhuǎn)化為一系列具有一定厚度的二維截面輪廓信息。這些二維截面數(shù)據(jù)就像是建筑中的每一層圖紙，詳細(xì)規(guī)定了每一層的形狀和尺寸。在實(shí)際制造階段，激光熔化沉積設(shè)備依據(jù)這些切片數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐層的制造。高能激光束作為能量源，在計(jì)算機(jī)的精確控制下，按照預(yù)設(shè)的掃描路徑，對(duì)同步輸送至工作區(qū)域的金屬粉末進(jìn)行掃描。當(dāng)高能量密度的激光束照射到金屬粉末上時(shí)，粉末迅速吸收激光的能量，溫度急劇升高，進(jìn)而發(fā)生熔化，形成液態(tài)的熔池。隨著激光束的持續(xù)掃描，熔池不斷擴(kuò)展和移動(dòng)，新熔化的金屬與先前已凝固的金屬層之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，逐漸堆積形成一層固態(tài)的金屬層。完成一層的沉積后，工作臺(tái)下降一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的層高距離，送粉系統(tǒng)再次輸送金屬粉末，激光束繼續(xù)按照下一層的截面輪廓進(jìn)行掃描熔化，如此循環(huán)往復(fù)，通過層層堆積的方式，最終將離散的二維截面信息轉(zhuǎn)化為完整的三維實(shí)體零件。這種離散-堆積的成形原理，突破了傳統(tǒng)制造工藝的限制，使得復(fù)雜形狀零件的直接制造成為可能，為制造業(yè)帶來了全新的生產(chǎn)模式和發(fā)展機(jī)遇。2.1.2工藝過程粉末輸送：粉末輸送是激光熔化沉積工藝的起始環(huán)節(jié)，其主要作用是將金屬粉末精準(zhǔn)地輸送至激光作用區(qū)域。送粉系統(tǒng)在這一過程中扮演著關(guān)鍵角色，常見的送粉方式包括同軸送粉和旁軸送粉。同軸送粉是指粉末通過專門設(shè)計(jì)的送粉噴嘴，沿著激光束的中心軸線方向，均勻地輸送至熔池。這種送粉方式的優(yōu)勢(shì)在于，粉末能夠在激光束的作用下，從各個(gè)方向均勻地進(jìn)入熔池，使得熔池內(nèi)的粉末分布更加均勻，從而有利于獲得成分和性能均勻的沉積層。旁軸送粉則是將粉末從激光束的側(cè)面輸送至熔池，這種送粉方式在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)于一些對(duì)粉末輸送方向有特殊要求的零件制造。送粉系統(tǒng)通常由粉末儲(chǔ)存裝置、送粉管道、送粉噴嘴以及驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。粉末儲(chǔ)存裝置用于儲(chǔ)存足量的金屬粉末，確保在整個(gè)沉積過程中粉末的供應(yīng)不間斷。送粉管道負(fù)責(zé)將粉末從儲(chǔ)存裝置輸送至送粉噴嘴，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)需要保證粉末能夠順暢流動(dòng)，同時(shí)避免粉末的粘附和堵塞。送粉噴嘴是粉末輸送的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)直接影響粉末的輸送精度和分布均勻性。不同的送粉噴嘴具有不同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，如噴嘴的口徑、角度、粉末出口的形狀等，這些因素都會(huì)對(duì)粉末的輸送效果產(chǎn)生影響。驅(qū)動(dòng)裝置則為粉末的輸送提供動(dòng)力，常見的驅(qū)動(dòng)方式有氣體驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。氣體驅(qū)動(dòng)利用高壓氣體將粉末吹出送粉噴嘴，具有輸送速度快、粉末流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)；機(jī)械驅(qū)動(dòng)則通過機(jī)械結(jié)構(gòu)，如螺旋送粉器、振動(dòng)送粉器等，將粉末推送至送粉噴嘴，其優(yōu)點(diǎn)是輸送精度高，能夠精確控制粉末的輸送量。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工藝要求和零件特點(diǎn)，選擇合適的送粉方式和送粉系統(tǒng)參數(shù)，以確保粉末能夠穩(wěn)定、均勻地輸送至熔池，為后續(xù)的激光熔化和沉積過程提供良好的條件。激光掃描：在粉末輸送到位后，激光掃描成為決定零件成形質(zhì)量和性能的關(guān)鍵步驟。高能量密度的激光束在計(jì)算機(jī)的精確控制下，按照預(yù)先規(guī)劃好的掃描路徑，對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描。激光束與金屬粉末之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用，粉末迅速吸收激光能量，溫度急劇升高，從而實(shí)現(xiàn)快速熔化。在這個(gè)過程中，激光功率、掃描速度、掃描策略等工藝參數(shù)對(duì)激光掃描效果有著至關(guān)重要的影響。激光功率直接決定了激光束攜帶的能量大小，功率越高，粉末吸收的能量就越多，熔化速度越快，熔池的溫度也越高。然而，過高的激光功率可能會(huì)導(dǎo)致粉末過度熔化，產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷，同時(shí)也可能使基材過熱，影響零件的整體性能。掃描速度則決定了激光束在單位時(shí)間內(nèi)掃描的距離，掃描速度過快，粉末吸收的能量不足，可能無法完全熔化，導(dǎo)致零件出現(xiàn)未熔合等缺陷；掃描速度過慢，粉末在高溫下停留時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)引起晶粒粗大、變形等問題。掃描策略是指激光束在掃描過程中的運(yùn)動(dòng)方式和路徑規(guī)劃，常見的掃描策略有單向掃描、雙向掃描、分區(qū)掃描、棋盤式掃描等。不同的掃描策略會(huì)導(dǎo)致不同的溫度分布和熱應(yīng)力狀態(tài)，從而影響零件的內(nèi)部組織和性能。例如，單向掃描容易在掃描方向上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件變形；而分區(qū)掃描和棋盤式掃描則可以有效地分散熱應(yīng)力，提高零件的成形質(zhì)量。在實(shí)際的激光熔化沉積過程中，需要根據(jù)零件的形狀、尺寸、材料特性以及性能要求等因素，綜合優(yōu)化激光功率、掃描速度和掃描策略等工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的零件制造。熔池凝固：激光掃描使得金屬粉末熔化形成熔池，隨著激光束的離開，熔池迅速進(jìn)入凝固階段。在凝固過程中，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬逐漸冷卻，原子開始有序排列，形成固態(tài)的金屬晶體。熔池的凝固行為對(duì)零件的微觀組織和性能有著決定性的影響。熔池的凝固速度非常快，通常在毫秒甚至微秒量級(jí)，這種快速凝固過程使得熔池內(nèi)的溫度梯度和凝固速率都非常大。在高溫度梯度和高凝固速率的作用下，熔池內(nèi)的原子來不及充分?jǐn)U散，導(dǎo)致凝固后的微觀組織呈現(xiàn)出細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)。這種細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠顯著提高零件的力學(xué)性能。然而，快速凝固過程也可能導(dǎo)致一些缺陷的產(chǎn)生，如氣孔、裂紋等。氣孔的形成主要是由于熔池內(nèi)的氣體在凝固過程中來不及逸出，被包裹在固態(tài)金屬內(nèi)部；裂紋的產(chǎn)生則與熔池凝固過程中的熱應(yīng)力密切相關(guān)。當(dāng)熱應(yīng)力超過金屬的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。為了減少氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生，需要對(duì)熔池的凝固過程進(jìn)行有效控制。一方面，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如調(diào)整激光功率、掃描速度、送粉速率等，來控制熔池的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，減少氣體的卷入和熱應(yīng)力的產(chǎn)生；另一方面，可以采用適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に嚕鐭崽幚?、熱等靜壓等，來消除零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和缺陷，提高零件的質(zhì)量和性能。熔池凝固是激光熔化沉積過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深入研究熔池的凝固行為，對(duì)于優(yōu)化工藝參數(shù)、提高零件質(zhì)量和性能具有重要的意義。2.212CrNi2合金鋼特性2.2.1化學(xué)成分與性能12CrNi2合金鋼的化學(xué)成分對(duì)其性能起著決定性的作用，各合金元素在其中扮演著不可或缺的角色，它們相互協(xié)同，共同賦予了該合金鋼優(yōu)異的綜合性能。碳（C）元素是影響12CrNi2合金鋼強(qiáng)度和硬度的關(guān)鍵因素。在鋼中，碳主要以間隙原子的形式存在于鐵的晶格中，通過固溶強(qiáng)化作用顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。適量的碳能夠與鐵形成間隙固溶體，使鐵原子的晶格發(fā)生畸變，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。在12CrNi2合金鋼中，碳含量一般控制在0.10%-0.17%，這個(gè)范圍內(nèi)的碳含量既能保證鋼具有一定的強(qiáng)度和硬度，又能使鋼保持較好的韌性和塑性。如果碳含量過高，鋼的硬度和強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高，但韌性和塑性會(huì)明顯下降，材料變得脆硬，加工難度增大，且容易在使用過程中發(fā)生脆性斷裂；反之，若碳含量過低，鋼的強(qiáng)度和硬度不足，無法滿足一些對(duì)強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。鉻（Cr）元素在12CrNi2合金鋼中具有提升淬透性和耐磨性的重要作用。鉻能夠顯著提高鋼的淬透性，使鋼在淬火時(shí)更容易獲得馬氏體組織。馬氏體是一種硬度高、強(qiáng)度大的組織，能夠有效提高鋼的綜合力學(xué)性能。鉻與碳形成的碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等，具有極高的硬度和耐磨性，這些碳化物彌散分布在鋼的基體中，能夠有效阻礙磨損過程中材料表面的塑性變形和切削，從而提高鋼的耐磨性。在高溫環(huán)境下，鉻還能在鋼的表面形成一層致密的氧化膜，阻止氧氣進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)散，增強(qiáng)鋼的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，使12CrNi2合金鋼能夠在一定的高溫條件下保持良好的性能。鎳（Ni）元素是改善12CrNi2合金鋼韌性和低溫性能的關(guān)鍵元素。鎳與鐵形成無限固溶體，使鋼的晶格發(fā)生均勻的畸變，這種畸變雖然對(duì)強(qiáng)度的提升作用相對(duì)較小，但卻能有效改善鋼的韌性。鎳能夠降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使鋼在低溫環(huán)境下仍能保持良好的韌性和塑性。在12CrNi2合金鋼中，鎳含量通常在1.50%-1.90%，這一含量范圍使得鋼在低溫環(huán)境下具有出色的韌性，能夠有效抵抗低溫脆性斷裂。例如，在一些寒冷地區(qū)使用的機(jī)械設(shè)備零部件，12CrNi2合金鋼憑借其良好的低溫韌性，能夠在低溫環(huán)境下正常工作，確保設(shè)備的可靠性和安全性。除了碳、鉻、鎳元素外，12CrNi2合金鋼中還含有硅（Si）、錳（Mn）等元素。硅和錳主要起固溶強(qiáng)化作用，它們?nèi)芙庠阼F素體中，使鐵素體晶格發(fā)生畸變，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。硅還能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，在鋼的表面形成一層保護(hù)膜，阻止外界介質(zhì)對(duì)鋼的侵蝕。錳能夠提高鋼的淬透性，與硫形成硫化錳，減輕硫的有害作用，提高鋼的質(zhì)量。磷（P）和硫（S）是鋼中的雜質(zhì)元素，雖然含量較低（均≤0.035%），但對(duì)鋼的性能有較大影響。磷會(huì)使鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象，降低鋼的韌性和塑性，尤其是在低溫環(huán)境下，冷脆現(xiàn)象更為明顯；硫則會(huì)使鋼產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，在熱加工過程中容易導(dǎo)致鋼材開裂。因此，在12CrNi2合金鋼的生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制磷和硫的含量，以保證鋼的質(zhì)量和性能。2.2.2在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用12CrNi2合金鋼憑借其優(yōu)異的綜合性能，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用價(jià)值，成為制造關(guān)鍵零部件的理想材料，推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品升級(jí)。在機(jī)械制造領(lǐng)域，12CrNi2合金鋼廣泛應(yīng)用于制造承受重載荷的關(guān)鍵零件，如齒輪、齒套、凸輪、花鍵軸、主軸、軸套等。以齒輪為例，在各種機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪作為傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，需要頻繁地承受巨大的扭矩和沖擊力。12CrNi2合金鋼的高強(qiáng)度和耐磨性使其能夠在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中保持良好的性能，不易出現(xiàn)磨損和變形等問題，從而確保了機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在大型機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，使用12CrNi2合金鋼制造的齒輪，能夠承受高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證機(jī)床的加工精度和效率。在汽車制造領(lǐng)域，12CrNi2合金鋼可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷、連桿等重要零部件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，活塞銷和連桿需要承受高溫、高壓以及頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作環(huán)境極為惡劣。12CrNi2合金鋼良好的綜合性能，包括高強(qiáng)度、高韌性以及良好的抗疲勞性能，使其能夠滿足這些零部件在復(fù)雜工況下的使用要求，有效提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命。一些高性能汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷采用12CrNi2合金鋼制造，能夠在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的情況下穩(wěn)定工作，提升了汽車的動(dòng)力性能和耐久性。在航空航天領(lǐng)域，12CrNi2合金鋼同樣發(fā)揮著重要作用。由于航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芤髽O為苛刻，需要材料具備高強(qiáng)度、高韌性、良好的低溫性能以及輕量化等特點(diǎn)，12CrNi2合金鋼正好滿足了這些需求。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中，12CrNi2合金鋼可用于制造某些關(guān)鍵部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片、渦輪盤等。這些部件在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中承受著高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜載荷，對(duì)材料的性能要求極高。12CrNi2合金鋼的高強(qiáng)度和高韌性能夠保證部件在惡劣工況下的可靠性，其良好的低溫性能則確保了發(fā)動(dòng)機(jī)在高空低溫環(huán)境下的正常工作。同時(shí)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，利用12CrNi2合金鋼制造的部件能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化，有效減輕飛機(jī)的重量，提高飛行性能和燃油效率。在一些先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用12CrNi2合金鋼制造的渦輪盤，不僅能夠承受高溫和高轉(zhuǎn)速帶來的巨大應(yīng)力，還能在低溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，為發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行提供了有力保障。2.3熱力耦合數(shù)值模擬理論2.3.1傳熱學(xué)理論在激光熔化沉積過程中，傳熱現(xiàn)象極為復(fù)雜，涉及多種傳熱方式的相互作用。其傳熱過程遵循能量守恒定律，可用傳熱控制方程來描述。在笛卡爾坐標(biāo)系下，對(duì)于各向同性的材料，瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程可表示為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(\lambda\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(\lambda\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(\lambda\frac{\partialT}{\partialz})+Q其中，\rho為材料密度（kg/m^3），它反映了單位體積材料的質(zhì)量，不同材料的密度差異會(huì)影響熱量的存儲(chǔ)和傳遞；c為材料比熱容（J/(kg\cdotK)），表示單位質(zhì)量材料溫度升高1K所吸收的熱量，比熱容越大，材料吸收或釋放相同熱量時(shí)溫度變化越?。籘為材料某一時(shí)刻的溫度（^{\circ}C）；t為時(shí)間（s）；\lambda為材料的熱導(dǎo)率（W/(m\cdotK)），熱導(dǎo)率表征材料傳導(dǎo)熱量的能力，熱導(dǎo)率越高，熱量在材料中傳導(dǎo)越快；Q為單位體積生熱量（J/mm^3），在激光熔化沉積中，主要來源于激光能量的吸收。在激光熔化沉積過程中，邊界條件的設(shè)定對(duì)于準(zhǔn)確模擬溫度場(chǎng)至關(guān)重要。在模型與空氣接觸的表面，主要存在對(duì)流換熱和熱輻射兩種散熱方式。對(duì)流換熱邊界條件可根據(jù)牛頓冷卻定律來描述，即：q_{conv}=h(T-T_{env})其中，q_{conv}為對(duì)流換熱熱流密度（W/m^2），它表示單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量；h為對(duì)流換熱系數(shù)（W/(m^2\cdotK)），其大小與材料表面的粗糙度、空氣流速等因素有關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)公式確定；T為材料表面溫度（^{\circ}C）；T_{env}為環(huán)境溫度（^{\circ}C）。熱輻射邊界條件依據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律進(jìn)行描述，即：q_{rad}=\varepsilon\sigma(T^4-T_{env}^4)其中，q_{rad}為熱輻射熱流密度（W/m^2），熱輻射是物體通過電磁波傳遞能量的過程，熱輻射熱流密度與物體表面的溫度和發(fā)射率有關(guān)；\varepsilon為物體的發(fā)射率，取值范圍在0到1之間，它反映了物體表面輻射能力與黑體輻射能力的比值，對(duì)于金屬材料，發(fā)射率通常在0.2-0.8之間；\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)。在激光熔化沉積中，傳熱學(xué)理論的應(yīng)用貫穿始終。激光束作為熱源，其能量被材料吸收后，首先在材料表面形成高溫區(qū)域，即熔池。隨著時(shí)間的推移，熱量通過熱傳導(dǎo)在材料內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)，熔池表面與周圍空氣之間進(jìn)行對(duì)流換熱和熱輻射散熱。在熔池凝固過程中，熱量的傳遞方向發(fā)生改變，從熔池向周圍已凝固的材料傳遞，直至熔池完全凝固。通過求解傳熱控制方程，并結(jié)合合理的邊界條件，可以準(zhǔn)確模擬激光熔化沉積過程中的溫度場(chǎng)分布和演變規(guī)律，為深入研究該過程提供重要的理論依據(jù)。2.3.2力學(xué)理論在激光熔化沉積過程中，材料經(jīng)歷復(fù)雜的溫度變化，導(dǎo)致熱應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)材料的變形和力學(xué)性能變化。為了準(zhǔn)確分析這一過程中的力學(xué)行為，通常采用熱彈塑性理論進(jìn)行研究。在熱彈塑性分析中，需要引入一些基本假設(shè)，以簡(jiǎn)化問題的復(fù)雜性。假設(shè)材料為連續(xù)介質(zhì)，即材料內(nèi)部不存在空隙或間斷，這一假設(shè)使得我們可以將材料視為一個(gè)連續(xù)的整體，運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法進(jìn)行分析。同時(shí)，假設(shè)材料為各向同性，即材料在各個(gè)方向上的力學(xué)性能相同，這在一定程度上簡(jiǎn)化了本構(gòu)關(guān)系的描述。此外，忽略材料的體積力，如重力等，因?yàn)樵诩す馊刍练e過程中，與熱應(yīng)力相比，體積力的影響通常較小?；谏鲜黾僭O(shè)，應(yīng)力場(chǎng)的有限元模型求解過程如下：首先，根據(jù)虛功原理，建立單元的平衡方程。在有限元分析中，將連續(xù)的材料離散為有限個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等物理量通過節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行插值計(jì)算。對(duì)于每個(gè)單元，根據(jù)虛功原理，外力在虛位移上所做的虛功等于單元內(nèi)應(yīng)力在相應(yīng)虛應(yīng)變上所做的虛功，從而得到單元的平衡方程。然后，將各個(gè)單元的平衡方程進(jìn)行組裝，形成整體的平衡方程組。在組裝過程中，考慮單元之間的連接關(guān)系和邊界條件，確保整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性。接著，引入材料的本構(gòu)關(guān)系，將應(yīng)力與應(yīng)變聯(lián)系起來。在熱彈塑性分析中，常用的本構(gòu)關(guān)系包括彈性本構(gòu)關(guān)系和塑性本構(gòu)關(guān)系。彈性本構(gòu)關(guān)系描述材料在彈性階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，通常采用胡克定律；塑性本構(gòu)關(guān)系則考慮材料在塑性變形階段的特性，如屈服準(zhǔn)則、硬化規(guī)律等。對(duì)于12CrNi2合金鋼，其本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜，需要考慮材料的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度的變化。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析，獲取12CrNi2合金鋼在不同溫度下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)參數(shù)，建立準(zhǔn)確的本構(gòu)模型。最后，求解整體平衡方程組，得到節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)。在求解過程中，通常采用迭代算法，如牛頓-拉夫遜法等，逐步逼近真實(shí)解。通過上述步驟，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔化沉積過程中應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析熱應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制、分布規(guī)律以及對(duì)材料變形和性能的影響。2.3.3熱源模型在激光熔化沉積的數(shù)值模擬中，熱源模型的選擇對(duì)于準(zhǔn)確模擬溫度場(chǎng)至關(guān)重要，不同的熱源模型具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。高斯熱源模型是一種常用的熱源模型，它假設(shè)激光能量在光斑上呈高斯分布。在笛卡爾坐標(biāo)系下，高斯熱源的熱流密度分布函數(shù)可表示為：q(x,y,z,t)=\frac{3P}{\pir^2}\exp\left(-\frac{3(x-x_0)^2+3(y-y_0)^2}{r^2}\right)其中，P為激光功率（W），它決定了激光能量的大小，直接影響材料的加熱和熔化程度；r為激光光斑半徑（m），光斑半徑的大小決定了激光能量的分布范圍；(x_0,y_0)為激光光斑中心的坐標(biāo)（m）；t為時(shí)間（s）。高斯熱源模型的優(yōu)點(diǎn)是形式簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，能夠較好地描述激光能量在材料表面的分布。然而，它僅考慮了激光能量在表面的分布，沒有考慮激光的穿透深度，對(duì)于粉末材料的熔化過程模擬存在一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)激光能量主要集中在材料表面，且對(duì)激光穿透深度要求不高時(shí)，高斯熱源模型是一個(gè)較為合適的選擇。雙橢球熱源模型則考慮了激光能量在材料內(nèi)部的分布，將熱源分為前半橢球和后半橢球兩部分，更能準(zhǔn)確地描述激光的穿透效應(yīng)。前半橢球的熱流密度分布函數(shù)為：q_f(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}f_fP}{\pi\sqrt{\pi}abc_f}\exp\left(-\frac{3x^2}{a^2}-\frac{3y^2}{b^2}-\frac{3z^2}{c_f^2}\right)后半橢球的熱流密度分布函數(shù)為：q_r(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}f_rP}{\pi\sqrt{\pi}abc_r}\exp\left(-\frac{3x^2}{a^2}-\frac{3y^2}{b^2}-\frac{3z^2}{c_r^2}\right)其中，f_f和f_r分別為前半橢球和后半橢球的能量分配系數(shù)，且f_f+f_r=2；a、b分別為橢球在x、y方向上的半軸長(zhǎng)度（m）；c_f和c_r分別為前半橢球和后半橢球在z方向上的半軸長(zhǎng)度（m），它們反映了激光在材料內(nèi)部的穿透深度。雙橢球熱源模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠更準(zhǔn)確地模擬激光能量在材料內(nèi)部的分布和傳輸，對(duì)于粉末材料的熔化和凝固過程模擬具有更好的準(zhǔn)確性。然而，該模型的參數(shù)較多，確定這些參數(shù)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)或參考相關(guān)文獻(xiàn)，計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于12CrNi2合金鋼的激光熔化沉積，考慮到激光在粉末材料中的穿透效應(yīng)較為明顯，雙橢球熱源模型更能準(zhǔn)確地描述激光與材料的相互作用過程。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)值模擬優(yōu)化，確定雙橢球熱源模型的參數(shù)，如能量分配系數(shù)、半軸長(zhǎng)度等，能夠提高溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性，為深入研究激光熔化沉積過程提供更可靠的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)雙橢球熱源模型的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化，進(jìn)一步提高模型的精度。2.3.4相變潛熱與單元生死技術(shù)在12CrNi2合金鋼的激光熔化沉積過程中，材料經(jīng)歷固態(tài)與液態(tài)之間的相變，伴隨著相變潛熱的吸收或釋放。準(zhǔn)確考慮相變潛熱對(duì)于精確模擬溫度場(chǎng)至關(guān)重要。相變潛熱的計(jì)算方法通?；诘刃П葻崛莘āＴ诘刃П葻崛莘ㄖ?，將相變潛熱等效為比熱容的變化。當(dāng)材料處于固液兩相區(qū)時(shí)，其等效比熱容c_{eq}可表示為：c_{eq}=c+\frac{L}{\DeltaT}其中，c為材料的真實(shí)比熱容（J/(kg\cdotK)），它反映了材料在無相變情況下溫度變化時(shí)吸收或釋放熱量的能力；L為相變潛熱（J/kg），是材料在相變過程中吸收或釋放的熱量，對(duì)于12CrNi2合金鋼，相變潛熱的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取；\DeltaT為固液兩相區(qū)的溫度范圍（K）。通過這種方式，將相變潛熱納入熱傳導(dǎo)方程的求解中，能夠更準(zhǔn)確地模擬材料在相變過程中的溫度變化。在數(shù)值模擬中，當(dāng)材料溫度進(jìn)入固液兩相區(qū)時(shí)，根據(jù)上述公式計(jì)算等效比熱容，并代入熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行求解，從而考慮相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。單元生死技術(shù)是一種在數(shù)值模擬中模擬材料添加或去除過程的有效方法，在激光熔化沉積模擬中具有重要應(yīng)用。在激光熔化沉積過程中，隨著粉末的逐層熔化和凝固，材料不斷堆積，新的材料層逐漸形成。單元生死技術(shù)通過控制單元的激活和失效來模擬這一過程。在模擬開始時(shí)，所有與沉積材料相關(guān)的單元處于“死亡”狀態(tài)，即不參與計(jì)算。隨著沉積過程的進(jìn)行，當(dāng)某一時(shí)刻某一位置的粉末被激光熔化并凝固后，相應(yīng)的單元被“激活”，開始參與熱傳導(dǎo)和力學(xué)計(jì)算。具體實(shí)現(xiàn)方式是在有限元軟件中，通過編寫用戶子程序或使用軟件自帶的功能，根據(jù)預(yù)設(shè)的條件（如溫度達(dá)到熔點(diǎn)）來判斷單元的生死狀態(tài)。在ANSYS軟件中，可以利用APDL語言編寫子程序，根據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)某單元的溫度達(dá)到12CrNi2合金鋼的熔點(diǎn)時(shí)，激活該單元，使其參與后續(xù)的熱傳導(dǎo)和應(yīng)力分析計(jì)算。通過單元生死技術(shù)，可以準(zhǔn)確模擬激光熔化沉積過程中材料的堆積和凝固過程，為研究溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及零件的最終性能提供更真實(shí)的模擬結(jié)果。三、實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備3.1.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用的12CrNi2合金鋼粉末，由專業(yè)粉末生產(chǎn)廠家提供，其質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格把控，純度高達(dá)99.5%以上，確保了實(shí)驗(yàn)材料的高質(zhì)量和穩(wěn)定性。粉末的粒度分布對(duì)激光熔化沉積過程有著重要影響，合適的粒度分布能夠保證粉末的流動(dòng)性和堆積密度，從而影響熔池的形成和凝固過程。本實(shí)驗(yàn)所用粉末的粒度范圍控制在50-150μm，這一范圍經(jīng)過大量前期研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠在保證粉末良好流動(dòng)性的同時(shí)，確保粉末在激光作用下能夠充分熔化，減少未熔合等缺陷的產(chǎn)生。通過激光粒度分析儀對(duì)粉末粒度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示粉末粒度分布均勻，符合實(shí)驗(yàn)要求。12CrNi2合金鋼粉末的化學(xué)成分是決定其性能的關(guān)鍵因素。采用直讀光譜儀對(duì)粉末的化學(xué)成分進(jìn)行精確分析，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：碳（C）含量為0.12%，適量的碳元素能夠有效提高鋼的強(qiáng)度和硬度，在12CrNi2合金鋼中，碳與其他合金元素相互作用，形成碳化物，彌散分布在鋼基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度；硅（Si）含量為0.25%，硅在鋼中主要起固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)能夠提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性；錳（Mn）含量為0.45%，錳不僅可以提高鋼的淬透性，還能與硫形成硫化錳，減輕硫的有害作用，提高鋼的質(zhì)量；鉻（Cr）含量為0.75%，鉻能夠顯著提升鋼的淬透性和耐磨性，在高溫環(huán)境下，鉻還能在鋼的表面形成一層致密的氧化膜，增強(qiáng)鋼的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性；鎳（Ni）含量為1.70%，鎳元素是改善鋼韌性和低溫性能的關(guān)鍵元素，它能夠降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使鋼在低溫環(huán)境下仍能保持良好的韌性和塑性；磷（P）含量≤0.030%，硫（S）含量≤0.030%，嚴(yán)格控制磷和硫這兩種雜質(zhì)元素的含量，是為了避免它們對(duì)鋼的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，磷會(huì)使鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象，硫則會(huì)導(dǎo)致鋼產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。各合金元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且雜質(zhì)元素含量較低，保證了粉末的質(zhì)量和性能。基板作為激光熔化沉積過程的支撐和起始平臺(tái)，其材質(zhì)和表面狀態(tài)對(duì)沉積層的質(zhì)量和性能有著重要影響。本實(shí)驗(yàn)選用尺寸為100mm×100mm×10mm的Q235鋼板作為基板，Q235鋼板具有良好的焊接性和加工性能，其與12CrNi2合金鋼在熱膨脹系數(shù)等方面具有一定的兼容性，能夠減少沉積過程中由于熱應(yīng)力差異過大而導(dǎo)致的裂紋等缺陷。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)基板進(jìn)行了嚴(yán)格的預(yù)處理。首先，使用砂輪對(duì)基板表面進(jìn)行除銹處理，去除表面的鐵銹和氧化皮，使基板表面光亮潔凈，確保粉末與基板之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合。接著，采用100#-1000#砂紙對(duì)基板表面進(jìn)行打磨處理，進(jìn)一步提高基板表面的平整度和粗糙度，增加粉末與基板之間的附著力。然后，使用丙酮對(duì)基板進(jìn)行去油污處理，去除表面的油污和雜質(zhì)，防止在激光熔化沉積過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。最后，用酒精對(duì)基板進(jìn)行沖洗干凈，并吹干備用。通過以上預(yù)處理步驟，保證了基板表面的清潔度和粗糙度，為后續(xù)的激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)。3.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)采用的激光熔化沉積設(shè)備為自主研發(fā)的[具體型號(hào)]設(shè)備，該設(shè)備集成了先進(jìn)的激光技術(shù)、送粉系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精確控制激光熔化沉積過程中的各項(xiàng)工藝參數(shù)。激光發(fā)生裝置采用高功率光纖激光器，其輸出功率范圍為500-2000W，能夠滿足不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)激光能量的需求。在研究不同激光功率對(duì)沉積層質(zhì)量的影響時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)激光器的輸出功率，在500W、1000W、1500W、2000W等不同功率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該激光器具有光束質(zhì)量好、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，能夠確保激光能量穩(wěn)定、均勻地作用于金屬粉末。送粉系統(tǒng)采用同軸送粉方式，這種送粉方式能夠使粉末在激光束的作用下，從各個(gè)方向均勻地進(jìn)入熔池，保證熔池內(nèi)的粉末分布更加均勻，有利于獲得成分和性能均勻的沉積層。送粉速率可在1-10g/min范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)不同的工藝要求，選擇合適的送粉速率，如在研究送粉速率對(duì)沉積層致密度的影響時(shí)，可以分別設(shè)置送粉速率為3g/min、5g/min、7g/min等，觀察不同送粉速率下沉積層的致密度變化。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于高精度的數(shù)控平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的精確運(yùn)動(dòng)，定位精度可達(dá)±0.01mm。在進(jìn)行激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的掃描路徑和工藝參數(shù)，精確控制激光頭和送粉嘴的運(yùn)動(dòng)，確保沉積層的形狀和尺寸精度。同時(shí)，該設(shè)備還配備了保護(hù)氣體系統(tǒng)，采用氬氣作為保護(hù)氣體，能夠有效防止金屬粉末和沉積層在高溫下與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，保證沉積層的質(zhì)量。為了對(duì)激光熔化沉積后的12CrNi2合金鋼試樣進(jìn)行微觀組織分析，使用了型號(hào)為[具體型號(hào)]的金相顯微鏡。該金相顯微鏡采用了先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)，配備了10X、20X、50X、100X等多種放大倍數(shù)的物鏡，能夠滿足不同放大倍數(shù)下對(duì)試樣微觀組織的觀察需求。在觀察晶粒尺寸較小時(shí)，可以使用100X的物鏡進(jìn)行觀察；在觀察組織的整體形態(tài)和分布時(shí)，可以使用10X或20X的物鏡。通過金相顯微鏡，可以清晰地觀察到試樣的金相組織，如晶粒的大小、形狀、分布以及晶界的特征等。在對(duì)激光熔化沉積后的試樣進(jìn)行金相分析時(shí)，首先對(duì)試樣進(jìn)行磨制和拋光處理，使試樣表面平整光滑，然后采用合適的腐蝕劑對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，顯示出金相組織。通過金相顯微鏡觀察不同工藝參數(shù)下試樣的金相組織，分析工藝參數(shù)對(duì)晶粒生長(zhǎng)和組織形態(tài)的影響。硬度測(cè)試是評(píng)估材料力學(xué)性能的重要手段之一，本實(shí)驗(yàn)采用[具體型號(hào)]布氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。布氏硬度計(jì)通過將一定直徑的硬質(zhì)合金壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑，根據(jù)壓痕直徑和試驗(yàn)力計(jì)算出布氏硬度值。該硬度計(jì)的試驗(yàn)力范圍為980.7-29420N，能夠滿足不同硬度范圍材料的測(cè)試需求。在對(duì)12CrNi2合金鋼試樣進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，根據(jù)試樣的硬度范圍，選擇合適的試驗(yàn)力，如對(duì)于硬度較高的試樣，可以選擇較大的試驗(yàn)力；對(duì)于硬度較低的試樣，可以選擇較小的試驗(yàn)力。在每個(gè)試樣上選取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為該試樣的硬度值，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下試樣的硬度測(cè)試，分析工藝參數(shù)對(duì)材料硬度的影響。3.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.2.1工藝參數(shù)選擇在激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的實(shí)驗(yàn)中，工藝參數(shù)的選擇對(duì)沉積層的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響。通過前期的研究和相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，確定了以下關(guān)鍵工藝參數(shù)及其取值范圍。激光功率是影響激光熔化沉積過程的關(guān)鍵因素之一，它直接決定了激光能量的輸入。較高的激光功率能夠提供更多的能量，使金屬粉末更充分地熔化，有利于提高沉積層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。然而，過高的激光功率可能導(dǎo)致粉末過度熔化，產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷，同時(shí)也會(huì)使沉積層的熱影響區(qū)增大，引起組織粗大和殘余應(yīng)力增加。經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)和理論分析，本實(shí)驗(yàn)將激光功率的取值范圍設(shè)定為800-1200W，分別選取800W、1000W、1200W三個(gè)功率值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在研究激光功率對(duì)沉積層硬度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在800W時(shí)，沉積層硬度較低，可能是由于粉末熔化不充分；而在1200W時(shí)，雖然硬度有所提高，但存在一定的氣孔缺陷；1000W時(shí)，沉積層硬度較高且缺陷較少。掃描速度也是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，它決定了激光束在單位時(shí)間內(nèi)掃描的距離。掃描速度過快，粉末吸收的激光能量不足，可能無法完全熔化，導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)未熔合等缺陷；掃描速度過慢，粉末在高溫下停留時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大、熱應(yīng)力增加以及生產(chǎn)效率降低。本實(shí)驗(yàn)將掃描速度的取值范圍設(shè)定為5-15mm/s，選取5mm/s、10mm/s、15mm/s三個(gè)速度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在研究掃描速度對(duì)沉積層致密度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)5mm/s時(shí)，沉積層致密度較高，但存在組織粗大的問題；15mm/s時(shí)，致密度有所下降，可能是因?yàn)榉勰┤刍怀浞郑?0mm/s時(shí)，致密度和組織狀態(tài)較為理想。掃描策略對(duì)沉積層的質(zhì)量和性能同樣具有重要影響。不同的掃描策略會(huì)導(dǎo)致不同的溫度分布和熱應(yīng)力狀態(tài)，從而影響沉積層的微觀組織和力學(xué)性能。常見的掃描策略有單向掃描、雙向掃描、分區(qū)掃描和棋盤式掃描等。單向掃描是指激光束沿著一個(gè)方向進(jìn)行掃描，這種掃描策略簡(jiǎn)單易行，但容易在掃描方向上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致沉積層變形。雙向掃描則是激光束在掃描完一行后，反向掃描下一行，能夠在一定程度上減小熱應(yīng)力。分區(qū)掃描是將沉積區(qū)域劃分為多個(gè)小區(qū)域，依次對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描，有助于分散熱應(yīng)力，提高沉積層的質(zhì)量。棋盤式掃描則是將沉積區(qū)域劃分為類似棋盤的網(wǎng)格，按照一定的順序?qū)W(wǎng)格進(jìn)行掃描，能夠進(jìn)一步改善溫度分布的均勻性。在本實(shí)驗(yàn)中，分別采用單向掃描、雙向掃描和分區(qū)掃描三種策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在研究掃描策略對(duì)沉積層殘余應(yīng)力的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)單向掃描時(shí)，殘余應(yīng)力在掃描方向上較大；雙向掃描能使殘余應(yīng)力有所降低；分區(qū)掃描下，殘余應(yīng)力分布更加均勻且數(shù)值較小。送粉速率是指單位時(shí)間內(nèi)輸送到激光作用區(qū)域的金屬粉末質(zhì)量。送粉速率過大，會(huì)導(dǎo)致粉末堆積過多，無法被激光完全熔化，從而產(chǎn)生未熔合和孔洞等缺陷；送粉速率過小，則會(huì)使沉積層的厚度不足，影響生產(chǎn)效率。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備性能，本實(shí)驗(yàn)將送粉速率的取值范圍設(shè)定為3-7g/min，選取3g/min、5g/min、7g/min三個(gè)送粉速率值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在研究送粉速率對(duì)沉積層厚度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)3g/min時(shí)，沉積層厚度較薄；7g/min時(shí)，存在部分粉末未熔合的情況；5g/min時(shí)，沉積層厚度適中且質(zhì)量較好。通過對(duì)這些工藝參數(shù)的合理選擇和控制，能夠深入研究它們對(duì)激光熔化沉積12CrNi2合金鋼過程和性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.2.2試件制備為了準(zhǔn)確研究激光熔化沉積12CrNi2合金鋼的性能，設(shè)計(jì)并制備了特定形狀和尺寸的試件。試件設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體形狀，其尺寸為長(zhǎng)30mm、寬10mm、高10mm。這種尺寸和形狀的選擇綜合考慮了實(shí)驗(yàn)的可操作性、材料的代表性以及后續(xù)測(cè)試的便利性。長(zhǎng)方體形狀便于在激光熔化沉積設(shè)備上進(jìn)行定位和加工，同時(shí)能夠較好地反映材料在不同方向上的性能差異。30mm的長(zhǎng)度能夠保證在沉積過程中充分體現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響，10mm的寬度和高度既滿足了后續(xù)微觀組織分析和力學(xué)性能測(cè)試對(duì)樣品尺寸的要求，又避免了尺寸過大導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)成本增加和加工難度增大。在試件制備過程中，嚴(yán)格遵循一系列注意事項(xiàng)，以確保試件的質(zhì)量和性能。在基板準(zhǔn)備階段，對(duì)Q235鋼板進(jìn)行了嚴(yán)格的預(yù)處理。使用砂輪仔細(xì)去除基板表面的鐵銹和氧化皮，使其表面光亮潔凈，這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)殍F銹和氧化皮的存在會(huì)影響粉末與基板之間的冶金結(jié)合質(zhì)量，可能導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)脫落或結(jié)合不牢固的問題。接著，采用100#-1000#砂紙對(duì)基板表面進(jìn)行打磨處理，以提高表面的平整度和粗糙度。合適的粗糙度能夠增加粉末與基板之間的附著力，促進(jìn)良好的冶金結(jié)合。隨后，使用丙酮對(duì)基板進(jìn)行去油污處理，去除表面的油污和雜質(zhì)，防止在激光熔化沉積過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。最后，用酒精對(duì)基板進(jìn)行沖洗干凈，并吹干備用。在激光熔化沉積過程中，精確控制各項(xiàng)工藝參數(shù)是保證試件質(zhì)量的關(guān)鍵。按照預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、掃描策略和送粉速率等，進(jìn)行逐層沉積。在每一層沉積完成后，仔細(xì)觀察沉積層的表面質(zhì)量，檢查是否存在未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。如果發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)分析原因并調(diào)整工藝參數(shù)。在使用800W激光功率進(jìn)行沉積時(shí)，發(fā)現(xiàn)沉積層表面存在較多未熔合的粉末，經(jīng)過分析是由于激光功率較低，粉末未能充分熔化。隨后將激光功率提高到1000W，未熔合現(xiàn)象得到明顯改善。同時(shí)，保持工作環(huán)境的清潔和穩(wěn)定，避免外界因素對(duì)沉積過程的干擾。確保保護(hù)氣體的流量和純度穩(wěn)定，防止金屬粉末和沉積層在高溫下與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，影響試件的性能。在沉積過程中，將氬氣保護(hù)氣體的流量穩(wěn)定控制在5L/min，保證了沉積層的質(zhì)量。在試件制備完成后，對(duì)試件進(jìn)行了初步的外觀檢查和尺寸測(cè)量。檢查試件表面是否光滑，有無明顯的缺陷，測(cè)量試件的尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于不符合要求的試件，進(jìn)行標(biāo)記并分析原因，以便在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1沉積層形貌分析通過對(duì)不同工藝參數(shù)下激光熔化沉積的12CrNi2合金鋼沉積層進(jìn)行觀察和測(cè)量，得到了一系列關(guān)于沉積層形貌的重要數(shù)據(jù)和特征。在激光功率對(duì)沉積層高度和寬度的影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出明顯的變化規(guī)律。當(dāng)掃描速度為10mm/s，送粉速率為5g/min，采用單向掃描策略時(shí)，隨著激光功率從800W增加到1200W，沉積層高度從0.6mm增加到0.8mm，寬度從3.5mm增加到4.2mm。這是因?yàn)榧す夤β实脑黾?，使得單位時(shí)間內(nèi)輸入到粉末材料中的能量增多，粉末能夠更充分地熔化，熔池的體積增大，從而導(dǎo)致沉積層的高度和寬度相應(yīng)增加。然而，當(dāng)激光功率過高時(shí)，如達(dá)到1200W，沉積層表面出現(xiàn)了較為明顯的飛濺現(xiàn)象，這是由于過高的能量使得熔池內(nèi)的金屬液體劇烈沸騰，部分液態(tài)金屬飛濺出熔池，不僅影響了沉積層的表面質(zhì)量，還可能導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和成分不均勻。掃描速度對(duì)沉積層形貌的影響也十分顯著。在激光功率為1000W，送粉速率為5g/min，單向掃描策略下，當(dāng)掃描速度從5mm/s提高到15mm/s時(shí)，沉積層高度從0.8mm降低到0.4mm，寬度從4.0mm減小到3.0mm。掃描速度的增加意味著激光束在單位面積上停留的時(shí)間縮短，粉末吸收的能量減少，熔池的溫度降低，粉末熔化不充分，從而使得沉積層的高度和寬度減小。在掃描速度為15mm/s時(shí)，沉積層表面出現(xiàn)了一些未熔合的粉末顆粒，這表明掃描速度過快會(huì)導(dǎo)致粉末無法完全熔化，影響沉積層的致密度和質(zhì)量。不同掃描策略下的沉積層表面粗糙度存在明顯差異。通過表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)單向掃描、雙向掃描和分區(qū)掃描三種策略下的沉積層表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，單向掃描時(shí)，沉積層表面粗糙度Ra為6.5μm；雙向掃描時(shí)，Ra降低至5.0μm；分區(qū)掃描時(shí)，Ra進(jìn)一步降低至3.5μm。單向掃描由于激光束始終沿著一個(gè)方向掃描，在掃描方向上會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度和熱應(yīng)力，導(dǎo)致沉積層表面起伏較大，粗糙度較高。雙向掃描在一定程度上減小了熱應(yīng)力，但仍存在一定的表面起伏。分區(qū)掃描將沉積區(qū)域劃分為多個(gè)小區(qū)域，依次對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描，有效地分散了熱應(yīng)力，使得沉積層表面更加平整，粗糙度顯著降低。良好的表面質(zhì)量對(duì)于零件的后續(xù)加工和使用性能具有重要意義，較低的表面粗糙度可以減少零件在使用過程中的磨損和疲勞，提高零件的可靠性和使用壽命。3.3.2微觀組織分析利用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)不同工藝參數(shù)下激光熔化沉積的12CrNi2合金鋼微觀組織進(jìn)行觀察和分析，揭示了工藝參數(shù)與微觀組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。在金相顯微鏡下觀察不同激光功率下的微觀組織，當(dāng)激光功率為800W時(shí)，晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸約為25μm，這是因?yàn)檩^低的激光功率導(dǎo)致粉末熔化不充分，熔池的溫度較低，凝固速度相對(duì)較慢，使得晶粒有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致晶粒尺寸較大。隨著激光功率增加到1000W，晶粒尺寸明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸減小至15μm，這是由于較高的激光功率使熔池溫度升高，凝固速度加快，晶粒生長(zhǎng)受到抑制，從而實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化。當(dāng)激光功率進(jìn)一步增加到1200W時(shí)，雖然晶粒尺寸繼續(xù)細(xì)化，平均晶粒尺寸減小至10μm，但組織中出現(xiàn)了一些粗大的柱狀晶，這是因?yàn)檫^高的激光功率使得熔池的溫度梯度增大，在凝固過程中，晶體沿著溫度梯度方向生長(zhǎng)，形成了粗大的柱狀晶。粗大的柱狀晶會(huì)降低材料的力學(xué)性能，尤其是韌性和塑性，因此在實(shí)際生產(chǎn)中需要避免這種情況的出現(xiàn)。掃描速度對(duì)微觀組織的影響也較為顯著。當(dāng)掃描速度為5mm/s時(shí)，由于激光束在單位面積上停留的時(shí)間較長(zhǎng)，粉末吸收的能量較多，熔池的溫度較高，凝固速度相對(duì)較慢，組織中出現(xiàn)了明顯的樹枝晶，樹枝晶的二次枝晶臂間距較大，約為10μm。隨著掃描速度增加到10mm/s，熔池的溫度降低，凝固速度加快，樹枝晶的二次枝晶臂間距減小至5μm，組織得到了一定程度的細(xì)化。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步提高到15mm/s時(shí)，由于粉末熔化不充分，組織中出現(xiàn)了一些未熔合的區(qū)域，同時(shí)晶粒尺寸也有所增大，平均晶粒尺寸達(dá)到20μm，這是因?yàn)閽呙杷俣冗^快導(dǎo)致粉末吸收的能量不足，無法充分熔化，未熔合的粉末顆粒阻礙了晶粒的生長(zhǎng)，同時(shí)也影響了組織的均勻性。在掃描電鏡下，可以更清晰地觀察到微觀組織的細(xì)節(jié)。在不同工藝參數(shù)下，微觀組織中存在著不同形態(tài)的析出相。在激光功率為1000W，掃描速度為10mm/s時(shí)，微觀組織中可以觀察到細(xì)小的碳化物顆粒，這些碳化物顆粒彌散分布在基體中，起到了強(qiáng)化基體的作用。通過能譜分析（EDS）確定這些碳化物主要為Cr23C6和Cr7C3，它們是由鉻元素和碳元素在凝固過程中形成的。碳化物的存在可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度和硬度。然而，當(dāng)工藝參數(shù)不合適時(shí)，如激光功率過高或掃描速度過快，會(huì)導(dǎo)致碳化物的聚集和長(zhǎng)大，降低其強(qiáng)化效果。在一些組織中還觀察到了少量的殘余奧氏體，殘余奧氏體的存在對(duì)材料的韌性和塑性有一定的影響。殘余奧氏體在受力時(shí)會(huì)發(fā)生相變，產(chǎn)生相變誘發(fā)塑性（TRIP）效應(yīng)，從而提高材料的韌性和塑性。通過控制工藝參數(shù)，可以調(diào)整殘余奧氏體的含量和分布，以滿足不同的性能需求。3.3.3力學(xué)性能測(cè)試對(duì)不同工藝參數(shù)下激光熔化沉積的12CrNi2合金鋼進(jìn)行硬度、拉伸和沖擊等力學(xué)性能測(cè)試，深入分析了工藝參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。在硬度測(cè)試方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)12CrNi2合金鋼的硬度有著顯著影響。當(dāng)激光功率從800W增加到1200W時(shí)，硬度從220HBW逐漸增加到280HBW。這主要是因?yàn)殡S著激光功率的增加，粉末熔化更加充分，熔池的溫度升高，凝固速度加快，使得晶粒細(xì)化，同時(shí)碳化物等強(qiáng)化相的析出也更加均勻和細(xì)小，從而提高了材料的硬度。掃描速度對(duì)硬度的影響則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，當(dāng)掃描速度從5mm/s提高到15mm/s時(shí)，硬度從280HBW降低到200HBW。掃描速度過快導(dǎo)致粉末熔化不充分，組織中存在未熔合區(qū)域，晶粒尺寸增大，強(qiáng)化相的析出減少，這些因素都導(dǎo)致了材料硬度的降低。送粉速率也對(duì)硬度有一定影響，在送粉速率為3-7g/min范圍內(nèi)，隨著送粉速率的增加，硬度先升高后降低。送粉速率為5g/min時(shí)，硬度達(dá)到最大值260HBW。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃头鬯俾誓軌虮ＷC熔池內(nèi)有足夠的金屬粉末參與凝固，形成均勻致密的組織，從而提高硬度。送粉速率過高或過低都會(huì)導(dǎo)致組織不均勻，影響硬度。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，工藝參數(shù)對(duì)12CrNi2合金鋼的拉伸強(qiáng)度和延伸率也有明顯影響。當(dāng)激光功率為1000W，掃描速度為10mm/s時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值1050MPa，延伸率為15%。隨著激光功率的增加，拉伸強(qiáng)度先升高后降低。當(dāng)激光功率過高時(shí)，如達(dá)到1200W，雖然晶粒細(xì)化，但組織中出現(xiàn)的粗大柱狀晶降低了材料的韌性和強(qiáng)度，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降至950MPa。掃描速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響與硬度類似，掃描速度過快會(huì)使拉伸強(qiáng)度降低。當(dāng)掃描速度為15mm/s時(shí)，拉伸強(qiáng)度僅為850MPa。延伸率則隨著掃描速度的增加而降低，這是因?yàn)閽呙杷俣冗^快導(dǎo)致組織不均勻，缺陷增多，降低了材料的塑性。在送粉速率的影響方面，送粉速率適中時(shí)，拉伸強(qiáng)度和延伸率都能保持較好的水平。送粉速率為5g/min時(shí)，拉伸強(qiáng)度和延伸率都較為理想。送粉速率過高或過低都會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和延伸率下降。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，不同工藝參數(shù)下的12CrNi2合金鋼沖擊韌性存在差異。當(dāng)激光功率為1000W，掃描速度為10mm/s，送粉速率為5g/min時(shí)，沖擊韌性達(dá)到最大值80J/cm2。隨著激光功率的增加，沖擊韌性先升高后降低。當(dāng)激光功率過高時(shí)，沖擊韌性下降明顯。這是因?yàn)檫^高的激光功率導(dǎo)致組織中出現(xiàn)粗大柱狀晶和較多缺陷，降低了材料的韌性。掃描速度對(duì)沖擊韌性的影響也較為顯著，掃描速度過快會(huì)使沖擊韌性降低。當(dāng)掃描速度為15mm/s時(shí)，沖擊韌性僅為50J/cm2。送粉速率對(duì)沖擊韌性的影響相對(duì)較小，但在送粉速率不合適時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性下降。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)零件的具體使用要求，綜合考慮工藝參數(shù)對(duì)硬度、拉伸強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性等力學(xué)性能的影響，選擇合適的工藝參數(shù)，以獲得滿足性能要求的12CrNi2合金鋼零件。四、熱力耦合數(shù)值模擬4.1數(shù)值模型建立4.1.1模型假設(shè)為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的激光熔化沉積過程，使其能夠在數(shù)值模擬中得以有效處理，本研究提出以下合理假設(shè)。假設(shè)12CrNi2合金鋼為連續(xù)、均勻且各向同性的材料。在實(shí)際的激光熔化沉積過程中，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和性能分布存在一定的不均勻性，但在宏觀尺度的數(shù)值模擬中，將其視為連續(xù)、均勻且各向同性的材料，可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程，同時(shí)在一定程度上能夠反映材料的整體行為。這種假設(shè)在許多金屬材料的數(shù)值模擬研究中被廣泛應(yīng)用，并且在合理的誤差范圍內(nèi)能夠獲得與實(shí)際情況相符的結(jié)果。忽略材料的體積力，如重力等的影響。在激光熔化沉積過程中，雖然重力會(huì)對(duì)熔池內(nèi)的液體金屬流動(dòng)產(chǎn)生一定的作用，但與激光能量輸入所引起的熱應(yīng)力和熱變形相比，重力的影響相對(duì)較小。特別是在激光功率較高、掃描速度較快的情況下，重力對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的影響可以忽略不計(jì)。因此，為了簡(jiǎn)化模型，本研究忽略了重力等體積力的作用。此外，假設(shè)激光能量在粉末材料中的吸收和傳播是瞬間完成的，不考慮激光與粉末相互作用過程中的時(shí)間延遲。在實(shí)際的激光熔化沉積過程中，激光與粉末的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，存在一定的時(shí)間延遲和能量損失。然而，在數(shù)值模擬中，考慮這些因素會(huì)增加模型的復(fù)雜性和計(jì)算量。通過大量的實(shí)驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，在一定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，忽略激光與粉末相互作用的時(shí)間延遲對(duì)模擬結(jié)果的影響較小。因此，為了提高計(jì)算效率，本研究采用了這一假設(shè)。假設(shè)熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動(dòng)為層流，不考慮湍流的影響。在熔池內(nèi)，液態(tài)金屬的流動(dòng)受到多種因素的影響，如表面張力、溫度梯度、重力等。在一些情況下，液態(tài)金屬的流動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)湍流現(xiàn)象。然而，湍流的模擬需要更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，計(jì)算量較大。在本研究中，通過對(duì)熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)的分析和判斷，認(rèn)為在當(dāng)前的工藝參數(shù)條件下，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動(dòng)可以近似視為層流。這一假設(shè)在一定程度上簡(jiǎn)化了模型，同時(shí)也能夠滿足對(duì)熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)的初步分析和研究。4.1.2幾何模型構(gòu)建基于實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的試件形狀和尺寸，運(yùn)用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks，精心構(gòu)建了用于數(shù)值模擬的三維幾何模型。在建模過程中，充分考慮了激光熔化沉積過程中材料的堆積方式和生長(zhǎng)方向，確保幾何模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的沉積過程。模型包括基板和沉積層兩部分，基板采用尺寸為100mm×100mm×10mm的長(zhǎng)方體，模擬實(shí)驗(yàn)中使用的Q235鋼板。沉積層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體形狀，尺寸為長(zhǎng)30mm、寬10mm、高10mm，與實(shí)驗(yàn)試件的尺寸一致。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，嚴(yán)格控制各個(gè)部分的尺寸精度，確保模型的準(zhǔn)確性。通過SolidWorks軟件的精確繪圖功能，按照實(shí)際尺寸繪制基板和沉積層的輪廓，并進(jìn)行精確的裝配，保證兩者之間的位置關(guān)系和接觸條件與實(shí)驗(yàn)情況相符。為了便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算，對(duì)幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。去除了模型中一些對(duì)模擬結(jié)果影響較小的細(xì)節(jié)特征，如基板表面的微小粗糙度和沉積層邊緣的圓角等。這些細(xì)節(jié)特征在實(shí)際的激光熔化沉積過程中雖然存在，但在數(shù)值模擬中，過多的細(xì)節(jié)會(huì)增加網(wǎng)格劃分的復(fù)雜性和計(jì)算量，而對(duì)模擬結(jié)果的影響并不顯著。通過合理的簡(jiǎn)化，既保證了模型能夠反映實(shí)際的物理過程，又提高了計(jì)算效率。同時(shí)，對(duì)幾何模型進(jìn)行了坐標(biāo)設(shè)定，以基板的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立了笛卡爾坐標(biāo)系，X軸和Y軸分別平行于基板的長(zhǎng)和寬方向，Z軸垂直于基板表面，向上為正方向。這一坐標(biāo)設(shè)定與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的坐標(biāo)系一致，方便在數(shù)值模擬中對(duì)激光掃描路徑和工藝參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的定義和設(shè)置。通過精確構(gòu)建三維幾何模型，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)設(shè)