[发明专利]预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法

权利要求书

1.一种预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、根据双相钛合金的目标固溶温度、α与β相的Gibbs自由能曲线及两相平衡时的平衡成分，获取α→β固态转变时各相的局域自由能密度f₀，并进一步计算出双相钛合金体系下α和β相体化学自由能密度G_m；采用动力学数据库中合金元素在各相内的原子迁移率M_l，经过插值计算获得α/β相内及界面处的化学迁移率M_kj；

S2、根据步骤S1获取的双相钛合金体系下α和β相体化学自由能密度G_m以及化学迁移率M_kj信息，建立相场动力学模型并确定多个输入参数，通过相场控制方程计算相场两类序参量结果值；

S3、利用步骤S2所得相场动力学模型，保持目标固溶温度不变，改变不同升温速率，计算获得不同微观组织形貌及合金元素配分信息；

S4、将步骤S3中微观组织及成分演化结果进行可视化处理，在升温至目标固溶温度过程中获得不同升温速率对微观组织形貌演化及合金元素配分的影响规律。

2.根据权利要求1所述的预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：步骤S1中，所述局域自由能密度f₀由公式(1)计算：

公式(1)中，为插值函数，用来连接α与β两相的自由能曲线；与分别为α与β相的平衡摩尔自由能，其是体系温度T(单位为K)与合金元素X_k(单位为at.％)的函数，通过Redlich-Kister多项式做近似；φ_p(p＝1,···,12)表示12种α相变体。

3.根据权利要求2所述的预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：步骤S1中，双相钛合金体系下α和β相体化学自由能密度根据公式(2)计算；

公式(2)中，表征β相与12种α变体之间的能垒，ω为能垒高度；为区分不同α变体间的界面能，引入了表征不同α变体间势垒项其中：H_pq为能垒系数张量矩阵；考虑到α/α间晶体取向差，统计后发现α变体之间可形成6种不同晶体取向差的晶界。

4.根据权利要求3所述的预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：步骤S1中，化学迁移率根据公式(3)计算；

公式(3)中，M_kj为化学迁移率，表征溶质扩散速率，其数值越大代表扩散越快，其是温度等参数的变量；V_m表示摩尔体积；l表示原子种类，M_l是组元l的原子迁移率，原子迁移率M_l与结构序参量间的关系可表示为公式(4)；

公式(4)中：与分别为组元l在α与β相内的原子迁移率。

5.根据权利要求1所述的预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：步骤S2中，所相场动力学模型包括扩散方程和弛豫方程，其中：浓度场随时间的演化由扩散方程控制，通常指Cahn-Hilliard方程，如公式(5)所示；长程序参量场随时间的演化由弛豫方程描述，通常指时间相关的Ginzburg-Landau(TDGL)方程或Allen-Cahn方程，如公式(6)所示；

公式(5)和公式(6)中，L_φ是表征结构弛豫的动力学系数，其数值越大代表结构弛豫越快；随机噪声项ζ_k(r,t)与ξ_p(r,t)分别表征浓度序参量与结构序参量的涨落，用来模拟体系内α相的形核过程；F为体系总自由能。

6.根据权利要求5所述的预测双相钛合金在不同升温速率下组织形貌演化与合金元素配分的相场模拟方法，其特征在于：所述体系总自由能F根据公式(7)计算；

相场模型中，界面能是与界面处的结构或浓度非均匀相关的附加自由能，通过加入梯度项将界面能引入化学自由能项中，梯度项表达式如公式(8)；

公式(8)中，κ_p是梯度能系数张量，梯度项表示结构非均匀所产生的附加化学自由能。