[发明专利]一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法

说明书

本发明属于相场法技术领域，公开了一种模拟γ‑TiAl合金在非等温条件下的相场分析法。通过合金体系的热力学和动力学参数确定初始化条件；根据合金中金属间化合物的晶体结构，利用亚点阵模型构建化学自由能模型，同时利用梯度下降法计算相应的原子占位比；利用修正的势阱函数耦合各相化学自由能与结构场变量η的关系，同时加入弹性能，构建体系自由能函数；将构建的函数带入相场方程，计算出结构场变量和成分场变量的结果值，然后进行可视化处理，获得相应的组织演化图，并分析结果。本发明可以模拟不同温度下晶粒的演变过程和不同冷速下组织的演变规律。为研究金属间化合物的相变过程提供了参考。

技术领域

本发明属于相场法技术领域，具体涉及一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法。

背景技术

目前大多数材料研究都遵循着材料成分—微观组织—性能的设计思路，材料微观组织的预测和调控又是这一思路的重要组成部分。然而材料的微观组织因其复杂的形状、结构、尺寸，往往要通过不断的调整成分、温度、时间等工艺参数，进行大量的试错实验才有可能得到拥有理想组织结构和物理性能的材料。为了实现材料研发周期与研发费用“双减半”的目标，材料基因组工程被提出，借助计算模拟和高通量计算技术，极大地加快材料研发过程。相场法作为多尺度计算模拟体系中介观尺度的重要模拟方法，一直受到广泛的关注。相场法因其无需追踪界面的优势，以及其耦合热力学和动力学函数库的便利性，可以真实再现材料相变中微观组织演化的完整过程，有助于深入理解材料相变的内在机理。而且，相场法在枝晶生长、马氏体相变和铁电相变等过程中有较成熟的应用。

TiAl合金高温性能好，密度低，是一种备受关注的轻质高温材料。TiAl合金的相场法研究也得到了广泛的关注，如对TiAl片层组织的3D重现、研究孪晶的形成机理等。然而，目前的相场法主要集中在定温条件下的模拟，并不涉及不同温度和连续冷却过程，主要原因是缺乏一个准确的化学自由能模型。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法。该方法构建了一个能够准确描述金属间化合物自由能的模型，能够重现不同温度下和不同冷速下片层组织的形成过程，为研究TiAl合金相变的内在机理提供了理论基础，也为温度变化引起组织变化提供了可视化的预测方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法，包括以下步骤：

(1)收集γ-TiAl合金体系相应的热力学和动力学参数，确定初始化条件；

(2)根据TiAl合金中金属间化合物的晶体结构，利用亚点阵模型构建化学自由能模型，同时利用梯度下降法计算相应的原子占位比；

(3)利用修正的势阱函数耦合各相化学自由能与结构场变量η的关系，同时加入弹性能，构建体系自由能函数；

(4)将步骤(3)构建的函数带入相场方程，计算出结构场变量的结果值和成分场变量的结果值；

(5)将步骤(4)中得到的结构场变量和成分场变量进行可视化处理，获得相应的组织演化图，并分析结果。

进一步的，步骤(2)中的亚点阵模型公式如下：

其中G_m是m相的化学自由能，c为对应元素的原子百分比，G⁰是对应元素纯物质的化学自由能，y为对应元素在亚点阵中的原子占位比；其余参数均为常规热力学参数；各原子占位比的相关约束如下：

进一步的，步骤(2)中的梯度下降法算法如下，反复迭代直到收敛：

其中：＝是赋值符号，α是学习率常数。