CN111324969B - 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法 - Google Patents

一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111324969B
CN111324969B CN202010152037.1A CN202010152037A CN111324969B CN 111324969 B CN111324969 B CN 111324969B CN 202010152037 A CN202010152037 A CN 202010152037A CN 111324969 B CN111324969 B CN 111324969B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
temperature gradient
microstructure
temperature
phase field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010152037.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111324969A (zh
Inventor
李永胜
金胜顺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202010152037.1A priority Critical patent/CN111324969B/zh
Publication of CN111324969A publication Critical patent/CN111324969A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111324969B publication Critical patent/CN111324969B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本发明为一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。包括如下步骤：根据合金的热力学参数结合亚点阵模型对其进行热力学描述；根据合金的热力学描述，求解元素的化学势以及净扩散通量；利用相场法，建立温度梯度下成分和序参数的相场演变方程；设置合适的初始参数，求解合金的成分场以及序参数场，绘制可视化图像；分析温度梯度下合金的微观组织随时间的演化图，得到温度梯度对合金组织形貌的影响规律；分析温度梯度下高温合金扩散节界面微观组织结构图，以及扩散节界面两侧析出相体积分数随时效时间的变化，得到温度梯度对高温合金组织演化动力学的影响。本发明提供了一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法，同时该方法也可以预测温度梯度下多元多层合金涂层组织演化。

Description

一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法
技术领域
本发明涉及金属材料微观组织控制技术领域，具体为温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。
背景技术
高温合金由于其在600℃以上具有优异的抗氧化性，抗热腐蚀性，较高的强度以及抗疲劳等综合性能，在航空航天领域，地面燃气轮机、冶金化工等工业领域具有广泛应用，它主要是用来作为高温热端部件的主要用材，但是在高温服役时，高温扩散对材料的微观组织具有很重要的影响，例如，镍基高温合金在作为涂层应用时，发生在高温合金衬底和粘结层之间的互扩散行为会导致热障碍涂层结构失效，从而导致涂层脱落，造成重大事故。
国内外的专家学者针对多层合金间的相互扩散进行了大量研究，例如，“AudigiéP,Put A R V,Murakami H,et al.Chromium and iridium effects on the short-terminterdiffusion behaviour between Pt richγ-γ′bond-coatings and a Ni-Al-Cralloy[J].Surface and Coatings Technology,2017,309:258-265.”该文献利用实验手段研究了Cr和Ir对涂层的作用，并且发现Cr促进Al上坡扩散到涂层表面，而Ir有效的减小了涂层之间的相互扩散。
同时，需要重点注意的是，热障碍涂层在应用时，在金属衬底和粘结层之间会有一个明显的温度梯度，因此，温度梯度对多层高温合金在长期服役过程中的互扩散行为和微观结构的影响是非常显著的，同时温度梯度引发的热迁移对多层金属的微观结构也有很大影响。
然而在实验研究时，多层金属间的温度梯度大小是很难控制的，且实验周期长，耗费成本大，因此，利用相场模拟手段研究温度梯度对多层高温合金微观组织的影响是非常有优势的，同时，现有的模拟手段都没有考虑热迁移的影响，因此，利用相场法研究温度梯度调控多层高温合金微观组织的相场模拟方法是非常有必要的。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。
实现本发明目的的技术方案为：
一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。包括如下步骤：
步骤一：利用亚点阵模型以及层状高温合金的热力学参数对其进行热力学描述；
步骤二：根据步骤一的热力学描述，求出合金在温度梯度下各元素的净扩散通量；
步骤三：结合合金的自由能以及扩散通量，建立动力学相场演变方程；
步骤四：设置合适的合金参数、温度梯度、模拟系统的计算参量，求解动力学方程，将求解数据进行可视化处理，分析得到合金在温度梯度下的组织以及成分演化规律。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)该方法通过结合相场法与亚点阵模型，定量地描述合金的化学自由能，它不仅能描述三元高温合金的化学自由能，还能描述多元高温合金的化学自由能，也为该系列合金的高通量相场模拟提供了具体方法。
(2)该方法考虑了温度梯度下“热迁移”对微观组织的影响，结合“热迁移”与扩散通量对化学势的影响，建立高温合金成分和序参数的动力学演变方程，得到温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。
附图说明
图1是温度梯度调控Ni-8 Al-14.5 Cr(at.％)合金得到的微观组织图，网格大小为512Δx*×512Δy*，初始温度873K，温度梯度为0.4K/nm，其中(a)时效时间为8h，(b)时效时间为1045h。
图2是温度梯度调控Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节得到的微观组织，初始温度为973K，温度梯度分别为0.1、0.2、0.3、0.4K/nm，其中(a)t＝8h，ΔT＝0.1K/nm；(b)t＝838h，ΔT＝0.1K/nm；(c)t＝8h，ΔT＝0.2K/nm；(d)t＝838h，ΔT＝0.2K/nm；(e)t＝8h，ΔT＝0.3K/nm；(f)t＝838h，ΔT＝0.3K/nm；(g)t＝8h，ΔT＝0.4K/nm；(h)t＝838h，ΔT＝0.4K/nm。
图3是温度梯度调控得到的Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节中析出相的体积分数随时效时间的变化，初始温度为973K，温度梯度分别为0.1、0.2、0.3、0.4K/nm，其中(a)扩散节左边，(b)扩散节右边。
图4是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法。包括如下步骤：
步骤一：利用亚点阵模型以及高温合金的热力学参数对其进行热力学描述；
步骤二：根据步骤一的热力学描述，求出合金在温度梯度下各元素的净扩散通量；
步骤三：结合合金的自由能以及扩散通量，建立动力学相场演变方程；
步骤四：设置合适的合金参数、温度梯度、模拟系统的计算参量，求解动力学方程，根据求解数据绘制图像，分析得到合金在温度梯度下的组织以及成分演化规律。
下面结合实例对本发明做进一步详细描述：
以Ni-Al-Cr合金为例。
步骤一中，Ni-Al-Cr合金的热力学描述包括，体自由能密度、弹性能、梯度能，具体公式如下：
Figure BDA0002402788590000031
其中F为系统总的自由能，f为合金的体自由能密度，Vm为合金的摩尔体积，i代表合金元素，ci为元素i的原子分数，
Figure BDA0002402788590000032
为元素i的序参数，к为梯度能系数，Eel为弹性能。弹性能Eel在Ni-Al-Cr合金中可以忽略不计，合金的体自由能由亚点阵模型与相场法共同描述。/>
步骤二中，三元Ni-Al-Cr合金中，每种元素的本征通量Ji为：
Figure BDA0002402788590000033
其中Mi为元素i的本征迁移率，且Mi＝ciβi，βi表示元素i的原子迁移率；
Figure BDA0002402788590000034
为元素i的化学势梯度，/>
Figure BDA0002402788590000035
为元素i的“热迁移”。净扩散通量/>
Figure BDA0002402788590000036
与本征扩散通量Ji之间的关系为：
Figure BDA0002402788590000037
则在Ni-Al-Cr合金中，Al和Cr的净扩散通量为：
Figure BDA0002402788590000041
Figure BDA0002402788590000042
其中
Figure BDA0002402788590000043
为元素i的有效化学势，它可以用总自由能与成分的变分导数δF/δci来描述；
步骤三，建立动力学相场演变方程，与成分以及序参数演变有关的方程分别为：
Figure BDA0002402788590000044
Figure BDA0002402788590000045
其中，Mη为动力学系数，t为模拟时间，
Figure BDA0002402788590000046
为哈密尔顿算子，然后利用合适的参数对方程进行无量纲化，最后利用半隐式傅里叶谱算法进行求解；
步骤四，设置初始成分为Ni-8 Al-14.5 Cr(at.％)合金，计算网格大小为512Δx*×512Δy*，温度梯度为初始温度873K，从左向右以0.4K/nm的大小增长，根据计算得到的数值绘制Ni-8 Al-14.5 Cr(at.％)合金在温度梯度为0.4K/nm时的微观组织演化图。
图1为温度梯度调控Ni-8 Al-14.5 Cr(at.％)合金得到的微观组织图，初始温度873K，温度梯度为0.4K/nm，其中(a)时效时间为8h，(b)时效时间为1045h。从图中可以发现，随着时效时间的延长，γ′相向低温区聚集，在低温区形成γ′相的单相区，而高温区形成γ相的单相区。
步骤五，设置初始成分为Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节，其中扩散节是将初始成分均匀的合金A：Ni-10 Al-10 Cr(at.％)和合金B：Ni-11 Al-9 Cr(at.％)以“B/A/A/B”模型连接而成，计算网格大小为256Δx*×64Δy*，温度梯度为初始温度973K，从中间向左右两边分别以0.1、0.2、0.3、0.4K/nm的大小增长，根据计算得到的数值绘制Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节在温度梯度下的微观组织演化图以及γ′相体积分数随时效时间的变化图。
图2为温度梯度调控Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节得到的微观组织，初始温度为973K，温度梯度分别为0.1、0.2、0.3、0.4K/nm，其中(a)t＝8h，ΔT＝0.1K/nm；(b)t＝838h，ΔT＝0.1K/nm；(c)t＝8h，ΔT＝0.2K/nm；(d)t＝838h，ΔT＝0.2K/nm；(e)t＝8h，ΔT＝0.3K/nm；(f)t＝838h，ΔT＝0.3K/nm；(g)t＝8h，ΔT＝0.4K/nm；(h)t＝838h，ΔT＝0.4K/nm。
从图中可以看出随着时效时间的延长，不同成分合金的界面处会形成γ′相和γ相的单相区，这是由于不同成分合金的扩散速率不同，柯肯达尔效应导致合金的扩散路径从两相区进入单相区。
图3为温度梯度调控得到的Ni-10 Al-10 Cr/Ni-11 Al-9 Cr(at.％)扩散节中析出相的体积分数随时效时间的变化，初始温度为973K，温度梯度分别为0.1、0.2、0.3、0.4K/nm，由于周期性边界条件的作用，作图时我们只需要选取步骤一中“B/A/A/B”模型的一半，即“A/B”模型，其中(a)扩散节左边，(b)扩散节右边。从图中可以看出，随着时效时间的延长，左边低温区γ′相的体积分数增加，右边高温区γ′相的体积分数减小，这可作为热障碍涂层设计应用时的理论参考，并以此优化微观结构设计。

Claims (3)

1.一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用亚点阵模型以及高温合金的热力学参数对其进行热力学描述；
步骤二：根据步骤一的热力学描述，求出合金在温度梯度下各元素的净扩散通量；
步骤三：结合合金的自由能以及扩散通量，建立动力学相场演变方程；
步骤四：设置合适的合金参数、温度梯度、模拟系统的计算参量，求解动力学方程，根据求解数据绘制组织形貌图以及成分演化图，分析得到合金在温度梯度下的组织以及成分演化规律；
步骤二中各元素的净扩散通量
Figure FDA0003885012670000011
为：
Figure FDA0003885012670000012
其中Jj为各个元素的本征通量，具体公式为：
Figure FDA0003885012670000013
其中Mi为元素i的本征迁移率，且Mi＝ciβi，βi表示元素i的原子迁移率；▽μi为元素i的化学势梯度，
Figure FDA0003885012670000014
为元素i的“热迁移”；
步骤三中成分演变的动力学方程与净扩散通量的关系具体为：
Figure FDA0003885012670000015
其中t为模拟时间，
Figure FDA0003885012670000016
为哈密尔顿算子；在合金中，除了成分的演变，还有结构转变，结构转变由Ginzburg-Landau方程求解获得；最后利用半隐式傅里叶谱算法求解动力学演变方程，得到成分和序参数的与时间和空间位置相关的数值。
2.根据权利要求1所述的温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法，其特征在于，步骤一中，高温合金的热力学描述包括：体化学自由能、弹性应变能、梯度能，具体公式如下：
Figure FDA0003885012670000017
其中F为系统总的自由能，f为合金的体自由能密度，Vm为合金的摩尔体积，i代表合金元素，ci为元素i的原子分数，
Figure FDA0003885012670000021
为元素i的序参数，к为梯度能系数，Eel为弹性能。
3.根据权利要求1所述的温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法，其特征在于，在步骤一中，将相场法与亚点阵模型结合用来描述合金的化学自由能。
CN202010152037.1A 2020-03-06 2020-03-06 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法 Active CN111324969B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010152037.1A CN111324969B (zh) 2020-03-06 2020-03-06 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010152037.1A CN111324969B (zh) 2020-03-06 2020-03-06 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111324969A CN111324969A (zh) 2020-06-23
CN111324969B true CN111324969B (zh) 2023-03-24

Family

ID=71173276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010152037.1A Active CN111324969B (zh) 2020-03-06 2020-03-06 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111324969B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111899819B (zh) * 2020-06-28 2022-09-27 南京理工大学 一种辐照缺陷和纳米相协同演化的相场模拟方法
CN112992394B (zh) * 2021-02-22 2022-04-15 中国核动力研究设计院 一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991387A (zh) * 2019-03-06 2019-07-09 华南理工大学 一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10328685B2 (en) * 2013-12-16 2019-06-25 General Electric Company Diode laser fiber array for powder bed fabrication or repair

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991387A (zh) * 2019-03-06 2019-07-09 华南理工大学 一种模拟γ-TiAl合金在非等温条件下的相场分析法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111324969A (zh) 2020-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111324969B (zh) 一种温度梯度调控层状高温合金微观组织的相场模拟方法
Zhang et al. Molecular dynamics simulation and experimental study of tin growth in SAC lead-free microsolder joints under thermo-mechanical-electrical coupling
Wang et al. The microstructure and mechanical properties of deposited-IN718 by selective laser melting
Chen et al. Thermo-Calc and DICTRA modelling of the β-phase depletion behaviour in CoNiCrAlY coating alloys at different Al contents
Khazaei et al. TLP bonding of dissimilar FSX-414/IN738 system with MBF80 interlayer: Prediction of solid/liquid interface location
Sun et al. Optimizing for IC10 single crystal Ni3Al-based alloy joint by electron beam welding with chemical composition controlling
Yang et al. Microstructure evolution in a Ni–Mo–Cr superalloy subjected to simulated heat-affected zone thermal cycle with high peak temperature
Wang et al. Diffusion kinetics of transient liquid phase bonding of Ni-based superalloy with Ni nanoparticles: A molecular dynamics perspective
Nie et al. Microstructure evolution modeling of FGH96 superalloy during inertia friction welding process
Wang et al. Investigation on microstructure and mechanical properties of a vacuum brazed joint of γ′-strengthened Co-based single crystal superalloy before and after the post-bond heat treatment
Rahman et al. Diffusion bonding of commercially pure Ni using Cu interlayer
Minho et al. Growth behavior of intermetallic layers at the interface between Cu and eutectic Sn–Bi by grain boundary diffusion with the grain growth at solid-state temperatures
Guo et al. Microstructural evolution and yield strength of a novel precipitate-strengthened Fe-based superalloy during thermal aging at 700° C
An et al. Physics-of-degradation-based life prediction of solder interconnects of long-life solar arrays in low-earth orbit
Wang et al. Effect of temperature on the tensile deformation behavior and fracture mechanism of a transient liquid-phase bonding joint of γ′-strengthened Co-based single-crystal superalloy
Keshavarz et al. A Comparison of weldability, structure, and mechanical properties of CM64 and Tribaloy T-800 welds for hard-facing of turbine blades
Ju et al. Stress driving element redistribution and rafting of γ′ phase in Ni–Al–Mo superalloy
Mitra Structural intermetallics and intermetallic-matrix composites: An introduction
Laux et al. Advanced braze alloys for fast epitaxial high-temperature brazing of single-crystalline nickel-base superalloys
Kumar et al. Analyzing dynamic strain aging and yield strength anomaly in IN740H, a nickel-based superalloy comprising low volume fraction of γ′
CN112071375A (zh) TiAl基高温合金材料设计方法
Amirjan et al. Direct metal deposition of IN625 on IN738LC superalloy: microstructure and crack analysis
Wang et al. Effects of doping Ti3SiC2 with Al on interfacial microstructural evolution, growth kinetics and mechanical properties of Ti3SiC2/TiAl joints
Shi et al. Diffusion bonding of FGH98 superalloy and DD5 single crystal using pure Ni interlayer
Prashar et al. Superalloys for high-temperature applications: An overview

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Li Yongsheng

Inventor after: Jin Shengshun

Inventor before: Jin Shengshun

Inventor before: Li Yongsheng

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant