技术领域
[0001] 本
发明涉及温度场模拟领域，特别涉及一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统。
背景技术
[0002] 热障涂层(TBC)因为其优越的
隔热、抗
腐蚀、抗热震性等性能被广泛应用于航空航天、
冶金、化工等高温零部件的防护领域。针对YSZ热障涂层使用过程中产生裂纹及其与基体结合不劳的问题，
激光熔覆纳米YSZ@Ni核壳粒子是解决这一问题的有效途径。激光熔覆过程急冷急热并且伴随着复杂的物
相变化，涂层
质量的好坏与熔覆过程中的熔凝行为密切相关，其中温度场的变化直接影响着激光熔覆后的微观
凝固组织，因此对激光熔覆过程温度场的研究至关重要。利用红外测温仪和
热电偶都很难全面测量出激光熔覆过程的温度变化情况，因此利用有限元求解温度场的方法已成为求解激光熔覆过程温度场的一种有效手段。其中运用较广泛的就是采用ANSYS模拟激光熔覆过程中的温度场，对于一般的金属熔覆粉末可以较准确的模拟出激光熔覆过程中的温度场。但是YSZ@Ni纳米核壳粒子中YSZ热导率小，在激光熔覆过程中会造成
能量高度集中，熔池温度过高，材料
气化、烧损严重的情况。在激光熔覆温度场的模拟中假设材料不存在气化烧损现象，这样就会使激光熔覆YSZ@Ni的温度场模拟结果失真，无法实现YSZ@Ni纳米核壳粒子的温度场的准确模拟。
发明内容
[0003] 本发明的目的是，为了提高纳米核壳粒子的温度场预测
精度，提供一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] 一种纳米核壳粒子温度场的预测方法，所述预测方法包括如下步骤：
[0006] 根据熔池的实际尺寸，建立熔池的实
体模型；
[0007] 基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量
密度的关系曲线；
[0008] 根据所述修正系数和
能量密度的关系曲线确定给定能量密度的激光对应的修正系数；
[0009] 采用所述修正系数对给定能量密度的激光的热源模型进行修正，得到修正后的热源模型；
[0010] 根据所述修正后的热源模型对所述实体模型施加热源并求解，获得纳米核壳粒子温度场。
[0011] 可选的，根据所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线，具体包括：
[0012] 对所述熔池的实体模型，根据热源模型施加不同能量密度的热源并求解，获得不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场；
[0013] 根据不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场，确定每个能量密度的激光所对应的熔池的模拟尺寸；
[0014] 分别给不同能量密度的热源模型重复施加对应的修正系数，使每个修正后的热源模型的能量密度所对应的熔池的模拟尺寸与实际尺寸的误差值在误差
阈值范围内，获取每个能量密度对应的修正系数；
[0015] 根据每个能量密度对应的修正系数建立能量密度与修正系数的关系曲线。
[0016] 可选的，所述能量密度用单位激光能量密度表示，具体为：
[0017]
[0018] 其中，ρ'为单位激光能量密度，p表示激光功率，v表示扫描速度，R表示激光半径。
[0019] 可选的，所述热源模型为高斯热源模型，具体为：
[0020]
[0021] 其中，q(r)为热流密度，R表示激光半径，η表示材料对激光的吸收率或激光作用在材料表面的能量吸收率，k表示集中系数，p表示激光功率。
[0022] 可选的，所述修正后的热源模型为：
[0023]
[0024] 其中，k'表示激光功率为p、激光半径为R的激光对应的修正系数。
[0025] 一种纳米核壳粒子温度场的预测系统，所述预测系统应用于所述预测方法，所述预测系统包括：
[0026] 实体模型建立模
块，用于根据熔池的实际尺寸，建立熔池的实体模型；
[0027] 关系曲线建立模块，用于基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线；
[0028] 修正系数确定模块，用于根据所述修正系数和能量密度的关系曲线确定给定能量密度的激光对应的修正系数；
[0029] 热源模型修正模块，用于采用所述修正系数对给定能量密度的激光的热源模型进行修正，得到修正后的热源模型；
[0030] 温度场预测模块，用于根据所述修正后的热源模型对所述实体模型施加热源并求解，获得纳米核壳粒子温度场。
[0031] 可选的，所述关系曲线建立模块具体包括：
[0032] 温度场获取子模块，用于对所述熔池的实体模型，根据热源模型施加不同能量密度的热源并求解，获得不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场；
[0033] 模拟尺寸确
定子模块，用于根据不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场，确定每个能量密度的激光所对应的熔池的模拟尺寸；
[0034] 修正系数获取子模块，用于分别给不同能量密度的热源模型重复施加对应的修正系数，使每个修正后的热源模型的能量密度所对应的熔池的模拟尺寸与实际尺寸的误差值在误差阈值范围内，获取每个能量密度对应的修正系数；
[0035] 关系曲线建立子模块，用于根据每个能量密度对应的修正系数建立能量密度与修正系数的关系曲线。
[0036] 可选的，所述关系曲线建立模块中的能量密度用单位激光能量密度表示，具体为：
[0037]
[0038] 其中，ρ'为单位激光能量密度，p表示激光功率，v表示扫描速度，R表示激光半径。
[0039] 可选的，所述关系曲线建立模块中的热源模型为高斯热源模型，具体为：
[0040]
[0041] 其中，q(r)为热流密度，R表示激光半径，η表示材料对激光的吸收率或激光作用在材料表面的能量吸收率，k表示集中系数，p表示激光功率。
[0042] 可选的，所述热源模型修正模块中的修正后的热源模型为：
[0043]
[0044] 其中，k'表示激光功率为p、激光半径为R的激光对应的修正系数。
[0045] 根据本发明提供的具体
实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0046] 本发明公开了一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统，首先，根据熔池的实际尺寸，建立熔池的实体模型；并基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线；然后，根据所述修正系数和能量密度的关系曲线确定给定能量密度的激光对应的修正系数；并采用所述修正系数对给定能量密度的激光的热源模型进行修正，得到修正后的热源模型；最后根据所述修正后的热源模型对所述实体模型施加热源并求解，获得纳米核壳粒子温度场。由于气化烧损严重造成温度场模拟结果失真的直接表现是激光熔覆之后计算熔池深度、宽度与模拟值相差较大，因此本发明通过加入修正系数来缩小模拟与实际熔池的尺寸误差，从而提高了温度场模拟的精度。
附图说明
[0047] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048] 图1为本发明提供的一种纳米核壳粒子温度场的预测方法的
流程图。
[0049] 图2为本发明提供的一种纳米核壳粒子温度场的预测方法建立的实体模型图。
[0050] 图3为本发明提供的一种纳米核壳粒子温度场的预测方法网格划分后的实体模型图。
[0051] 图4为本发明提供的一种纳米核壳粒子温度场的预测系统的结构
框图。
[0052] 图5为本发明提供的YSZ@Ni核壳粒子的单位激光能量密度和修正系数的关系曲线图。
具体实施方式
[0053] 本发明的目的是提供一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统，以提高纳米核壳粒子的温度场预测的的精度。
[0054] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
[0055] 如图1所示，本发明提供了一种纳米核壳粒子温度场的预测方法，所述预测方法包括如下步骤：
[0056] 步骤101，根据熔池的实际尺寸，建立熔池的实体模型；
[0057] 步骤102，基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线；
[0058] 步骤103，根据所述修正系数和能量密度的关系曲线确定给定能量密度的激光对应的修正系数；
[0059] 步骤104，采用所述修正系数对给定能量密度的激光的热源模型进行修正，得到修正后的热源模型；
[0060] 步骤105，根据所述修正后的热源模型对所述实体模型施加热源并求解，获得纳米核壳粒子温度场。
[0061] 具体的，步骤101中建立熔池的实体模型的具体方式为：基体材料采用GH4169，熔覆材料采用YSZ@Ni纳米核壳粒子粉末。建模时直接采用BLOCK语句生成几何实体模型。为节约运算时间去熔覆模型的一半进行建模，所构建
几何模型如图2所示，基体部分尺寸为60mm*15mm*5mm，预置熔覆层厚0.3mm。
[0062] 具体的，所述基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线之前，还包括：定义材料属性，并根据材料属性对所述实体模型进行网格划分，所述材料属性包括材料的密度、
比热容、热导率及
焓；所述网格划分的具体方式为：采用四面体映射网格划分，为了提高计算效率，在熔覆层部分采用较细的网格划分，在远离熔覆层的部分采用较粗的网格划分，网格划分结果见图3。
[0063] 可选的，步骤102所述根据所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线，具体包括：
[0064] 对所述熔池的实体模型，根据热源模型施加不同能量密度的热源并求解，获得不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场；
[0065] 根据不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场，确定每个能量密度的激光所对应的熔池的模拟尺寸；
[0066] 分别给不同能量密度的热源模型重复施加对应的修正系数，使每个修正后的热源模型的能量密度所对应的熔池的模拟尺寸与实际尺寸的误差值在误差阈值范围内，获取每个能量密度对应的修正系数。具体的，模拟熔池尺寸和实际熔池尺寸相差较大的主要原因是：因为激光能量密度过高，YSZ导热系数差，热量集中导致材料烧损气化带走部分能量。通过实际熔池尺寸反过来校核模拟熔池尺寸，确定修正系数，修正激光熔覆热源模型。
[0067] 所述误差阈值为5％。
[0068] 所述获取每个能量密度对应的修正系数的具体方式为：
[0069] 对于一个给定的能量密度，首先，给所述热源模型施加一个初始修正系数，然后，根据施加了初始修正系数的热源模型，给所述实体模型施加热源，获得熔池的模拟尺寸，并将熔池的模拟尺寸与实际尺寸对比，判断是否在误差阈值范围内，若是则将该初始修正系数作为该给定的能量密度对应的修正系数，若否，则调整初始修正系数，重复上述步骤。获得给定的能量密度对应的修正系数，并采用该方式获得每个能量密度对应的修正系数。
[0070] 根据每个能量密度对应的修正系数建立能量密度与修正系数的关系曲线。
[0071] 可选的，所述能量密度用单位激光能量密度表示，所述单位激光能量密度由激光工艺参数决定，所述激光工艺参数包括激光功率、扫描速度、激光半径等，具体为：
[0072]
[0073] 其中，ρ'为单位激光能量密度，p表示激光功率，v表示扫描速度，R表示激光半径。
[0074] 可选的，所述热源模型为高斯热源模型，具体为：
[0075]
[0076] 其中，q(r)为热流密度，R表示激光表示半径，η表示材料对激光的吸收率或激光作用在材料表面的能量吸收率，k表示集中系数，p表示激光功率。
[0077] 可选的，所述修正后的热源模型为：
[0078]
[0079] 其中，k'表示激光功率为p、激光半径为R的激光对应的修正系数。
[0080] 如图4所示，本发明还提供了一种纳米核壳粒子温度场的预测系统，所述预测系统应用于所述预测方法，所述预测系统包括：
[0081] 实体模型建立模块201，用于根据熔池的实际尺寸，建立熔池的实体模型；
[0082] 关系曲线建立模块202，用于基于所述熔池的实体模型，建立修正系数和能量密度的关系曲线；
[0083] 修正系数确定模块203，用于根据所述修正系数和能量密度的关系曲线确定给定能量密度的激光对应的修正系数；
[0084] 热源模型修正模块204，用于采用所述修正系数对给定能量密度的激光的热源模型进行修正，得到修正后的热源模型；
[0085] 温度场预测模块205，用于根据所述修正后的热源模型对所述实体模型施加热源并求解，获得纳米核壳粒子温度场。
[0086] 具体的，所述预测系统还包括网格划分子模块，所述网格划分子模块用于定义材料属性，并根据材料属性对所述实体模型进行网格划分，所述材料属性包括材料的密度、比
热容、热导率及焓。
[0087] 可选的，所述关系曲线建立模块202具体包括：
[0088] 温度场获取子模块，用于对所述熔池的实体模型，根据热源模型施加不同能量密度的热源并求解，获得不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场；
[0089] 模拟尺寸确定子模块，用于根据不同能量密度的热源的纳米核壳粒子温度场，确定每个能量密度的激光所对应的熔池的模拟尺寸；
[0090] 修正系数获取子模块，用于分别给不同能量密度的热源模型重复施加对应的修正系数，使每个修正后的热源模型的能量密度所对应的熔池的模拟尺寸与实际尺寸的误差值在误差阈值范围内，获取每个能量密度对应的修正系数；
[0091] 关系曲线建立子模块，用于根据每个能量密度对应的修正系数建立能量密度与修正系数的关系曲线。
[0092] 可选的，所述关系曲线建立模块202中的能量密度用单位激光能量密度表示，所述单位激光能量密度由激光工艺参数决定，所述激光工艺参数包括激光功率、扫描速度、激光半径等，具体为：
[0093]
[0094] 其中，ρ'为单位激光能量密度，p表示激光功率，v表示扫描速度，R表示激光半径。
[0095] 可选的，所述关系曲线建立模块202中的热源模型为高斯热源模型，具体为：
[0096]
[0097] 其中，q(r)为热流密度，R表示激光半径，η表示材料对激光的吸收率或激光作用在材料表面的能量吸收率，k表示集中系数，p表示激光功率。
[0098] 可选的，所述热源模型修正模块204中的修正后的热源模型为：
[0099]
[0100] 其中，k'表示激光功率为p、激光半径为R的激光对应的修正系数。
[0101] 具体的，本发明所提供的预测方法及系统，可以通过ANSYS参数化语言APDL编程输入计算机中运行，其中，根据热源模型施加热源的具体方式为：在ANSYS的命令流中通过IF、DO循环语句来实现连续小间距跳跃移动加载。在模拟过程中系统会自动判断
节点到光斑中心点的距离r是否在R内，如果节点不在光斑内则热流密度q＝0，如果节点在光斑内则按照前面设定的高斯热源进行加载。
[0102] 具体的，本发明提供的一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统可应用于YSZ@Ni纳米核壳粒子，但不限于YSZ@Ni纳米核壳粒子，当应用于YSZ@Ni纳米核壳粒子时，基体材料为GH4169，熔覆粉末为YSZ@Ni纳米核壳粒子。
[0103] 所述YSZ@Ni纳米核壳粒子可通过化学
镀法制备。本发明提供了一种制备方法，具体为：将配置好的YSZ悬液加入到配备好的NiCl2溶液中，再向其中加入
水合肼充分混合均匀，放在恒温水浴中机械搅拌充分反应。镀液中各成分浓度为CNi＝0.12mol/L，CYSZ＝0.007mol/L，假设溶液反应完全后可得YSZ@Ni核壳粒子，质量分数为WYSZ＝11.59％，WNi＝
88.41％。通过求各成分的算数平均值得到YSZ@Ni的热物性参数；具体计算参照公式[0104] AYSZ@Ni＝0.8841ANi+0.1159AYSZ
[0105] 式中，AYSZ@Ni、ANi、AYSZ分别分别表示YSZ@Ni、YSZ、Ni的热物性能参数。
[0106] 对于质量分数为WYSZ＝11.59％，WNi＝88.41％的YSZ@Ni核壳粒子，其单位激光能量密度和修正系数的对应关系如表1所示，关系曲线如图5所示。
[0107] 表1单位激光能量密度与修正系数表
[0108]单位激光能量密度 修正系数k’
212.3 0.40
382.1 0.51
530.9 0.71
716.6 0.83
796.2 0.93
[0109] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0110] 本发明公开了一种纳米核壳粒子温度场的预测方法及系统，通过模拟熔池尺寸与实际熔池尺寸比较，确定热源模型修正系数k’，减小实际实验中由于气化烧损带来的模拟误差。通过模拟计算熔池尺寸与实际熔池尺寸的对比，在激光热源模型中加入修正系数项，调整修正系数使模拟误差在5％以内。激光熔覆过程中工艺参数繁杂，各工艺参数对气化烧损的影响程度不同，为简化计算模型，引入单位激光能量密度。选取不同的激光工艺参数计算出对应的单位激光能量密度，并且确定修正系数，绘制修正系数随能量密度的变化曲线。能够较准确的模拟出其在不同工艺参数下不同时刻的温度场，减小激光熔覆过程中由于气化烧损造成能量损失带来的模拟误差。
[0111] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0112] 本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
