[發明專利]一種模擬鈦合金α片層分叉生長過程的相場動力學方法

在審

• 申請號: 202110649656.6
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113555072A
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 張金虎;許海生;雷曉飛;董利民;楊銳
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;C22F1/18
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及冶金鑄造領域，涉及模擬鈦合金α片層分叉生長過程的相場動力學方法，其包括以下步驟：S1、獲取鈦合金β→α固態相變過程中兩相的Gibbs自由能密度、不同過冷度下合金中各元素平衡成分等信息；S2、構建可實現鈦合金α片層分叉生長行為的界面能各向異性函數；S3、建立相場模型，求解相場控制方程獲得序參量結果值；S4、對鈦合金α片層分叉生長與演化結果進行可視化處理并進行實驗驗證，闡明界面能各向異性對鈦合金α片層分叉生長行為的影響規律。本發明能夠再現鈦合金β→α轉變時α片層分叉生長過程，為鈦合金在熱處理工藝條件下對顯微組織形態及其演變過程提供了可視化的模擬方法。

技術領域

本發明涉及冶金鑄造領域，涉及一種模擬鈦合金α片層分叉生長過程的相場動力學方法。

背景技術

鈦合金具有高比強度、耐高溫及抗腐蝕等優點，其作為一類高速發展的結構材料，被廣泛應用于航空航天、航海及醫療等領域。鈦合金多種多樣的顯微組織主要來源于其形變與相變耦合的熱-力加工過程。此外，熱處理也是調整顯微組織與成分的關鍵環節。合金從高溫相區冷卻下來時，晶界α相析出后經由界面失穩以α片層團簇形式向晶內生長，形成魏氏組織，具有高拉伸強度、良好的斷裂韌性以及疲勞性能。然而，α片層的生長是一個動態過程，甚至還會出現更為復雜的分叉生長特征，僅依賴實驗方法很難表征。為輔助合金的組織優化設計，通過計算機模擬預測不同過冷度下α片層分叉生長的顯微組織形貌并揭示界面能各向異性對鈦合金α片層分叉生長行為的影響規律。這對進一步完善鈦合金的微觀組織設計具有重要指導意義。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為完善及優化鈦合金的顯微組織設計，本發明提供一種模擬鈦合金α片層分叉生長過程的相場動力學方法。該方法能夠再現β→α固態轉變過程，為不同過冷度下α片層分叉生長的顯微組織形貌并揭示界面能各向異性對鈦合金α片層分叉生長行為的影響規律提供有效的預測方法。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案是：

一種模擬鈦合金α片層分叉生長過程的相場動力學方法，包括以下步驟：

S1、根據鈦合金體系的當前過冷度下β與α相的熱力學數據信息，獲取β→α固態轉變時各相的局域自由能密度以及兩相平衡時的平衡成分；

S2、構建可實現鈦合金α片層分叉生長行為的界面能各向異性函數，通過梯度項將界面能引入總化學自由能項；

S3、根據步驟S1與S2獲取的不同溫度下鈦合金β→α固態相變時各相的Gibbs自由能密度、合金元素的平衡成分以及梯度項，建立相場模型，并求解相場控制方程獲得序參量結果值，獲得片層分叉生長與演變的微觀組織形貌信息；

S4、將S3中微觀組織及成分演化結果進行可視化處理，闡明界面能各向異性對鈦合金α片層分叉生長行為的影響規律。

所述步驟S1中，鈦合金中β與α相局域自由能密度表達式：

其中，h(φ)＝φ³(6φ²-15φ+10)為插值函數，用來連接β與α兩相的自由能曲線；T表示體系溫度，單位為K；c_i表示合金元素成分，i＝Al和V，單位為at.％；φ表示結構場變量，無單位；與分別為α與β相的平衡摩爾自由能，單位J/mol，其與體系溫度T、合金元素成分c_i密切關聯；ωφ²(1-φ)²表征β與α兩相之間的能壘，ω為能壘高度，單位J/mol。

所述步驟S1中，獲取熱處理溫度T＝1023K,1073K以及1123K下α與β相內Al與V元素的平衡成分，用于相場初始構型的輸入；