[发明专利]单晶高温合金的组织和缺陷的模拟方法

说明书

本发明提供一种单晶高温合金的组织和缺陷的模拟方法，以介观相场法为框架，利用描述原子扩散的模拟方程模拟成分变化，利用描述原子局部有序‑无序的转变的模拟方程模拟序参量变化，利用描述位错密度的模拟方程模拟位错变化，利用描述位错攀移的模拟方程模拟空位变化。本发明方法在介观尺度内实现了组织和缺陷的共同演变，降低了建模和数值运算的工作量，而且能够解析组织和缺陷的相互作用机制。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种单晶高温合金组织和缺陷的模拟方法。

背景技术

单晶高温合金是航空发动机叶片的首选材料，其变形和损伤机理本质上表现为由微观组织(主要为γ/γ'相)和缺陷(主要为空位和位错) 的相互作用，因此，定量描述单晶高温合金组织和缺陷的同时演变，是正确揭示叶片变形和损伤机理的前提和基础。

航空发动机运行时，叶片在高温低应力环境中变形，现有实验技术手段只能观察变形中断后的静态组织和缺陷，无法实现观测高温变形过程中的组织和缺陷，需借助计算模拟手段。而目前没有一种模拟方法能够模拟高温变形过程中真实的γ/γ'相演化，并耦合空位和位错，因此无法实现组织和缺陷的同时演变。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶高温合金组织和缺陷的模拟方法，解决现有模拟方法不能同时模拟高温变形过程中组织和缺陷的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种单晶高温合金的组织和缺陷的模拟方法，其特征在于，包括：

确定模拟物理量：以所述单晶高温合金γ/γ'相中掺杂元素i的摩尔分数、第k个序参量、位错密度、空位密度为模拟物理量；

根据所述模拟物理量，利用如下公式计算所述单晶高温合金的自由能，

式中，F表示自由能，f^chem表示化学自由能，f^el表示弹性能；表示摩尔分数，表示第k个序参量，表示滑移系m的正刃型位错密度，表示滑移系m的负刃型位错密度，表示空位密度；

根据所述自由能，利用模拟方程模拟所述单晶高温合金的组织和缺陷；其中，利用模拟方程模拟所述单晶高温合金的组织和缺陷包括：利用描述原子扩散的模拟方程模拟成分变化，利用描述原子局部有序-无序的转变的模拟方程模拟序参量变化，利用描述位错密度的模拟方程模拟位错变化，利用描述位错攀移的模拟方程模拟空位变化。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述化学自由能包括体积自由能和梯度自由能。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述计算单晶高温合金的自由能包括：利用如下方程计算所述体积自由能：

式中，f^bulk表示体积自由能，表示γ相的自由能，表示γ'相的自由能，为插值函数。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述计算单晶高温合金的自由能包括：利用如下方程计算所述梯度自由能：

式中，f^grad表示梯度自由能，K_φ表示梯度自由能系数。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述计算单晶高温合金的自由能包括：利用如下公式计算所述弹性能：

式中，ε^el表示弹性应变，σ表示应力，ε^el和σ满足胡克定律。