温度梯度下镍基合金沉淀相的转变行为研究(2)
3 模拟结果及其分析 18
3.1不同温度梯度下镍铝合金微观组织演变 18
3.2不同温度梯度下镍铝合金体积分数 21
3.3不同温度梯度下镍铝合金颗粒半径 23
3.4不同温度梯度下镍铝合金颗粒数密度 26
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着航空工业的迅速发展，对飞机发动机的涡轮叶片使用温度要求不断提高，镍基合金由此被广泛应用于航空及航天领域。镍基高温合金具有优良的抗疲劳性能、韧性、表面稳定性、高温蠕变强度、抗氧化和抗热腐蚀性能，其使用温度范围一般在650-1100℃ [1]。因此，目前镍基高温材料被用作先进航空发动机以及工业燃气涡轮叶片等热端承载部件主要材料。在发动机所使用的材料当中，总重量的一半以上被镍基高温合金占据。 温度梯度是器件在工作在高温下的一种普通现象，例如在涡轮发动机超合金叶片，核燃料装置中心的界面，以及电气设备的焊料接头。与温度相关的原子的扩散和相变将受温度梯度的影响，因此物理和材料的力学性能将发生变化。此外，由于不均匀的体积膨胀同时发生的应变也将影响原子扩散和形态。考虑的理论和工程意义，许多研究都集中在原子的扩散和温度梯度系统形态变换[2]。镍基高温合金的主要强化相是Ni3X型( )沉淀相，而镍基体γ相是无序相，具有fcc型结构。负电性相对较强的Ni与正电性相对较强的Al组成Ni3Al，Ni3Al是长程有序的金属间化合物，为Ll2型晶体结构，Ni原子占据面心位置而Al原子占据顶点位置。在十分接近其熔点时仍能保持其结构高度有序[3-5]。图1.1为 相Ni3Al与γ相Ni(Al)的晶体空间结构示意图。在镍基高温合金时效过程中， 有序沉淀相从γ基体无序相里沉淀析出，并且和母相保持共格，因此可以有效阻碍位错运动。镍基合金沉淀相的尺寸、体积分数、空间分布及组织形态是合金的强化程度的主要决定因素。因此，为了提高镍基高温合金性能，研究 相的微观结构以及粗化行为非常重要。因为合金微观结构形成的影响因素很多，所以微观结构的控制将会相对地困难和复杂。为了使材料的微观结构组织达到最佳状态，通常需要大量反复的实验。为了减少重复的实验，节约时间和经费，最理想的办法就是在实验之前运用计算机模拟在各种条件下材料的微观结构组织，探明不同因素影响材料微观结构组织的规律，从而为实验提供重要依据。
相场方法是一种十分有效的模拟与预测材料微观结构演变的工具。它将外部应力、弹性各向异性以及沉淀相的有序化等因素都加以考虑，使我们能更加方便的研究镍基高温合金中 相沉淀过程及不同因素对沉淀过程的作用规律。所以，相场模型可作为模拟镍铝合金中 相沉淀过程的微观组织演变的一种手段，进而为材料微观组织的预测和设计提供了理论上的依据。
Ni3Al(Ll2) Ni(Al) (fcc)
图1.1 相Ni3Al和γ相Ni(Al)的晶体结构
1.2 材料模拟研究方法
计算机模拟技术就是通过计算机模拟真实的系统，再根据实际情况进行的模拟，把计算机模拟的结果和真实系统的实验数据进行比较，从而检验模型准确与否以及通过模型得到的理论解析的简化近似可行性。模拟体系获取的信息比实际实验中的多。甚至在一些情况下，替代实际实验。与此同时，计算机模拟为实验室里无法完成的实验提供了一种非常有效的途径。