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2.3.3 Ni-Al 合金物性参数 .. 12
2.3.4 数值模拟流程 12
3 模拟结果及其分析 ... 14
3.1 弹性应力下 Ni-Al 合金不同温度的微观组织演变 14
3.1.1 T=1180K 时Ni-Al合金微观组织演变 . 14
3.1.2 T=1160K 时Ni-Al合金微观组织演变 . 14
3.1.3 T=1140K时Ni-Al合金微观组织演变 . 16
3.1.4 T=1120K时Ni-Al合金微观组织演变 . 17
3.2 温度对Ni-Al 合金沉淀过程的影响规律 19
3.2.1 温度对 γ′ 相成分的影响 19
3.2.2 温度对 γ′ 相序参数的影响 .. 20
3.2.3 温度对 γ′ 相体积分数变化的影响 22
3.2.4 温度对 γ′ 相粗化行为的影响 23
结 论 .. 25
致 谢 .. 26
参考文献 .. 27
1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着航空工业的发展，对飞机发动机涡轮叶片的使用温度要求越来越高，镍基合金被广泛应用于航空、航天领域。镍基高温合金具有优异的抗疲劳性能、韧性、高温蠕变强度、表面稳定性、抗氧化和抗热腐蚀性能，其使用温度一般在 650-1100℃范围之内。 “因此，目前被用作先进航空发动机和工业燃气涡轮叶片等热端承载部件的主要用材”[1-2]。另外，据有关数据显示，在发动机现用材料当中，镍基高温合金的使用量占一半以上。 镍基高温合金的主要强化相是 Ni3X 型的沉淀相，对于 Ni-Al 合金，其对应的强化相沉淀为 Ni3Al(即 γ′ 相)。Ni3Al 是一种具有 L12型有序面心立方结构的金属间化合物[3-5]，当温度接近其熔点的时候，它会保持高度有序的状态。至于 Ni-Al 合金的基体相 NiAl（即 γ 相），它是类似于体心立方的 B2结构[6-7]，熔点高，密度低，热导率大，具有优异的抗氧化能力。由于Ni-Al 合金时效时，有序的γ′ 沉淀相从无序的γ 基体相中沉淀析出，并且与母相保持共格关系，能够有效的阻碍位错的运动，因此 γ′ 相沉淀行为的研究对于提高镍基高温合金的性能非常重要。 虽然对于该沉淀相进的研究已经相当多[8-12]，但基于研究条件的限制，多集中在实验方面。实验方法主要是依据后期的形貌来判断合金的沉淀机制，然而随着科研条件的改善和研究的深入，发现仅仅根据后期形貌来判断沉淀机制并不充分。当第二组元与基体原子尺寸相异时，因为沉淀相与母相晶格参数的不同，为了保持共格关系，新相附近就会产生一定应变场， 从而产生长程弹性交互作用， 对于沉淀相颗粒的形状、空间分布状况和整个沉淀过程都有较为显著的影响[13-15]。此时，用计算机模拟方法可相对方便地再现镍基高温合金沉淀动力学过程。因此，为了减少实验的重复，从而节约经费和时间，最理想的方法是在实验之前采用计算机模拟不同条件下材料的微观结构组织，以探明各种因素对材料微结构组织的影响规律，从而为实验提供重要指导。
1.2 相场法微观组织模拟 相场方法模拟的微观结构由大量晶粒组成，晶粒的形貌和分布由时间、空间的连续函数和场变量来描述。在晶粒中，相场变量是与晶粒的结构、取向和成分有关的定值。相场模型中，微结构演变通常采用一系列空间上连续变化的相场变量来分析，这些场变量包含有化学场、晶体场、结构场、浓度场及温度场等，源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 其在不同的坐标上具有不同的值。我们最常用的场变量是表示成分分布的浓度场以及表征多相材料结构的长程有序参数场。 相场方法以其稳固的理论基础和普遍适用性广泛应用于材料科学中的组织凝固、固态相变、晶粒生长和显微组织等领域。相比于其它微观组织模拟方法，相场法具有很明显的优势：通过引入一个连续扩散界面层来描述相界，可以克服经典理论中相界必须是明锐界面的局限性，同时，它还可以描述形核、长大和粗化以及相分离等过程；另外，还可以应用到微观层次上的计算，比如描述相变过程中发生的分散沉淀物的Ostwald 熟化、原子有序化、浓度分层以及反相畴界运动等现象，并且模拟的计算量相对较小[16]。 利用相场法模拟材料的微观组织变化一般分为五步：(1)选择合适的相场变量，构造合适的插值函数研究材料的特定组织；(2)根据所选择的相场变量以及描述相变过程所需的序参数场，通过基本热力学和系统的对称性来构造体系的自由能函数； (3)根据实验数据或计算结果来确定自由能函数的相关物性参数；(4)根据能量守恒和质量守恒，建立序参数场的动力学控制演化方程。根据动力学方程 Landau inzburg G，建立非守恒序参量场的动力学控制方程；(5)选择合适的初始条件以及边界条件对场动力学控制方程进行数值求解。