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相场法模拟Ni-Al-Cr合金时效时γ’相形貌的演化过程

【摘要】:沉淀强化是Ni基高温合金的主要强化方式,而γ'沉淀相是重要的强化相。根据沉淀强化基本理论,组织结构特征如第二相粒子尺寸、数量、分布是影响强化效应的重要因素。对Ni-Al-Cr三元合金时效过程中γ'沉淀相微观组织形貌以及沉淀动力学的研究将有助于深入理解具有更复杂成分的高温合金强化机制,并为高温合金时效热处理以及提升高温合金性能提供指导。本文建立了耦合CALPHAD方法的三元相场模型,同时通过耦合经典形核理论定量模拟了 Ni-5.2Al-14.2Cr at.%合金在873 K的等温时效过程。通过耦合弹性应变能,本文对不同弹性能下的Ni-Al-Cr合金体系进行相场模拟。在此基础上,通过改变合金成分,对不同平衡态沉淀相体积分数的Ni-Al-Cr合金体系进行了模拟。本文研究了 Ni-5.2Al-14.2Cr at.%合金873 K时效过程沉淀相形貌的演化过程并定量分析了沉淀动力学。模拟结果显示,γ'沉淀相粒子在整个时效过程中保持球形,随机分布在基体上,早期存在少量粒子融合产生的颈缩形貌。与只存在一种有序相变体的合金体系模拟结果对比显示,丫'沉淀相反相畴界的存在会阻碍早期粒子间的融合。60 h的时效沉淀过程可以根据主导机制分为四个阶段:形核阶段,过渡阶段,准粗化阶段,纯粗化阶段。进一步将模拟结果与实验结果对比显示,相场模拟基本再现了实验中观察到的形核、生长、粗化过程,同时沉淀动力学也与实验基本一致。通过耦合弹性能,本文研究了弹性能对沉淀相形貌的影响。模拟结果显示,弹性应变能对沉淀相粒子形貌有明显影响:弹性能的存在会使得沉淀相粒子逐渐由圆形转变为方形或长方形;同时弹性能会使得粒子沿着两个弹性软方向对齐,最终形成实验观察到的不连续筏状形貌。通过改变弹性能的大小,本文研究了弹性应变能对Ni-Al-Cr合金沉淀动力学的影响。模拟结果显示弹性能的存在会使得沉淀过程产生分段现象,第一段的沉淀动力学基本满足Ostwald粗化理论的立方定律,第二阶段的沉淀动力学则会发生偏离立方定律,弹性能的存在会减缓这一阶段的粗化过程。通过对三种不同成分的Ni-Al-Cr合金的相场模拟,本文研究了强弹性能体系内,沉淀相体积分数对沉淀动力学的影响。模拟结果显示,不同沉淀相体积分数下,沉淀动力学基本满足Ostwald粗化理论的立方定律;体积分数越大,粗化率常数越大。

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