[发明专利]低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法与系统

说明书

本发明公开了低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法与系统，通过引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；获取待测材料的等温热压缩实验数据，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系及模型；建立以储能和平均晶粒尺寸为变量的低能晶界密度响应关系，进而建立低能晶界密度演化模型；开发低能晶界密度预测及分析系统，获得晶粒尺寸和低能晶界密度的核心子程序并耦合到有限元软件中，通过对平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度实时监控，迭代修正主要工艺参数，实现晶粒尺寸及低能晶界密度之间的动态协调优化。本发明可揭示热塑性变形过程中低能晶界密度的演化，并实现低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化。

技术领域

本发明属于本发明专利属于材料加工工程中金属塑性成形领域。

背景技术

镍基超合金为低层错能高温合金，低能晶界Σ3ⁿ(n＝1,2,3)晶界含量低会加剧晶界裂纹扩展，而高含量、均匀细化的Σ3ⁿ晶界能使自由晶界网络充分裂解并有效阻止裂纹的生成及扩展，从而显著提高合金抗疲劳及蠕变性能，对解决镍基超合金气阀坯因晶界网络裂解度低而引发的原动机功率下降乃至骤然破坏问题具有重要意义。然而，目前除了传统的试错法，并没有一种有效的方法能实时监测低能晶界的含量及分布。为适应我国战略规模要求，航空、舰船内燃机向更大功率，更可靠的纵深发展，气阀的截面尺寸及其规格不断升级，镍基超合金材料性能不断强化且加工制造变形难度提升，进而导致电镦规格不断升级且参数与晶粒、晶界等组织的协调难度不断加大，成形后的晶粒形态缺陷及混合晶界成为突出和更难解决的问题。因此。在电镦过程中实时监控镍基超合金低能晶界含量及分布，将有助于通过协调控制变形工艺参数来精确、高效的预测与调控低能晶界的形成与分布。

在相对低的温度区间内，晶粒尺寸较小。按照传统的研究结论，晶粒尺寸小则低能晶界密度一定高。但是，经发明人研究发现由于热塑性变形过程中不同工艺参数下的位错密度和储能不同，导致晶粒尺寸小的情况下低能晶界密度不一定高。因此需要对低能晶界密度调控与晶粒尺寸进行协调优化，避免片面的寻求较小的晶粒尺寸而导致不能完全确保低能晶界密度增大。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，解决如何实现金属材料在热塑性加工过程寻找出合适热塑性变形参数以实现低能晶界密度调控与晶粒尺寸的协调优化的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，包括如下步骤：

引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；为参数化衡量不同热塑性变形参数下储能与晶粒尺寸的演变规律，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系：

式中，E_s表示材料在热塑性变形过程中的平均应变能，即储能；D表示平均晶粒尺寸；n表示晶粒尺寸的相关指数，范围为0.4～0.8；c₃、c₄均为常数；

获取实验数据：

选取待测材料的试样并完成等温热压缩实验，然后迅速进行淬火处理以保留试样的高温微观组织；然后对试样进行微观组织表征，采用背散射衍射EBSD对热塑性变形后的微观组织形貌及晶粒取向和晶界分布特征进行观察：获得不同热塑性变形参数下含有低能晶界的晶界分布图，以及不同热塑性变形参数下的KAM图；

根据所述晶界分布图计算不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及不同热塑性变形参数下的低能晶界密度；根据所述KAM图计算不同热塑性变形参数下的储能；

挖掘响应关系，构造不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱：