一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法

摘要

本发明公开了一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法，涉及涂层设计领域，所述方法，包括：采用热动力学方法对目标合金和待制备涂层在长期服役过程中的相组成、相变化和成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到模拟参量；根据模拟参量对待制备涂层的成分进行调整，得到待制备涂层的调整后的成分；采用相场模拟方法对目标合金和待制备涂层在长期服役过程中的微观组织形貌变化进行模拟，得到析出相的形状演变；根据析出相的形状演变对待制备涂层调整后的成分进行修正，得到待制备涂层的最终成分。本发明能提高涂层成分优化的效率和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及涂层设计领域，特别是涉及一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法。

背景技术

高温合金被广泛用于航空发动机中的涡轮转子叶片和导向叶片，面对使用温度的不断提升，在高温合金的外部设置高温防护涂层能够有效提高高温合金的抗氧化性和抗腐蚀性。

由于涂层和高温合金衬底通常在成分上存在差异，高温扩散过程中易导致结构破坏，造成重大的损失，为此，在实际生产过程中，需要针对不同高温合金成分、使用的环境重新优化设计涂层成分，而目前仅依靠实验方法，耗时耗力，同时现有的模拟手段没有充分考虑涂层对高温合金衬底的不利影响，可靠性低。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法，以提高涂层成分优化的效率和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法，包括：

确定目标合金的成分；

根据所述目标合金的使用环境确定所述目标合金上的待制备涂层的成分；

采用热动力学方法对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的相组成、相变化和成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到模拟参量；所述长期服役过程的时长不小于设定时长；

根据所述模拟参量对所述待制备涂层的成分进行调整，得到所述待制备涂层调整后的成分；

采用相场模拟方法对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的微观组织形貌变化进行模拟，得到析出相的形状演变；

根据所述析出相的形状演变对所述待制备涂层调整后的成分进行修正，得到所述待制备涂层的最终成分。

可选地，所述采用热动力学方法对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的相组成、相变化和成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到模拟参量，具体包括：

采用Thermo-Calc软件分别计算所述目标合金和所述待制备涂层的相图；

基于所述相图，对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的相组成和相变化进行模拟，得到第一模拟量；所述第一模拟量包括：所述目标合金的相组成、所述目标合金的相变化、所述待制备涂层的相组成和所述待制备涂层的相变化；

采用Dictra软件对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到元素扩散模拟量；所述模拟参量包括所述第一模拟量和所述元素扩散模拟量。

可选地，所述根据所述模拟参量对所述待制备涂层的成分进行调整，得到所述待制备涂层调整后的成分，具体包括：

根据所述模拟参量确定目标元素；所述目标元素包括所述待制备涂层的成分中扩散距离大于设定距离的元素和所述待制备涂层的成分中析出不利相的元素；

对所述目标元素进行调整，得到所述待制备涂层调整后的成分。

可选地，所述根据所述析出相的形状演变对所述待制备涂层调整后的成分进行修正，得到所述待制备涂层的最终成分，具体包括：

根据所述析出相的形状演变确定所述待制备涂层中形成不利形状相的成分；

对所述待制备涂层中形成不利形状相的成分进行调整，得到所述待制备涂层的最终成分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种基于热动力学模拟的涂层成分优化方法，采用热动力学方法对目标合金和待制备涂层在长期服役过程中的相组成、相变化和成分中各元素的扩散情况进行模拟，从而对待制备涂层的成分进行调整；采用相场模拟方法对目标合金和待制备涂层在长期服役过程中的微观组织形貌变化进行模拟，根据析出相形状演变实现对待制备涂层的成分进一步修正。本发明在优化涂层成分时，采用热动力学方法和相场模拟方法相互配合，相比于仅依靠实验方法，提高涂层成分优化的效率；充分考虑涂层与合金中的元素扩散、相组成和析出相形状演变，能够有效提高涂层成分优化的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于热动力学模拟的涂层成分优化方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

针对现有技术的不足，利用相场模拟方法和热动力学方法相配合来进行涂层成分设计是十分有必要的。

图1为本发明实施例提供的基于热动力学模拟的涂层成分优化方法的流程图。参见图1，所述方法，包括：

步骤101：确定目标合金的成分。其中，目标合金为需要设计涂层的合金，即未制备涂层的合金。目标合金可以根据需要选定，在此不做限定。

步骤102：根据所述目标合金的使用环境确定所述目标合金上的待制备涂层的成分。具体的，根据所述目标合金的使用环境确定所述目标合金上的待制备涂层的组成元素及各元素的含量范围，得到待制备涂层的成分。

步骤103：采用热动力学方法对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的相组成、相变化和成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到模拟参量。其中，所述长期服役过程的时长不小于设定时长。例如，设定时长为200小时。

所述步骤103，具体包括：

1)采用热动力学软件(例如，Thermo-Calc软件)分别计算所述目标合金和所述待制备涂层的相图。

2)基于所述相图，对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的相组成和相变化进行模拟，得到第一模拟量；所述第一模拟量包括：所述目标合金的相组成、所述目标合金的相变化、所述待制备涂层的相组成和所述待制备涂层的相变化。

3)采用热动力学软件(例如，Dictra软件)对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的成分中各元素的扩散情况进行模拟，得到元素扩散模拟量；所述模拟参量包括所述第一模拟量和所述元素扩散模拟量。

步骤104：根据所述模拟参量对所述待制备涂层的成分进行调整，得到所述待制备涂层调整后的成分。

所述步骤104，具体包括：

根据所述模拟参量确定目标元素；所述目标元素包括所述待制备涂层的成分中扩散距离大于设定距离的元素和所述待制备涂层的成分中析出不利相(例如，镍基单晶高温合金中的拓扑密排相)的元素；对所述目标元素进行调整(如：若涂层中的某一元素的扩散距离大于设定距离，就需要降低该元素的含量；若该涂层成分造成了不利相的析出，需调整成分直到不再析出不利相)，以实现对涂层成分的优化，减小元素扩散，降低不利相析出，从而得到所述待制备涂层调整后的成分。

步骤105：采用相场模拟方法对所述目标合金和所述待制备涂层在长期服役过程中的微观组织形貌变化进行模拟，得到析出相的形状演变。

步骤106：根据所述析出相的形状演变对所述待制备涂层调整后的成分进行修正，得到所述待制备涂层的最终成分。

所述步骤106，具体包括：

根据所述析出相的形状演变确定所述待制备涂层中形成不利形状相(例如针状、条状等不利形状相)的成分；对所述待制备涂层中形成不利形状相的成分进行调整(如：将所述待制备涂层中形成不利形状相的成分去除或含量降低)，从而筛选出不会降低合金性能的组织形貌，得到所述待制备涂层的最终成分。

下面以镍基高温合金为例，对上述实施例基于热动力学模拟的涂层成分优化方法进行详细说明。

步骤S1，获取未制备涂层前的镍基高温合金成分。

例如成分(w.t.％)：Ni-5Al-2Cr-3Re-5Mo-4Ta(不局限于一种合金)。

步骤S2，针对具体的使用环境，例如针对镍基高温合金需要抗氧化和抗腐蚀，并考虑与合金衬底的适配性，选择Ni、Al、Cr为涂层成分的主要元素。成分范围(w.t.％)：8～12％Al，18～22％Cr，Ni为100％减去其他元素重量百分比之和。

步骤S3，分别获取合金和涂层成分中的相图，模拟长期服役过程中的元素扩散情况，及涂层和合金的相组成和相变化，根据元素扩散情况、相组成和相变化对涂层成分进行调整。

具体的，采用Thermo-Calc软件分别计算涂层和合金的相组成，采用Dictra软件模拟高温下服役200小时以上元素的扩散，及相组成和相变化，优化涂层成分，使元素扩散距离小于设定距离以及对析出不利相的元素进行调整。

步骤S4，采用相场模拟方法，模拟高温下服役200小时以上组织形貌的变化，进一步筛选出合适形状的析出相，使合金不产生/少产生不利形状的析出相。

结果表明，本发明方法成本低、效率高，可用于涂层的成分优化设计。

本实施例的基于热动力学模拟的涂层成分优化方法，具有如下优点：

1)采用热动力学方法和相场模拟方法相互配合，相比于仅依靠实验方法，提高涂层成分确定的效率；充分考虑涂层与合金中的元素扩散、相组成和析出相形状演变，能够有效提高涂层成分优化的可靠性。

2)能针对不同合金，自适应设计相应涂层成分。

3)采用热动力学方法和相场模拟方法相互配合，实现了计算模拟的方法优化涂层成分，成本较低，能快速筛选出几种合适的涂层。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。