[發(fā)明專利]一種異質(zhì)金屬固相焊界面金屬間化合物演變相場(chǎng)模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110995014.1
• 申請(qǐng)日: 2021-08-27
• 公開（公告）號(hào): CN113704997A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋奎晶;羅俊睿;劉鑫泉;呂磊;季雨凱;王國平;鐘志宏;吳玉程
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 合肥金律專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34184
• 代理人: 楊霞

本發(fā)明提出了一種異質(zhì)金屬固相焊界面金屬間化合物演變相場(chǎng)模擬方法，包括：建立金屬間化合物演變模擬的概念模型；建立金屬間化合物演變模擬的微觀相場(chǎng)計(jì)算模型；定義金屬間化合物演變模擬的初始條件；定義金屬間化合物演變模擬的計(jì)算域、空間步長和邊界條件；建立金屬間化合物演變模擬的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫；求解相場(chǎng)計(jì)算模型，獲得金屬間化合物演變模擬的計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明所述模擬方法從微觀尺度上研究固相焊界面金屬間化合物的演變行為，對(duì)掌握焊接工藝對(duì)金屬間化合物的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)多尺度組織特征的一體化預(yù)測(cè)和調(diào)控，豐富和發(fā)展異種金屬材料在復(fù)雜焊接條件下(中低溫、高速大變形)的界面、擴(kuò)散及相變理論具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接接頭微觀組織模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種異質(zhì)金屬固相焊界面金屬間化合物演變相場(chǎng)模擬方法。

背景技術(shù)

鋁/鎂、鋁/鈦、鋁/鋼、鋁/銅等異種合金焊接在航空航天、軍事裝備、軌道交通等制造領(lǐng)域具有大量實(shí)際和潛在應(yīng)用需求。固相焊接滿足了輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)連接對(duì)于質(zhì)量、精度和性能的綜合要求，成為產(chǎn)品制造的關(guān)鍵加工手段。當(dāng)異種材料固相焊界面上有金屬間化合物脆性相產(chǎn)生時(shí)，接頭往往表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能。因此，研究異種合金固相焊界面金屬間化合物的生成規(guī)律，進(jìn)而對(duì)其控制，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

異種合金焊接界面金屬間化合物的生成及長大是一個(gè)復(fù)雜的界面反應(yīng)冶金物理過程，涉及熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)問題。從熱力學(xué)角度講，只有局部固溶體的原子濃度達(dá)到過飽和溶解度時(shí)，才能滿足金屬間化合物相變自由能降低的條件。在過飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物的過程中，局部共存的兩相之間化學(xué)勢(shì)是相等的，因此，金屬間化合物演變伴隨著原子在兩相之間的擴(kuò)散和再分配，是一個(gè)典型的局部動(dòng)態(tài)平衡過程。從動(dòng)力學(xué)角度講，在金屬間化合物演變過程中，原子擴(kuò)散和界面反應(yīng)同步耦合進(jìn)行，因此從數(shù)學(xué)上準(zhǔn)確描述該過程需要全面解析原子擴(kuò)散、界面反應(yīng)以及兩者之間的耦合關(guān)系。從晶體學(xué)角度講，相變過程涉及晶體結(jié)構(gòu)的變化，兩相界面上存在晶格畸變引起的界面能，同時(shí)原子擴(kuò)散和相界面遷移具有各向異性特征。

對(duì)于異種合金焊接界面金屬間化合物，以往大多只考慮熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、晶體學(xué)的某個(gè)方面，進(jìn)行孤立且簡單的研究。比如，異種合金焊接接頭金屬間化合物(IMC)演變動(dòng)力學(xué)通常采用經(jīng)驗(yàn)解析公式W＝ktⁿ描述，當(dāng)指數(shù)n為1、1/2、1/3時(shí)，演變過程分別受反應(yīng)速率、體擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散控制。由于相變熱力學(xué)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、界面遷移動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性以及IMC演變過程的動(dòng)態(tài)變化，同一材料體系不同焊接工藝在不同時(shí)間會(huì)遵循不同的演變規(guī)律，在原子擴(kuò)散和界面遷移動(dòng)力學(xué)相對(duì)大小不確定時(shí)，通過有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出IMC演變受界面或擴(kuò)散控制在理論邏輯上并不嚴(yán)謹(jǐn)。有些學(xué)者為了實(shí)現(xiàn)更精確的計(jì)算，考慮異種金屬互擴(kuò)散系數(shù)、界面IMC層以及晶界原子互擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于異種合金互擴(kuò)散采用有限差分算法建模，獲得界面處原子濃度隨時(shí)間瞬時(shí)演變?cè)诳臻g上的連續(xù)分布，但仍無法全面描述IMC演變的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)規(guī)律和微觀形貌特征。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及相變理論的不斷完善，相場(chǎng)法在相變微觀組織計(jì)算機(jī)模擬方面取得了蓬勃發(fā)展。其主要思想為對(duì)于組織狀態(tài)變量采用連續(xù)函數(shù)表達(dá)，通過能量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生組織演變。基于相場(chǎng)框架，統(tǒng)一地考慮相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)特征，能夠?qū)缑嫖恢玫慕M織演變進(jìn)行瞬態(tài)、精細(xì)表征。在焊接領(lǐng)域，目前已經(jīng)成功開展了晶粒長大和再結(jié)晶、熔化焊接頭熔池結(jié)晶、攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、微連接焊點(diǎn)釬料/銅盤界面金屬間化合物演變、粉末床熔融增材過程晶粒演變等的相場(chǎng)模擬，但異種金屬固相焊界面金屬間化合物演變相場(chǎng)模擬還未見報(bào)道。

如上所述，金屬間化合物演變涉及原子擴(kuò)散、有序化轉(zhuǎn)變、晶粒形核和長大。不同材料體系、不同工藝固相焊界面金屬間化合物演變過程是復(fù)雜的，試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)具有較大分散度且缺乏科學(xué)深度，因此，亟需建立統(tǒng)一的相場(chǎng)模擬框架，以模擬為紐帶整合金屬間化合物演變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)特征數(shù)據(jù)庫，通過相場(chǎng)模擬獲得特定材料、特定工藝條件下界面金屬化合物的瞬時(shí)演變動(dòng)力學(xué)規(guī)律和晶體學(xué)形態(tài)，闡明IMC演變的主要影響因素和影響規(guī)律，從而為異種金屬固相焊界面組織調(diào)控提供科學(xué)指導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容