一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统，涉及数值模拟和材料加工交叉技术领域，方法包括：基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据从铸态单晶高温合金试样中提取的元素浓度分布，确定铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布；采用相场法对铸态单晶高温合金试样进行固溶热处理模拟，以得到初熔温度下保温一个模拟时间步长的元素浓度分布，并标记为处理后元素浓度分布，确定各元素的偏析系数；当所有元素的偏析系数均处于预设范围内时，将所有初熔温度及对应的当前模拟时间标记为热处理模拟结果，然后确定铸态单晶高温合金试样的实际固溶热处理制度

【技术实现步骤摘要】
一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及数值模拟和材料加工交叉
，特别是涉及一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统
。

技术介绍

[0002]单晶高温合金具有较高的强度和韧性，良好的抗氧化性和抗腐蚀性，良好的加工性能和优异的高温综合性能，是制备先进航空发动机涡轮叶片的首选材料
。
单晶高温合金通常采用定向凝固方法制备，其铸态组织中存在枝晶间相和微观偏析
(
元素分布不均
)
，这对高温力学性能是不利的
。
为溶解枝晶间相
、
减轻微观偏析，以获得均匀的单一组织，必须进行固溶热处理
。
固溶过程中温度选择尤为重要，温度低，减轻微观偏析需要大量时间且二次相很有可能无法溶解；而温度高，虽然能在较短时间内溶解二次相和减轻微观偏析，但会造成初熔，即局部熔化，形成固溶孔洞，固溶孔洞会严重削弱合金的高温力学性能
。
[0003]为提高热处理效率，需要确保在不发生初熔的条件下尽可能采用高的固溶热处理温度
。
因此，固溶热处理温度需要低于初熔温度
。
然而，初熔温度不是固定值，随着固溶热处理过程进行，微观偏析减轻，初熔温度会不断升高
。
初熔温度的局域性和变化性使得固溶热处理设计变得复杂
。
传统设计固溶热处理制度的方法是实验法
。
在实验方法中，通常会多次调整保温温度和保温时间，再通过组织表征观察是否发生初熔，以期获得优化的固溶热处理制度
。
例如文献“H.T.Pang,L.J.Zhang,R.A.Hobbs,H.J.Stone,C.M.F.Rae.Solution heat treatment optimization of fourth
‑
generation single
‑
crystal nickel
‑
base superalloys[J].Metall.Mater.Trans.A.,2012,43A:3264
‑
3282.”利用实验方法优化了第四代镍基单晶高温合金
LDSX
‑
6B
和
LDSX
‑
6C
的固溶热处理制度
。
然而，试错型的实验方法耗时耗力，且设计的固溶热处理制度不具有普遍适用性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统，通过模拟结果设计单晶高温合金的固溶热处理制度，具有耗时短
、
效率高
、
成本低的优点
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法，包括：
[0007]从铸态单晶高温合金试样中提取元素浓度分布；
[0008]基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布；
[0009]将所述固相线温度分布中的最低固相线温度，标记为初熔温度，同时确定当前模拟时间；
[0010]基于所述初熔温度，采用相场法对所述铸态单晶高温合金试样进行固溶热处理模拟，以得到所述初熔温度下保温一个模拟时间步长的元素浓度分布，并标记为处理后元素浓度分布；
[0011]基于所述处理后元素浓度分布，确定各元素的偏析系数；
[0012]当任一元素的偏析系数未处于预设范围内时，将所述元素浓度分布更新为所述处理后元素浓度分布，并返回基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布的步骤；
[0013]当所有元素的偏析系数均处于预设范围内时，将所有所述初熔温度及对应的当前模拟时间标记为热处理模拟结果；
[0014]基于所述热处理模拟结果，确定所述铸态单晶高温合金试样的实际固溶热处理制度
。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计系统，包括：
[0016]元素浓度分布提取模块，用于从铸态单晶高温合金试样中提取元素浓度分布；
[0017]固相线温度分布确定模块，用于基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布；
[0018]初熔温度确定模块，用于将所述固相线温度分布中的最低固相线温度，标记为初熔温度，同时确定当前模拟时间；
[0019]固溶热处理模拟模块，用于基于所述初熔温度，采用相场法对所述铸态单晶高温合金试样进行固溶热处理模拟，以得到所述初熔温度下保温一个模拟时间步长的元素浓度分布，并标记为处理后元素浓度分布；
[0020]偏析系数确定模块，用于基于所述处理后元素浓度分布，确定各元素的偏析系数；
[0021]固溶模拟迭代模块，用于当任一元素的偏析系数未处于预设范围内时，将所述元素浓度分布更新为所述处理后元素浓度分布，并返回基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布的步骤；
[0022]模拟结果确定模块，用于当所有元素的偏析系数均处于预设范围内时，将所有所述初熔温度及对应的当前模拟时间标记为热处理模拟结果；
[0023]固溶热处理制度确定模块，用于基于所述热处理模拟结果，确定所述铸态单晶高温合金试样的实际固溶热处理制度
。
[0024]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0025]本专利技术公开一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法及系统，从铸态单晶高温合金试样中提取元素浓度分布，进而确定固相线温度分布；将固相线温度分布中的最低固相线温度，标记为初熔温度，同时确定当前模拟时间，然后采用相场法进行固溶热处理模拟，从而可以实时观察单晶高温合金在固溶热处理过程中的元素扩散过程，得到初熔温度下保温一个模拟时间步长的元素浓度分布，进而确定各元素的偏析系数；当所有元素的偏析系数均处于预设范围内时，将所有初熔温度及对应的当前模拟时间标记为热处理模拟结果；最后基于热处理模拟结果，确定铸态单晶高温合金试样的实际固溶热处理制度
。
本专利技术基于元素浓度与固相线温度之间的关系，实现了固溶热处理模拟过程中固溶温度的实时更新，通过一次完整的模拟结果就可以得到优化的固溶热处理制度，相较于现有技术中的试验方法，具有耗时短
、
效率高
、
成本低的优势
。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法，其特征在于，方法包括：从铸态单晶高温合金试样中提取元素浓度分布；基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布；将所述固相线温度分布中的最低固相线温度，标记为初熔温度，同时确定当前模拟时间；基于所述初熔温度，采用相场法对所述铸态单晶高温合金试样进行固溶热处理模拟，以得到所述初熔温度下保温一个模拟时间步长的元素浓度分布，并标记为处理后元素浓度分布；基于所述处理后元素浓度分布，确定各元素的偏析系数；当任一元素的偏析系数未处于预设范围内时，将所述元素浓度分布更新为所述处理后元素浓度分布，并返回基于元素浓度与固相线温度之间的关系，根据所述元素浓度分布，确定所述铸态单晶高温合金试样的固相线温度分布的步骤；当所有元素的偏析系数均处于预设范围内时，将所有所述初熔温度及对应的当前模拟时间标记为热处理模拟结果；基于所述热处理模拟结果，确定所述铸态单晶高温合金试样的实际固溶热处理制度
。2.
根据权利要求1所述的单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法，其特征在于，从铸态单晶高温合金试样中提取出的元素包括：镍
、
钴
、
铬
、
钼
、
钨
、
铝
、
钽
、
钛
、
铌
、
铼
、
钌
、
铪中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法，其特征在于，所述元素浓度与固相线温度之间的关系，以如下函数表示：其中，
T
s
表示固相线温度，
i、j、k
代表单晶高温合金元素，
c
i
、c
j
、c
k
分别表示单晶高温合金元素
i
的浓度
、
单晶高温合金元素
j
的浓度
、
单晶高温合金元素
k
的浓度，
P
i
表示单晶高温合金元素
i
与单晶高温合金元素
i
的交互作用系数，
p
ij
表示单晶高温合金元素
i
与单晶高温合金元素
j
的交互作用系数，
p
ijk
表示单晶高温合金元素
i、
单晶高温合金元素
j
与单晶高温合金元素
k
的交互作用系数，
m
表示单晶高温合金元素
i
与单晶高温合金元素
j
之间交互作用的阶数，
r∈m。4.
根据权利要求1所述的单晶高温合金固溶热处理制度的设计方法，其特征在于，相场法的控制方程为：
F
＝
G/V
m
；
其中，
c
i
、c
j
、c
k
分别表示单晶高温合金元素
i
的浓度
、
单晶高温合金元素
j
的浓度
、
单晶高温合金元素
k
的浓度，
M
ij
表示动力学迁移率，
F
表示系统热力学自由能；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭敏，陈佳，张军，杨敏，赵勇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：