一种增材制造用合金成分优化设计方法技术

本发明专利技术公开一种增材制造用合金成分优化设计方法，属于增材制造的技术领域。所述增材制造用合金成分优化设计方法在已有的合金成分基础之上，将合金成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的合金成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的合金成分，按照优化后的合金成分制备增材制造用合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际合金性能的成分优化。本发明专利技术将合金成分优化设计作为主要影响因素，采用热力学软件和计算机语言相结合通过热裂敏感性指标来优选成分降低增材制造合金的热裂敏感性，利于工业大规模生产和推广使用。推广使用。推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造用合金成分优化设计方法


[0001]本专利技术属于增材制造的
，涉及一种增材制造用合金成分优化设计方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术，以其制造周期短，以及近净成形、力学性能优异、结构适应性强、设计自由度大的特点，与传统工艺相比，在复杂精密结构和难加工材料构件的成形上具有明显的优势，且可以加工多种金属，如铝合金、钛合金、不锈钢、高熵合金等多种合金，因加工性能好、可靠性高被广泛应用。
[0003]但增材制造过程中，成形件质量往往受热裂纹等凝固缺陷影响，一方面需要不断改进工艺条件，另一方面需要重新优化增材制造的合金成分，降低热裂敏感性。
[0004]中国专利CN112570732A公开了一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，是通过对激光增材的工艺参数优化，成分优化并不是在已有元素成分基础上对含量进行调整，而是额外添加质量分数为1.5％的纯锆粉末与0.5％的纯铝粉；且只能适用于镍基高温合金，并不适用于铝合金及其他合金。
[0005]中国专利CN108994304A公开了一种消除金属材料增材制造裂纹提高力学性能的方法，是通过对增材制造成形件依次进行去应力退火和放电等离子烧结处理，并未考虑金属材料成分含量的调整来降低增材制造裂纹，而是给出了热处理，显然热处理耗费的成本比金属材料成分含量的调整高得多。
[0006]中国专利CN111235564A公开了一种增材制造专用高温合金成分设计方法，针对的也是高温合金，显然不适用于铝合金及其他合金；且其中的正交设计法选择的合金成分受到试验所取水平的限制，由于其中并未考虑热裂敏感性指标对成分选择的影响，故而后续的利用热力学计算软件和电子空位数计算方法优化出几组合适的成分选择基础并未考虑前述影响，所选择的成分不能降低高温合金热裂敏感性，更不能够降低铝合金及其他合金的热裂敏感性。
[0007]中国专利CN110010210A公开了基于机器学习并面向性能要求的多组元合金成分设计方法，虽然根据历史数据建立数据集、建立C2P和P2C模型并训练，然而将目标性能作为输入数据输入到P2C获得初始设计成分的方式存在一定的经验式错误，热裂敏感性指标与成分的选择之间的关系极其复杂，通过机器学习所需要的数据非常多，学习时间较长，准确性验证次数较多，对降低高温合金、铝合金及其他合金的热裂敏感性的成分选择效率低，成本高。
[0008]综上，现有技术中降低热裂敏感性的方式多数是通过对激光增材的工艺参数优化，特别是其中的激光工艺参数和热处理，虽然也考虑到了成分选择降低热裂敏感性的方式，但是也只是作为热处理的补充，而不是作为主要技术手段；且成分设计的方法有很多，包括正交试验设计和机器学习，然而都存在这样或那样的缺陷，成本也高，不利于工业大规模生产和推广使用。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中降低热裂敏感性的方式大部分通过对激光增材的激光工艺参数和热处理来实现，虽然单独方式有激光工艺参数调控，热处理和辅助成分添加也有，但是并未考虑成分优化设计对降低热裂敏感性的影响，也未考虑进一步采用热力学软件Thermo
‑
Calc和Python语言相结合通过热裂敏感性指标来优选成分降低增材制造合金的热裂敏感性。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]一种增材制造用合金成分优化设计方法，所述增材制造用合金成分优化设计方法在已有的合金成分基础之上，将合金成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的合金成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的合金成分，按照优化后的合金成分制备增材制造用合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际合金性能的成分优化。
[0012]优选地，所述将合金成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的合金成分含量，是通过根据国标中的合金成分含量数值的上下限来扩展。
[0013]优选地，所述结合热力学计算和高通量计算，是通过采用热力学软件Thermo
‑
Calc和Python语言相结合进行的高通量计算获得固相分数与温度之间的Scheil
‑
Gulliver凝固曲线，并将曲线上固相分数fs＝0.9
‑
0.99区间段的数据输出。
[0014]优选地，所述采用热力学软件Thermo
‑
Calc和Python语言相结合，是通过根据Python语言编写程序调用Thermo
‑
calc软件，按照步长依次计算不同元素含量的组合。
[0015]优选地，所述基于热裂敏感性指标，是通过将曲线上固相分数fs＝0.9
‑
0.99区间段的数据输出进行批处理，纵坐标温度变为+273.15得到开尔文温度(K)，再将横坐标固相分数进行开方；再将开方后的固相分数对开尔文温度求导数，并依次对导数值取绝对值，便可得到符合要求的凝固热裂纹敏感指数；将得到的凝固热裂纹敏感指数在固相分数fs＝0.9
‑
0.99范围值，取平均值。
[0016]优选地，所述应变率热裂判据为考虑枝晶晶界之间的相互作用力，当固相分数接近于1时，液膜受到的撕拉力大于晶粒之间的相互生长和液体填充之和时，裂纹开始萌生。
[0017][0018](separation)(growth)(feeding)
[0019]优选地，所述增材制造用合金粉末为该合金锭制备的合金粉末；或者为单质金属或合金粉末按照计算含量配比混合而成的粉末。
[0020]优选地，所述高通量计算的计算数据量超过3.0
×
10
12
组。
[0021]优选地，所述进行激光增材制造的工艺为：激光功率为200
‑
300W，扫描速度为800
‑
1000mm/s，扫描间距为100
‑
120μm，层厚为20
‑
40μm，扫描策略为Z型扫描，能量密度为60
‑
120J/mm3。
[0022]优选地，所述增材制造用合金成分优化设计方法中的优化后的合金成分对应的合金性能相比优化之前的合金性能：屈服强度提高了至少10％，抗拉强度提高了至少6.96％，
延伸率提高了14.5％。
[0023]本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0024]上述方案中，本专利技术通过Python语言与热力学软件Thermo
‑
Calc相结合，进行了元素区间扩充后按照给定步长，实现了数据量高达上亿组的合金元素筛选，方法便捷高效，能够快速筛选出合金热裂敏感指数较低的几种合金成分，因而该方法较为高效便捷，低成本，便于工业大规模的推广和应用。
[0025]本专利技术的优化合金成分合金粉末通过该成分合金锭制备。
[0026]本专利技术的增材制造用合金成分优化设计方法得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造用合金成分优化设计方法，其特征在于，所述增材制造用合金成分优化设计方法在已有的合金成分基础之上，将合金成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的合金成分含量，结合热力学计算和高通量计算，基于热裂敏感性指标，根据应变率热裂判据优化出合适的合金成分，按照优化后的合金成分制备增材制造用合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，从中选择出符合实际合金性能的成分优化。2.根据权利要求1所述的增材制造用合金成分优化设计方法，其特征在于，所述将合金成分的含量数值范围扩展到包括所有已有的合金成分含量，是通过根据国标中的合金成分含量数值的上下限来扩展。3.根据权利要求1所述的增材制造用合金成分优化设计方法，其特征在于，所述结合热力学计算和高通量计算，是通过采用热力学软件Thermo
‑
Calc和Python语言相结合进行的高通量计算获得固相分数与温度之间的Scheil
‑
Gulliver凝固曲线，并将曲线上固相分数fs＝0.9
‑
0.99区间段的数据输出。4.根据权利要求3所述的增材制造用合金成分优化设计方法，其特征在于，所述采用热力学软件Thermo
‑
Calc和Python语言相结合，是通过根据Python语言编写程序调用Thermo
‑
calc软件，按照步长依次计算不同元素含量的组合。5.根据权利要求3所述的增材制造用合金成分优化设计方法，其特征在于，所述基于热裂敏感性指标，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹海清，吴灵芝，张聪，张瑞杰，姜雪，王永伟，曲选辉，苏杰，刘赓，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：