[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

说明书

本发明公开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，属于冶金铸造技术领域。该方法包括：S1、获取双相钛合金α→β固态相变过程中两相的Gibbs自由能密度和化学迁移率；S2、建立相场动力学模型，求解相场控制方程获得序参量结果值；S3、在升温至目标固溶温度过程中，改变升温速率，得到不同微观组织形貌及元素扩散信息；S4、对不同输入条件下对应的微观组织演化结果进行可视化处理，获得不同升温速率对组织形貌与成分演变的影响规律。本发明再现双相钛合金中α→β转变过程，为双相钛合金固溶处理时组织形态及成分提供预测方法，为调控双相钛合金的屈服强度、抗拉强度等力学性能提供理论指导。

技术领域

本发明涉及冶金铸造技术领域，具体涉及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。

背景技术

近年来，钛合金由于其多层次的复杂微观组织而具有优异的力学性能，广泛应用于航空、航天及医药等领域而备受关注。(α+β)型双相钛合金能够呈现出多种组织类型，并且相比例、组织形貌等特征与固溶及时效制度相关联，进而影响合金的屈服、抗拉强度等力学性能。另外，有研究表明双相钛合金中元素配分效应可影响α/β相内的合金元素浓度分布，其也将进一步影响不同区域的显微组织特征、塑性变形方式以及合金最终的使役性能。在钛合金加工及制备过程中，常用热处理手段来改善合金的组织及性能，考虑到α→β转变是在α+β双相区进行固溶处理的一个非常重要的固态相变过程，因此借助计算机模拟阐明在升温至目标固溶温度过程中考察不同升温速率对微观组织形貌及合金元素配分的影响规律。对分析热处理过程中微观组织特征参数(相组成、尺寸及成分等)的变化与合金强韧性关系，进一步提升钛合金的使役性能具有重要指导意义。

发明内容

为改善及优化双相钛合金的力学性能，本发明提供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，该方法能够再现α→β固态转变过程，为调控α/β相组成、尺寸及成分分布等显微组织特征提供有效的预测方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

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，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。

上述步骤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。

上述步骤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；