相场法研究退火条件下含第二相颗粒的高温合金的晶粒生长

摘要

高温合金具有优良的高温强度、热稳定性以及抗热疲劳性能，是国防建设和经济建设中重要材料，也是科学研究中的热门领域。有学者曾提出通第二相颗粒钉扎晶界提高高温合金的强度和硬度等性能，也有学者提出形成柱状晶结构（织构）来增加抗蠕变性能及抗疲劳性能，这些方法都是在实验的基础上总结的，其理论还不够完善;后来著名学者H.J.Frost和I.Baker在前人实验的基础上采用前端追踪法来模拟这两个实验过程，总结出晶界角和晶界迁移率及晶界能量之间的函数关系，理论解释了晶粒组织和强化的关系。本人已学会了前人采用的前端追踪法模拟，并且曾阅读过大量关于高温合金强化的文献。所以本文是在已有理论基础上通过结合材料研究最前沿的模拟方法——相场法，来对高温合金的强化过程及理论作进一步深化。在本论文模拟中将采用包含第二相颗粒在内的晶粒长大的热力学模型，分别从均匀退火和定向退火两个方面来模拟高温合金的晶粒组织变化过程。得出结论:
　　1、第二相颗粒存在于晶界和“三叉晶”位置，在均匀退火过程中，对晶界迁移有钉扎作用。退火温度越高，晶界迁移能量越大，迁移速率越快，越容易摆脱第二相钉扎，晶粒半径越大。
　　2、第二相颗粒对晶粒长大的影响主要取决于第二相尺寸和含量。第二相扩散速率在低范围内变化，颗粒没发生粗化，对晶界具有钉扎作用。第二相含量越高，处于晶内和晶界的第二相颗粒越多，钉扎作用越明显。
　　3、定向退火时，热力学模型参数（移动热区温度、宽度、速度）及第二相颗粒含量对柱状晶形成有显著的影响。其柱状晶的长宽比主要决定于柱状晶的长度。
　　4、柱状晶的晶界可沿着第二相颗粒排列方向生长，且排列间距在一定范围内，可一定程度上改变柱状晶晶界的运动方向，否则影响很小。
　　5、定向退火过程中的柱状晶生长存在竞争关系和合并机制，即粗大的柱状晶在生长过程中抑制了细柱状晶的生长并最终合并，沿轴向生长的柱状晶抑制偏离轴向生长的柱状晶。
　　本论文从模拟的角度展示了高温合金在退火过程中的结构的微小变化，揭示了其变化的机理及与强化变化的关系，对指导高温合金材料的工艺设计具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高温合金的强化的机制及第二相强化研究

1．2．1 高温合金的强化机制

1．2．1 第二相颗粒的强化研究

1．3 高温合金柱状晶的研究

1．3．1 定向凝固技术在柱状晶制备中的研究

1．3．2 定向退火技术的理论及在柱状晶制备中研究

1．3．3 定向退火技术的计算机模拟研究

1．4 问题提出及本文研究内容

1．4．1 本课题组已做工作

1．4．2 问题的提出

1．4．3 选题意义

1．4．4 本文的研究内容

第二章 相场法

2．1 相场法理论以及模型

2．1．1 相场法理论基础

2．1．2 单相相场模型

2．1．3 含第二相颗粒的相场模型

2．2 自由能密度函数的构造和动力学方程

2．2．1 自由能密度函数

2．2．2 动力学方程

2．3 相场法的数值化处理

2．3．1 有限差分法和稳定条件

2．3．2 数据初始化和边界条件

2．3．3 组织可视化

第三章 均匀退火时高温合金晶粒生长

3．1 相场模型的设计

3．1．1 自由能方程以及动力学方程

3．1．2 模拟计算机区域的设计

3．1．3 晶界迁移率以及杂质相的设置

3．2 晶界迁移率Li对高温合金晶粒长大的影响

3．2．1 样品制备和模拟参数的设置

3．2．2 均匀退火时不同迁移率对晶粒生长影响

3．3 第二相扩散速率M对高温合金晶粒长大的影响

3．4 第二相含量f对高温合金晶粒长大的影响

3．5 本章小结

第四章 定向退火时高温合金柱状晶生长

4．1 相场模型的建立

4．1．1 定向退火的移动热区模型

4．1．2 自由能方程及参数的选择

4．2 晶界迁移率Li对高温合金柱状晶生长的影响

4．3 热区移动速率V对高温合金柱状晶生长的影响

4．4 热区宽度W对高温合金柱状晶生长的的影响

4．5 第二相颗粒对高温合金柱状晶生长的影响

4．5．1 第二相颗粒含量f对柱状晶生长影响

4．5．2 平行排列的第二相颗粒对高温合金柱状晶生长的影响

4．6 本章结论

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文