DOC《变温热处理过程的相场模拟及其参数标定》

变温热处理过程的相场模拟及其参数标定 王婵1,石磊2,石多奇1,3,*,杨晓光1,3 (1.

北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100083;

2. School of Engineering, Bernal Institute, University of Limerick, Limerick V94 T9PX, Ireland 3. 航空发动机结构强度北京市重点实验室, 北京 100083) 摘要:为了模拟不同热处理温度下高温合金的晶粒演化行为,对相场模型进行改进,在相场模型中引入了Arrhenius 关系,用于描述高温合金晶界运动与温度的量化关系.基于改进的相场模型和拟合的模型参数,计算分析了热处理过程中晶粒尺寸的变化和形貌演化规律.结果表明,计算数据与试验数据吻合,晶粒的演化规律与理论分析和试验观察结果一致,证明了拟合的Arrhenius关系中的晶界迁移速率M适用于模拟相应温度下的热处理过程,同时,以上结果也验证了该模型改进方法的可行性及其拟合参数的准确性. 关键词:晶粒演化;

相场模型;

Arrhenius 关系;

晶界迁移率;

热处理;

中图分类号:V252.2;

V232.3 文献标识码:A Phase-field modeling of heat treatment process with variable temperature and its parameter calibration WANG Chan1, SHI Lei2, SHI Duoqi1,3,*, YANG Xiaoguang1,3 (1. School of Energy and Power Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;

2. School of Engineering, Bernal Institute, University of Limerick, Limerick V94 T9PX, Ireland 3. Beijing Key Laboratory of Aeroengine Structural Strength, Beijing 100083, China) Abstract: In order to simulate the grain evolution of superalloy at different heat treatment temperatures, the phase field model was improved by introduced the Arrhenius relationship, in order to describe the quantitative relationship between the grain boundary movement and temperature. Based on the improved phase field model and fitted model parameters, the grain average size and morphology evolution of superalloy FGH96 during the longer heat treatment process were simulated, and the simulated results were compared with the experimental results. The results show, the calculated data coincide with the experiment data, the evolution law of grain is consistent with the experimental observation and theoretical analysis. These results prove that the grain boundary mobility M in the Arrhenius relationship is suitable for simulating the heat treatment process at the corresponding temperature. At the same time, the feasibility of the improved method and accuracy of the fitted parameters of the phase-field model are verified. Keywords: Grain evolution;

Phase field model;

Arrhenius relationship;

Grain boundary mobility;

Heat treatment;

1 引言 涡轮盘是航空发动机的关键热端部件,其性能和可靠性直接影响了航空发动机的服役安全性.高性能航空发动机涡轮盘的首选材料为镍基粉末高温合金,与传统铸锻工艺相比,粉末冶金工艺消除了材料的宏观冶金偏析和组织不均匀,把偏析限制在单个粉末颗粒内,同时,粉末高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点,成为推重比8以上高性能发动机涡轮盘的首选材料[].本文研究的涡轮盘的材料为镍基粉末高温合金FGH96. 根据涡轮盘的温度和应力载荷分布,涡轮盘盘心部位工作温度较低,但轮盘中心孔区域周向应力最大,同时还承受涡轮轴的扭矩作用,需要细晶组织以保证足够的拉伸强度和疲劳抗力.另一方面,涡轮盘轮缘部位的工作温度高,且容易在某些局部应力大的区域出现裂纹,需要粗晶组织保证其具有足够的持久、蠕变性能和抗裂纹扩展能力.因此,针对发动机涡轮盘不同部位材料的力学性能要求,出现了轮缘和盘心部位具有不同晶粒尺寸的双性能涡轮盘,其盘心部位的晶粒度(ASTM)约10~12级,盘缘部位的晶粒度(ASTM)约3~6级[].双性能涡轮盘不仅能优化涡轮盘的结构设计,还能更加充分的挖掘、利用涡轮盘合金的力学性能,具有重要的研究意义和价值. 双性能涡轮盘一般采用梯度热处理工艺制备.热处理工艺是一种重要的控制材料微观结构的工艺方法,热处理工艺参数对材料的微观结构具有重要影响,通过改变热处理工艺参数,可有效调节材料的微观结构.通常采用试验的方法研究涡轮盘的热处理工艺,通过不同的热处理试验,建立涡轮盘合金的热处理数据库,为该合金后续的研究和工程应用提供数据支持.但试验法的研究周期长,成本高,尤其是针对热处理数据比较缺乏的材料进行研究时,将耗费更长的研制周期.随着计算材料学的兴起和发展,现已提出、建立了多种模拟金属材料微观结构的计算方法.其中,相场方法因其稳固的理论基础和良好适用性,受到了国内外的普遍关注和发展,已成为模拟材料微结构演化的强有力工具. 目前,对于相场法模拟高温合金晶粒演化的研究,主要侧重于恒温条件下的晶粒演化行为,包括由于晶界移动导致的晶粒长大现象[-]和第二相粒子对晶粒长大的影响[-],缺少变温过程中合金晶粒演化行为方面的研究.魏承炀[]通过假设变温条件下的晶界迁移率在某一方向呈正态分布,计算模拟了合金在退火过程中的非均匀晶粒生长行为,但该模型由于假设条件的限制,不具有普遍适用性,且该模型没有进行试验验证.对于相场法模拟变温过程中合金其他微观结构的演化行为,I. Loginova[]和C. W. Lan[]等人在相场模型中引入与温度相关的合金元素扩散方程,用于模拟合金在凝固过程中的枝晶生长;