一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法

本发明涉及金属材料学计算领域，尤其是涉及一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法。

背景技术：

1、近年来，随着工业的发展，有序金属间相的析出强化是许多先进工程材料的重要强化机制，其中应用范围最广泛的是镍基高温合金。大量实验表明，镍基高温合金中的析出强化能很大程度提高合金的强度，例如对于单相的富镍ni-al，屈服强度只有100～200mpa，对于工程应用而言是有限的，而多相合金的强度远高于单相金属间化合物，实验表明，在时效过程中析出的第二相颗粒可以大大提高合金的拉伸性能。镍基高温合金作为典型的析出强化型合金，强化机制为ni3al析出强化，呈弥散分布，能阻碍位错运动从而达到强化合金的作用。在合金的析出过程中，微观结构信息对其力学性能有很大的影响，包括析出相的尺寸、体积分数、形貌和空间分布。为了有效地设计所需的合金微观结构，探明微观组织的演变机制以及微观组织对性能的影响机理，相场法已成为一项必不可少的技术。

2、相场法作为模拟微观组织演化的强大动力学工具，其核心思想是引入一个连续变化的序参量(也称作相场变量)，使得相变过程的数学描述由界面处的不连续性变为连续性，而无需跟踪移动的相界面。通过这种处理方式，可将界面位置随时空的变化隐含在序参量随时空的演化之中。专利cn115910230a和专利cn114267417a分别公开了一种锆氢合金弹塑性变形析出及性能的easyphase设计方法和基于相场法的耦合弹性能的铁铜锰合金固态相变模拟方法，两种方法均采用相场法，但是仅适用于二元系合金体系，对于更为复杂的多元系合金体系并不适用。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种实现复杂合金体系的微观组织演化行为模拟的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，包括以下步骤：

4、实时获取所需的热力学参数与动力学参数；

5、建立多元系镍基高温合金的化学自由能方程；

6、建立多元系镍基高温合金的非均匀弹性应变能计算方程；

7、基于所述化学自由能方程和非均匀弹性应变能计算方程，构建总自由能方程；

8、基于所述总自由能方程，分别构建cahn-hilliard方程和allen-cahn方程；

9、求解所述cahn-hilliard方程和allen-cahn方程，获得成分场和序参量场；

10、基于所述成分场和序参量场，采用可视化分析方法得到动态微观组织演变过程。

11、进一步地，采用calphad方法实时获取热力学参数与动力学参数。

12、进一步地，所述化学自由能方程为：

13、

14、

15、

16、其中，fch为化学自由能，α为梯度能系数，·(ηp)为序参数相关的势阱函数，fγ、fγ′分别为，ω为系数，是吉布斯自由能对浓度的二阶导，为组分在基体相γ和析出相γ′中的平衡浓度，为模拟中当前时刻在基体相γ和析出相γ′中的成分。

17、进一步地，所述非均匀弹性应变能计算方程通过微观弹性理论进行计算。

18、进一步地，所述非均匀弹性应变能计算方程为：

19、

20、式中，fel为非均匀弹性应变能，h(ηp)为序参数相关的势阱函数，和分别为基体相γ和析出相γ′的弹性常数，δεij(r)为均匀应变和非均匀应变，为晶格错配产生的应变，ε0为晶格错配度，δij为符号函数。

21、进一步地，所述总自由能方程为：

22、f＝fch+fel

23、式中，f为总自由能，fch为化学自由能，fel为弹性应变能。

24、进一步地，所述cahn-hilliard方程表征多组元合金成分场演化，所述cahn-hilliard方程为：

25、

26、式中，xi(r,t)为成分参数，mi为原子移动性参数，f为总自由能。

27、进一步地，所述allen-cahn方程表征相变本质的序参量场演化，所述allen-cahn方程为：

28、

29、式中，ηp(r,t)为序参数，lp为动力学参数，f为总自由能。

30、进一步地，采用傅里叶谱方法求解所述cahn-hilliard和allen-cahn方程。

31、进一步地，所述可视化分析方法中，序参量场以衬度的方式显现为图片。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、(1)本发明针对复杂多元系镍基高温合金的性质，构建总自由能方程，并通过建立cahn-hilliard和allen-cahn方程以表征多元系镍基高温合金微观组织的演变过程，从而实现了模拟复杂多元系镍基高温合金的微观组织演变。

34、(2)本发明通过耦合calphad方法，能够实时地为建立的化学自由能方程提供所需的热力学参数与动力学参数，便于实时计算，从而能够得到实时动态的微观组织演变过程。

35、(3)本发明不仅适应于模拟简单的二元镍基合金体系微观组织演变过程，而且适用于复杂的多元系镍基高温合金。

36、(4)本发明模拟复杂热处理工艺参数下的微观组织演变过程中，只需通过少量验证实验即可达到设计要求，从而大大提高开发性能优异材料的效率，降低开发成本。

技术特征：

1.一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，采用calphad方法实时获取热力学参数与动力学参数。

3.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述化学自由能方程为：

4.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述非均匀弹性应变能计算方程通过微观弹性理论进行计算。

5.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述非均匀弹性应变能计算方程为：

6.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述总自由能方程为：

7.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述cahn-hilliard方程表征多组元合金成分场演化，所述cahn-hilliard方程为：

8.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述allen-cahn方程表征相变本质的序参量场演化，所述allen-cahn方程为：

9.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，采用傅里叶谱方法求解所述cahn-hilliard和allen-cahn方程。

10.根据权利要求1所述的一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，其特征在于，所述可视化分析方法中，序参量场以衬度的方式显现为图片。

技术总结
本发明涉及一种多元系镍基高温合金的微观组织演变模拟方法，该方法包括以下步骤：实时获取热力学参数与动力学参数；建立多元系镍基高温合金的化学自由能方程；建立多元系镍基高温合金的非均匀弹性应变能计算方程；基于化学自由能方程和非均匀弹性应变能计算方程，构建总自由能方程；基于总自由能方程，分别构建Cahn‑Hilliard方程和Allen‑Cahn方程；基于热力学参数与动力学参数，求解Cahn‑Hilliard方程和Allen‑Cahn方程，获得成分场和序参量场；基于成分场和序参量场，采用可视化分析方法得到动态微观组织演变过程。与现有技术相比，本发明具有实现复杂镍基合金体系的微观组织演化行为模拟等优点。

技术研发人员：刘振智,赵彦,鲁晓刚
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21