[发明专利]一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法

说明书

本发明为一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。包括如下步骤：根据合金的热力学参数结合亚点阵模型对其进行热力学描述；根据合金的热力学描述，求解元素的化学势以及净扩散通量；利用相场法，建立温度梯度下成分和序参数的相场演变方程；设置合适的初始参数，求解合金的成分场以及序参数场，绘制可视化图像；分析温度梯度下合金的微观组织随时间的演化图，得到温度梯度对合金组织形貌的影响规律；分析温度梯度下高温合金扩散节界面微观组织结构图，以及扩散节界面两侧析出相体积分数随时效时间的变化，得到温度梯度对高温合金组织演化动力学的影响。本发明提供了一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法，同时该方法也可以预测温度梯度下多元多层合金涂层组织演化。

技术领域

本发明涉及金属材料微观组织控制技术领域，具体为温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。

背景技术

高温合金由于其在600℃以上具有优异的抗氧化性，抗热腐蚀性，较高的强度以及抗疲劳等综合性能，在航空航天领域，地面燃气轮机、冶金化工等工业领域具有广泛应用，它主要是用来作为高温热端部件的主要用材，但是在高温服役时，高温扩散对材料的微观组织具有很重要的影响，例如，镍基高温合金在作为涂层应用时，发生在高温合金衬底和粘结层之间的互扩散行为会导致热障碍涂层结构失效，从而导致涂层脱落，造成重大事故。

国内外的专家学者针对多层合金间的相互扩散进行了大量研究，例如，“AudigiéP,Put A R V,Murakami H,et al.Chromium and iridium effects on the short-terminterdiffusion behaviour between Pt richγ-γ′bond-coatings and a Ni-Al-Cralloy[J].Surface and Coatings Technology,2017,309:258-265.”该文献利用实验手段研究了Cr和Ir对涂层的作用，并且发现Cr促进Al上坡扩散到涂层表面，而Ir有效的减小了涂层之间的相互扩散。

同时，需要重点注意的是，热障碍涂层在应用时，在金属衬底和粘结层之间会有一个明显的温度梯度，因此，温度梯度对多层高温合金在长期服役过程中的互扩散行为和微观结构的影响是非常显著的，同时温度梯度引发的热迁移对多层金属的微观结构也有很大影响。

然而在实验研究时，多层金属间的温度梯度大小是很难控制的，且实验周期长，耗费成本大，因此，利用相场模拟手段研究温度梯度对多层高温合金微观组织的影响是非常有优势的，同时，现有的模拟手段都没有考虑热迁移的影响，因此，利用相场法研究温度梯度调控多层高温合金微观组织的相场模拟方法是非常有必要的。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。包括如下步骤：

步骤一：利用亚点阵模型以及层状高温合金的热力学参数对其进行热力学描述；

步骤二：根据步骤一的热力学描述，求出合金在温度梯度下各元素的净扩散通量；

步骤三：结合合金的自由能以及扩散通量，建立动力学相场演变方程；

步骤四：设置合适的合金参数、温度梯度、模拟系统的计算参量，求解动力学方程，将求解数据进行可视化处理，分析得到合金在温度梯度下的组织以及成分演化规律。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)该方法通过结合相场法与亚点阵模型，定量地描述合金的化学自由能，它不仅能描述三元高温合金的化学自由能，还能描述多元高温合金的化学自由能，也为该系列合金的高通量相场模拟提供了具体方法。