[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

说明书

本发明涉及冶金铸造领域，涉及模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，其包括以下步骤：S1、获取钛合金β→α固态相变过程中两相的Gibbs自由能密度、不同过冷度下合金中各元素平衡成分等信息；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；S3、建立相场模型，求解相场控制方程获得序参量结果值；S4、对钛合金α片层分叉生长与演化结果进行可视化处理并进行实验验证，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。本发明能够再现钛合金β→α转变时α片层分叉生长过程，为钛合金在热处理工艺条件下对显微组织形态及其演变过程提供了可视化的模拟方法。

技术领域

本发明涉及冶金铸造领域，涉及一种模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法。

背景技术

钛合金具有高比强度、耐高温及抗腐蚀等优点，其作为一类高速发展的结构材料，被广泛应用于航空航天、航海及医疗等领域。钛合金多种多样的显微组织主要来源于其形变与相变耦合的热-力加工过程。此外，热处理也是调整显微组织与成分的关键环节。合金从高温相区冷却下来时，晶界α相析出后经由界面失稳以α片层团簇形式向晶内生长，形成魏氏组织，具有高拉伸强度、良好的断裂韧性以及疲劳性能。然而，α片层的生长是一个动态过程，甚至还会出现更为复杂的分叉生长特征，仅依赖实验方法很难表征。为辅助合金的组织优化设计，通过计算机模拟预测不同过冷度下α片层分叉生长的显微组织形貌并揭示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。这对进一步完善钛合金的微观组织设计具有重要指导意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为完善及优化钛合金的显微组织设计，本发明提供一种模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法。该方法能够再现β→α固态转变过程，为不同过冷度下α片层分叉生长的显微组织形貌并揭示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提供有效的预测方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案是：

一种模拟钛合金α片层分叉生长过程的相场动力学方法，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。

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。

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；