NiAl合金时效沉淀相微观组织研究(2)
温合金常被用作先进航空航天发动机等高温动力系统部件的主要材料[2-5]。为了制造更加先进
的航空发动机，需要我们进一步强化作为叶片材料的镍基高温合金的高温性能。现在，许多
科学家都在研究镍基高温合金的强化，通过添加其他元素或者通过热处理的方式来提高镍基
高温合金的物理性能。在镍基合金中加入 Al 元素可以制备 NiAl 合金，对其进行时效处理后
可以得到有序沉淀相γ′，该沉淀相在接近其熔点的温度时仍可以保持其高度有序的排列[6-8]，
高温性能突出。通过对镍基高温合金进行沉淀强化处理，γ′有序沉淀相从γ无序基体相中沉淀
析出,γ′析出相镶嵌在γ基体中，可以有效地阻碍位错运动，从而使合金性能得到强化。了解镍
基合金沉淀相的组织结构是强化合金性能的关键。因此,为了提高镍基高温合金的性能，我们
要对γ′相的微观结构演变以及粗化行为进行深入的研究。 由于对镍基合金沉淀组织微观结构的
影响因素较多，实验室实验条件难以控制。为了减少实验次数，节约人力物力，我们选择用
计算机模拟各种因素对沉淀组织结构的影响， 初步了解各种外部条件对微观组织的影响规律，
为我们实际实验提供理论指导。
1.2 研究方法
1.2.1 计算机模拟
目前计算机模拟技术在材料学的研究中得到了广泛的使用，例如在材料学的设计中的，
可以利用计算机程序模拟新材料的组分，分析材料的结构和性能，从而可以方便地设计出具
有特定成分的新材料。计算机模拟技术在材料学中的大量使用，让我们不必在实验室中进行
大量的重复试验就可以获得特定的材料，大大节省了人力和物力，让我们可以用较少量的实
验就能来验证来我们的材料设计[9]
1.2.2 相场法概述
相场法是一种以动力学理论和经典热力学为根基的模拟方法[10-13]。相场法采用扩散界面
模型,这方便了我们研究任何形态的晶界演化。 相场法可以直接解释各种微观结构变化的驱动
力,例如弹性应变能、体自由能或电磁能等。相场法利用偏微分方程来描述晶体微观组织结构
的演化，它通过引入场变量将复杂的组织作为一个整体来研究，使研究难度大大降低度。这
些场变量包括浓度场、晶体场、温度场及化学场等,其在不同的坐标系上有不同的值[14]
。表征
多相材料结构的长程有序参数场和表示成分分布的浓度场是我们平时最常用的场变量。 目前,相场方法在模拟材料微观组织演变领域广为使用。 随着计算机技术的飞速发展,相场模拟使用
空间得到了进一步的扩大。
1.2.2.1 相场法的特点
相场方法具有较广的使用范围，被广泛地用于材料学的研究中。与其它模拟方法相比,
相场法具其独特之处[15]:（1）相场法通过场变量可以简洁清晰地表示出任何组织的形貌。
（2）相场法可在同一个数学和物理模型下模拟形核、长大、粗化等相变过程,同时可以
加上各种热力学驱动力的影响,利用该方法可以研究内部场和外加场对组织的影响。
（3）Cahn-Hilliard 扩散方程可以简单清楚地表征不同材料和不同变化过程中的长程扩
散现象。
（4）相场法是一种简单的模拟方法，可以在二文或者三文系统中使用。
1.2.2.2 相场法模拟的步骤
利用相场法可以模拟材料的成分结构变化,其步骤主要为:
(1)选择适当的相场变量,构造适合研究材料的函数。
(2)根据所选用的相场变量及模拟需要的序参数,构造符合体系的自由能函数。
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