[發明專利]一種涉及晶相反應的熔化模型及其數值模擬方法

有效

• 申請號: 201910292956.6
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110070919B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 熊進標;朱影子
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/30
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種涉及晶相反應的熔化模型及其數值模擬方法，涉及二元合金熔化的數值模擬領域，包括如下步驟：步驟1：建立定溫擴散模型；步驟2：在定溫擴散模型的基礎上建立擴散方程；步驟3：建立升溫熔化模型；步驟4：若合金沒有位于相變區，采用無內熱源的導熱方程計算合金溫度；若合金位于相變區，采用內熱源導熱方程計算熔化過程中合金的溫度和液相份額。本發明公將擴散傳質和相圖理論結合，提出了有效可行的涉及晶相反應的熔化模型及其模擬方法。

技術領域

本發明涉及二元合金熔化的數值模擬領域，尤其涉及一種晶相反應的熔化模型及其數值模擬方法。

背景技術

熔化過程中發生固-液相變，不同材料在熔化過程中還會發生晶相反應，晶相反應會改變材料的晶體結構進而影響其固有特性如熱學性能、力學性能和化學性能，使得材料提前老化，影響實際生產的安全性和經濟性。因此研究熔化過程中的晶相反應，無論是對提高材料應用中的安全性，還是開發新材料研究其性能都意義重大。

現有模擬熔化現象所用的固-液相變模型是基于焓值的，理論上熔化過程中，溫度保持不變，液相份額與比焓值成線性關系。計算流程為：先根據能量方程得到焓值：

再根據下式得到溫度分布和液相份額，依據液相份額確定相界面的位置：

式中，T_m是相變溫度，H_s和H_L分別是是固相焓值和液相焓值，C_p,s和C_p,L分別為固相和液相的定壓比熱容，ε是液相份額。

現有模擬熔化現象所用的固-液相變模型中的溫度和液相份額與焓值的關系式為經驗公式，且沒有可以模擬涉及晶相反應的熔化過程，只能用來模擬單一組分物質的熔化。

關于晶相反應現象的模擬，Mustari,A.P.A.,et al.,3D simulation ofeutectic interaction of Pb–Sn system using Moving Particle Semi-implicit(MPS)method.Annals of Nuclear Energy,2015.81:p.26-33.中介紹了定溫下Pb-Sn的共晶反應現象的模擬和實驗。在定溫225℃下，鉛塊和錫塊的界面處發生質量擴散，質量擴散方程為：

根據Pb-Sn相圖，當錫的質量分數達到對應的液化值時，在相界面處發生共晶熔化。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種涉及晶相反應的熔化模型及其數值模擬方法，可以有效模擬帶晶相反應的熔化過程。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是焓值相變模型中的溫度和液相份額與焓值的經驗關系式不能正確模擬熔化現象以及沒有可以模擬涉及晶相反應的熔化模型。

為實現上述目的，本發明還提供了一種涉及晶相反應的熔化數值模擬方法，包括如下步驟：

步驟1：建立定溫擴散模型；

步驟2：在所述定溫擴散模型的基礎上建立擴散方程，計算合金元素A在合金中的總質量分數w₀；

步驟3：建立升溫熔化模型：根據所述合金元素A的質量分數、所述合金溫度T₀和合金二元相圖，判斷所述合金是否進入相變區；

步驟4：若所述合金沒有位于所述相變區，采用無內熱源的導熱方程計算合金溫度T₁；若所述合金位于所述相變區，采用內熱源導熱方程計算熔化過程中所述合金的溫度T₁和液相份額；