体扩散和界面扩散下Ni-Al合金沉淀行为

发布时间：2017-09-07 09:45

  本文关键词：体扩散和界面扩散下Ni-Al合金沉淀行为

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【摘要】：镍基高温合金具有良好的抗疲劳、抗氧化和抗热腐蚀等综合性能,是高温、高压等复杂环境下部件制造关键用材。合金在高温下服役过程中,原子的扩散引起γ'强化相的成分、微观组织变化,导致合金的性能退化。因此,研究合金中原子的扩散对设计、改善和提高合金的性能具有重要意义。本文利用相场方法,分别建立体扩散和界面扩散控制的相场模型。采用周期性边界条件和半隐式傅里叶谱算法,在傅里叶空间中对Ginzburg-Landau和Cahn-Hilliard控制方程求解,模拟Ni-Al合金在不同扩散控制下的丫→γ'有序相沉淀过程,探明γ'的尺寸、体积分数、粗化速率和成分的变化规律。在体扩散控制下,形核阶段,随着扩散的加快,γ'相难以形核,初始核心数量较少。随着时效过程的进行,γ'相通过吸收γ中溶质原子而逐渐长大,基体中溶质原子的过饱和度逐渐减小。粗化阶段,扩散系数越大,γ'相平均半径越大,γ'相的粗化速率加快,γ相中过饱和度减小越快,γ/γ'相间界面宽度越窄。在界面扩散控制下,随着温度的升高、Al浓度的降低以及弹性应变的作用,γ'相达到平衡时的体积分数、平均粒径、粗化速率均减小。此外,与体扩散相比,界面扩散下的γ'相达到平衡时的体积分数、平均粒径、粗化速率都增加。在体扩散控制下,γ'相界面迁移需要溶质原子在基体中的长程扩散,γ'相界面迁移速度较慢；而在界面扩散控制下,γ'相界面迁移仅取决于界面最前沿原子跃过界面γ'相界面迁移速度相对较快。
【关键词】：Ni-Al合金 体扩散 界面扩散 相场 粗化
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.15
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-29
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 计算机数值模拟方法12-16
• 1.2.1 分子动力学方法13-14
• 1.2.2 蒙特卡洛方法14-15
• 1.2.3 元胞自动机方法15
• 1.2.4 第一性原理方法15-16
• 1.2.5 有限元方法16
• 1.3 相场方法16-19
• 1.3.1 基本原理16-17
• 1.3.2 步骤17-18
• 1.3.3 特点18
• 1.3.4 与其他计算机模拟方法的比较18
• 1.3.5 研究进展18-19
• 1.4 镍基高温合金强化机理19-22
• 1.4.1 第二相强化20-21
• 1.4.2 固溶强化21-22
• 1.5 固态相变22-25
• 1.5.1 一级相变和二级相变22-23
• 1.5.2 重构型相变和位移型相变23
• 1.5.3 有核相变和无核相变23-24
• 1.5.4 扩散型相变和非扩散型相变24-25
• 1.6 镍基合金相变过程25-28
• 1.6.1 形核理论25-26
• 1.6.2 生长理论26
• 1.6.3 粗化理论26-28
• 1.7 本文研究内容及创新点28-29
• 2 Ni-Al合金相场模型29-38
• 2.1 相场模型的建立29-32
• 2.1.1 相场控制方程29-30
• 2.1.2 系统总自由能30-32
• 2.1.2.1 化学自由能30-31
• 2.1.2.2 弹性应变能31-32
• 2.2 无量纲化32-34
• 2.3 数值求解34-35
• 2.4 物性参数35-36
• 2.5 模拟思路36-38
• 3 体扩散控制下Ni-Al合金沉淀过程的研究38-51
• 3.1 不同扩散系数下Ni-Al合金微观结构演变38-43
• 3.1.1 χ=0.0004时,Ni-Al合金微观结构演变38-39
• 3.1.2 χ=0.002时,Ni-Al合金微观结构演变39-40
• 3.1.3 χ=0.004时,Ni-Al合金微观结构演变40-42
• 3.1.4 扩散系数对γ'相颗粒平均半径的影响42-43
• 3.2 扩散系数对Ni-Al合金沉淀过程的影响规律43-50
• 3.2.1 扩散系数对Ni-Al合金γ'相序参数的影响43-44
• 3.2.2 扩散系数对Ni-Al合金γ'相成分的影响44-47
• 3.2.3 扩散系数对Ni-Al合金γ'相界面宽度的影响47-48
• 3.2.4 扩散系数对Ni-Al合金粗化过程的影响48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 4 界面扩散控制下Ni-Al合金沉淀过程的研究51-61
• 4.1 浓度对Ni-Al合金沉淀过程的影响规律51-53
• 4.1.1 浓度对Ni-Al合金γ'相体积分数变化的影响51-52
• 4.1.2 浓度对Ni-Al合金γ'相平均颗粒半径的影响52
• 4.1.3 浓度对Ni-Al合金γ'相粗化行为的影响52-53
• 4.2 温度对Ni-Al合金沉淀过程的影响规律53-55
• 4.2.1 温度对Ni-Al合金γ'相体积分数变化的影响53-54
• 4.2.2 温度对Ni-Al合金γ'相平均颗粒半径的影响54
• 4.2.3 温度对Ni-Al合金γ'相粗化行为的影响54-55
• 4.3 弹性能对Ni-Al合金沉淀过程的影响规律55-58
• 4.3.1 弹性能对Ni-Al合金γ'相体积分数变化的影响56
• 4.3.2 弹性能对Ni-Al合金γ'相平均颗粒半径的影响56-57
• 4.3.3 弹性能对Ni-Al合金γ'相粗化行为的影响57-58
• 4.4 扩散类型对Ni-Al合金沉淀过程的影响规律58-60
• 4.4.1 扩散类型对Ni-Al合金γ'相体积分数变化的影响58
• 4.4.2 扩散类型对Ni-Al合金γ'相平均颗粒半径的影响58-59
• 4.4.3 扩散类型对Ni-Al合金γ'相粗化行为的影响59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 结论61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 附录67

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本文编号：808840