[发明专利]一种模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法

权利要求书

1.一种模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据钛合金体系的当前过冷度下β与α相的热力学数据信息，获取β→α固态转变时各相的局域自由能密度以及两相平衡时的平衡成分；

S2、构建可实现钛合金α片层分叉生长行为的界面能各向异性函数，通过梯度项将界面能引入总化学自由能项；

S3、根据步骤S1与S2获取的不同温度下钛合金β→α固态相变时各相的Gibbs自由能密度、合金元素的平衡成分以及梯度项，建立相场模型，并求解相场控制方程获得序参量结果值，获得片层分叉生长与演变的微观组织形貌信息；

S4、将S3中微观组织及成分演化结果进行可视化处理，阐明界面能各向异性对钛合金α片层分叉生长行为的影响规律。

2.如权利要求1所述的模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其特征在于，所述步骤S1中，钛合金中β与α相局域自由能密度表达式：

其中，h(φ)＝φ³(6φ²-15φ+10)为插值函数，用来连接β与α两相的自由能曲线；T表示体系温度，单位为K；c_i表示合金元素成分，i＝Al和V，单位为at.％；φ表示结构场变量，无单位；与分别为α与β相的平衡摩尔自由能，单位J/mol，其与体系温度T、合金元素成分c_i密切关联；ωφ²(1-φ)²表征β与α两相之间的能垒，ω为能垒高度，单位J/mol。

3.如权利要求1所述的模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取热处理温度T＝1023K,1073K以及1123K下α与β相内Al与V元素的平衡成分，用于相场初始构型的输入；

热处理温度T＝1023K时：β相中，Al 8.31at.％，V 14.29at.％；α相中，Al 10.37at.％，V 2.62at.％；

热处理温度T＝1073K时：β相中，Al 8.49at.％，V 10.76at.％；α相中，Al 10.49at.％，V 2.36at.％；

热处理温度T＝1123K时：β相中，Al 8.76at.％，V 7.75at.％；α相中，Al 10.75at.％，V2.00at.％。

4.如权利要求1所述的模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下内容：

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总化学自由能项中，梯度项表达式为：

ε是梯度能系数函数，单位J·m²/mol；▽φ表示结构场变量梯度，单位为m^-1；这里ε的表达式为：

ε＝ε₀[1+γf(θ)]

ε₀表示界面能各向同性下的梯度项系数，单位J·m²/mol；γ表示界面能各向异性程度，无量纲；f(θ)是双峰函数，其表达为：

θ代表二维平面内0～2π内任意角度，采用弧度制；b是表征双峰函数峰宽参数，无量纲；通过f(θ)的设置，确定θ取0与π/6时，达到双峰函数的峰值，即界面能取得最大值，也即确立α片层优先生长方向。

5.如权利要求1所述的模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下内容：

体系总自由能表达为场变量的泛函，包含局域化学自由能及梯度能，即：

各个符号表示的含义和单位是：G表示总自由能，单位：J/mol；V_m是摩尔体积，单位m³/mol；G_m为摩尔自由能，单位J/mol；▽φ表示结构场变量梯度，单位为m^-1；T表示体系温度，单位为K；c_i表示合金元素成分，i＝Al和V，单位为at.％；φ表示结构场变量，无单位；ε为结构场变量梯度项系数，单位J·m²/mol；V表示空间体积，单位为m³；

浓度场随时间的演化由扩散方程控制，通常指Cahn-Hilliard方程：

M_ij是化学迁移率，表征溶质扩散速率，单位为mol·m²/sJ，其数值越大代表扩散越快，是依赖于温度、成分参数的变量；

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：

L_φ是表征结构弛豫的动力学系数，单位为m³/J/s，其数值越大代表结构弛豫越快。