【经典复现】COMSOL激光烧蚀激光融覆选区激光融化||| 【基本原理】激光直接沉积过程中，快速熔化凝固和多组分粉末的加入导致了熔池中复杂的输运现象。 热行为对凝固组织和性能有显著影响。 通过三维数值模型来模拟在316L上直接激光沉积过程中的传热、流体流动、凝固过程。 通过瞬态热分布可以获得凝固特征，包括温度梯度(G)、凝固生长速率(R)和凝固凝固速率(G R)，从而预测凝固组织的形貌和规模。
在材料加工领域，激光直接沉积技术因其独特的优势而备受瞩目。今天咱就来唠唠利用 COMSOL 复现激光烧蚀、激光熔覆和选区激光熔化这些经典过程，顺便探讨探讨背后的原理。
基本原理那些事儿
激光直接沉积过程可不简单，快速熔化凝固，再加上多组分粉末的加入，直接在熔池里搅起了复杂的输运现象“风暴”。而且啊，热行为对凝固组织和性能影响那叫一个显著。就好比炒菜，火候（热行为）把握不好，菜的口感（凝固组织和性能）就大打折扣。
为了搞清楚这里面的门道，我们通过三维数值模型来模拟在 316L 材料上直接激光沉积过程中的传热、流体流动以及凝固过程。通过瞬态热分布，能得到像温度梯度（G）、凝固生长速率（R）和凝固速率（G×R）这些凝固特征，凭借这些，就能预测凝固组织的形貌和规模啦。
COMSOL 模拟实现思路
下面咱结合点代码（伪代码示意哈）来看看大概怎么操作。
% 定义材料参数 material_properties = { 'density', 7980, % 316L 密度 kg/m³ 'thermal_conductivity', 16.2, % 热导率 W/(m·K) 'heat_capacity', 500 % 比热容 J/(kg·K) }; % 定义激光参数 laser_power = 200; % 激光功率 W laser_spot_radius = 0.0005; % 激光光斑半径 m laser_scanning_speed = 0.005; % 激光扫描速度 m/s % 构建三维模型网格 mesh_size = 0.0001; % 网格尺寸 m model_domain = [0.01, 0.01, 0.005]; % 模型区域尺寸 m mesh = generate_mesh(model_domain, mesh_size); % 设置边界条件 boundary_conditions = { 'top': 'laser_heating', % 顶部为激光加热边界 'bottom': 'adiabatic', % 底部绝热 'sides': 'convective' % 侧面对流散热 };代码分析
首先定义材料参数，像 316L 的密度、热导率和比热容，这些参数是模拟传热过程的基础，就好比游戏角色的初始属性，决定了后续表现。激光参数也很关键，功率、光斑半径和扫描速度直接影响激光与材料的相互作用。构建网格时，网格尺寸和模型区域大小得拿捏好，网格太粗模拟不准，太细计算量又大。边界条件设定也重要，顶部激光加热，底部绝热，侧面对流散热，不同边界对应不同的热传递方式，保证模拟符合实际物理过程。
预测凝固组织
前面提到通过瞬态热分布获取凝固特征来预测凝固组织。在 COMSOL 模拟中，通过求解热传递方程得到温度分布，进而计算温度梯度 G 和凝固生长速率 R。
% 求解热传递方程 temperature_field = solve_heat_transfer_equation(material_properties, laser_parameters, mesh, boundary_conditions); % 计算温度梯度 G [G_x, G_y, G_z] = calculate_temperature_gradient(temperature_field, mesh); G = sqrt(G_x.^2 + G_y.^2 + G_z.^2); % 计算凝固生长速率 R R = calculate_solidification_rate(temperature_field, laser_scanning_speed); % 计算凝固速率 G×R G_R = G.*R;代码分析
求解热传递方程是核心步骤，基于前面定义的各种参数和条件，算出温度场分布。接着通过温度场计算温度梯度 G，分别计算 x、y、z 方向的梯度分量后合成总梯度。凝固生长速率 R 根据温度场和激光扫描速度算出，这俩一乘就得到凝固速率 G×R 啦，有了这些数据，就能对凝固组织的形貌和规模进行预测分析咯。
总的来说，利用 COMSOL 对激光烧蚀、激光熔覆和选区激光熔化进行模拟复现，从基本原理出发，借助代码实现关键步骤，能帮我们更好地理解和优化激光直接沉积过程，为材料加工工艺改进提供有力支持。
