[发明专利]一种模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法

说明书

本发明公开了一种模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法，该方法包括以下步骤：(1)生成初始微观组织；(2)模拟晶粒长大行为。本发明是一种基于物理机制的晶粒长大行为模拟方法，可以准确地模拟GH4169合金晶粒长大行为，为合理制定GH4169合金热处理工艺提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法，属于热加工工程技术领域。

背景技术

GH4169合金的合金化程度高，并具有多种析出相，是一种专门为高温服役环境而设计的镍基高温合金。这种合金可以耐高温、抗腐蚀、抗氧化，并具有较强的抗蠕变和抗疲劳性能，被广泛应用于制造涡轮盘、机匣等航空发动机零部件。GH4169合金的晶粒组织和强化相等微观组织特征决定了零部件的服役性能。因此，精确预测热加工过程中GH4169合金的微观组织演变，对航空发动机零部件的高品质制造具有重要意义。

然而，由于GH4169合金组织在热处理过程中演变规律十分复杂，目前尚缺少能精确模拟GH4169合金晶粒长大行为的方法。针对这一难题，本发明提供了一种可以模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法。本发明的创新性在于，在元胞模型中引入了影响晶粒长大行为的主要物理因素，极大地提高了模型的预测精度，提出的方法通过实施例进行了验证，结果表明本方法可以有效地模拟GH4169合金晶粒长大行为。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法，该方法是基于物理机制建立的，可以精确地预测GH4169的晶粒长大过程中晶粒组织的晶界曲率以及长大规律。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种模拟GH4169合金晶粒长大行为的元胞自动机方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：生成初始微观组织的步骤；

步骤2：模拟晶粒长大行为的步骤；

步骤1包括如下子步骤：

(1) 选定模拟区域，将模拟区域离散为由元胞构成的网格，每个正方形元胞的边长为，设定总的模拟步数；

(2) 给元胞状态变量赋初值，元胞状态变量包括晶粒编号变量和晶粒取向变量；

(3) 在选定模拟区域内随机选取个元胞，并给所选取的个元胞赋不同的晶粒编号变量和晶粒取向变量；

(4) 对所有元胞逐一进行以下计算：假设当前元胞的状态转变为邻居元胞的状态，计算系统能量的变化，若系统能量降低，则将当前元胞的状态转变为邻居元胞的状态；

(5) 重复步骤1的子步骤(4)，直至完成总的模拟步数；

步骤2包括如下子步骤：

(1) 确定总模拟时间，为元胞状态变量赋初值；元胞状态变量包括晶粒编号变量以及晶粒取向变量；晶粒编号变量和晶粒取向变量以步骤1的计算结果为初值；

(2) 模拟晶粒长大的子步骤；

(3) 判断是否达到总模拟时间，若未达到，则再次执行子步骤(2)，若已经达到总模拟时间，停止模拟；

步骤2的子步骤(2)包括如下步骤：

a. 计算晶界迁移驱动力，，式中的为晶界曲率，为晶界能；晶界曲率的计算公式为，

其中，为晶界曲率统计区域内，与中心元胞i状态不同的元胞的个数，为晶界为平直晶界时，统计区域内与中心元胞i状态不同的元胞个数，为统计区域直径，为统计区域内总的元胞个数，为拓扑参数。选用直径为15个元胞的晶界曲率统计区域，元胞i位于统计区域的中心位置，此时，，。的取值范围为15-20。当取最大值176时，晶界曲率可取最大值，确定时间步长，；

b. 计算晶界迁移速率，，式中的为晶界迁移率，计算公式为