一种基于粗化动力学的镍基单晶合金γ'相的评估方法

本发明属于合金稳定性分析，涉及一种基于粗化动力学的镍基单晶合金γ'相的评估方法。

背景技术：

1、镍基单晶高温合金因其卓越的高温性能而备受瞩目，是制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的首选材料，具有高温强度高、组织稳定及铸造工艺性能好等优点。推重比是航空发动机性能的重要指标，而提高涡轮进口温度是提高推重比的主要途径之一。然而，当前镍基单晶高温合金的发展尚不足以完全满足更高涡轮进口温度的需求。因此，关键的提升途径在于高效的涡轮叶片冷却技术，而重要冷却方式之一的气膜冷却可以保证发动机的可靠运行。镍基单晶合金的微观组织以γ基体和γ'强化相为主要特征，高温服役条件下，γ'相的尺寸和分布直接影响材料的蠕变性能、抗氧化性能以及整体服役寿命。然而，复杂的服役环境会导致γ'相发生粗化或溶解等变化，削弱合金的高温性能。此外，为改善涡轮叶片的散热性能，常采用气膜冷却技术，而气膜孔的加工会对叶片的组织演化和微观力学性能造成影响。在实际工作中，涡轮叶片在复杂高温环境下运行，其微观组织形貌的变化以及γ'相的粗化行为成为影响叶片性能和寿命的关键因素。因此，对镍基单晶合金中γ'相尺寸粗化规律的准确评估具有重要意义，能够为优化涡轮叶片材料设计和服役行为预测提供可靠的理论依据。

2、现有技术中，通常通过微观形貌观测以及粗化动力学对镍基单晶合金的微观组织的γ'相尺寸进行统计评估，并使用粗化激活能来描述γ'相粗化行为的能量阈值，但均存在评估不够准确的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于粗化动力学的镍基单晶合金γ'相的评估方法，以解决现有技术中对镍基单晶合金的微观组织的γ'相尺寸及粗化激活能进行统计评估不够准确的技术问题，本发明能够实现镍基单晶合金γ'相尺寸和粗化激活能的准确评估。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于粗化动力学的镍基单晶合金γ'相的评估方法，包括以下步骤：

4、在镍基单晶合金的初始试样上加工出预设角度的气膜孔；

5、对加工气膜孔后的镍基单晶合金试样在预设温度下进行不同预设时间的时效试验；

6、根据时效试验后的初始试样制备得到金相试样；

7、获取金相试样的γ'相的微观组织形貌；

8、根据所述微观组织形貌，统计金相试样中γ'相在不同预设角度及不同时效时间条件下的γ'相平均尺寸数据；

9、结合粗化动力学方程和γ'相平均尺寸数据，拟合建立新的粗化动力学方程，利用新的粗化动力学方程评估γ'相尺寸的粗化规律；

10、根据γ'相强化粗化激活能公式、气膜孔的预设角度和预设温度构建含气膜孔设角度的γ'相强化粗化激活能公式，利用含气膜孔设角度的γ'相强化粗化激活能公式评估γ'相激活能规律。

11、进一步的，所述在镍基单晶合金的初始试样上加工出预设角度的气膜孔，具体如下：

12、用电火花加工工艺，所述在镍基单晶合金的初始试样上加工气膜孔。

13、进一步的，所述预设温度为950摄氏度至1100摄氏度。

14、进一步的，所述预设时间为0小时至600小时。

15、进一步的，所述根据时效试验后的初始试样制备得到金相试样，具体如下：

16、对进行时效试验后对初始试样的平面进行机械打磨和抛光，再经硫酸铜腐蚀液对抛光后的初始试样表面腐蚀，得到金相试样。

17、进一步的，所述获取金相试样的γ'相的微观组织形貌，具体如下：

18、利用扫描电子显微镜对金相试样进行观测，获取合金的微观组织形貌信息。

19、进一步的，所述根据所述微观组织形貌，统计金相试样中γ'相在不同预设角度及不同时效时间条件下的γ'相平均尺寸数据，具体如下：

20、利用sem图像的像素信息对强化相和基体相对微观组织形貌进行二值化分割；

21、对二值化分割后的微观组织形貌进行轮廓识别，提取强化相的形状特征；

22、根据强化相的形状特征进行尺寸测量，统计不同时间的时效实验和不同角度的气膜孔条件下的尺寸数据；

23、根据统计的尺寸数据获取平均尺寸。

24、进一步的，所述结合粗化动力学方程和γ'相平均尺寸数据，拟合建立新的粗化动力学方程，具体如下：

25、根据平均尺寸数据、原粗化动力学方程、粗化速率指数、角度粗化系数、气膜孔角度、角度影响的粗化速率指数、瞬时角度影响系数、瞬时角度影响指数和时效试验的时间构建新的粗化动力学方程。

26、进一步的，所述新的粗化动力学方程具体如下：

27、

28、其中，为立方形/筏形γ′相在时效时的平均尺寸，为粗化速率指数，为角度粗化系数，为气膜孔角度，为角度影响的粗化速率指数，为瞬时角度影响系数，为瞬时角度影响指数，和均为与材料相关的常数，为时效试验的时间。

29、进一步的，所述γ'相强化粗化激活能公式具体如下：

30、

31、其中，为γ'相强化粗化激活能，为常数，为瞬时角度影响系数，为气膜孔角度，为瞬时角度影响指数，为与材料相关的常数，为气体常数，为预设温度。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1、本发明通过在镍基单晶合金的初始试样上加工出预设角度的气膜孔，有助于研究不同角度对γ'相粗化动力学的影响，为后续的时效试验和金相分析提供了基础。对加工气膜孔后的镍基单晶合金试样在预设温度下进行不同预设时间的时效试验；根据时效试验后的初始试样制备得到金相试样，通过适当的切割、磨光和抛光等处理，可以获得清晰、准确的微观组织图像，为后续的观察和测量提供基础；获取金相试样的γ'相的微观组织形貌；根据所述微观组织形貌，统计金相试样中γ'相在不同预设角度及不同时效时间条件下的γ'相平均尺寸数据，为后续的粗化动力学方程的拟合提供了关键数据支持；结合粗化动力学方程和γ'相平均尺寸数据，拟合建立新的粗化动力学方程，利用新的粗化动力学方程评估γ'相尺寸的粗化规律。通过拟合新的粗化动力学方程，可以更加准确地预测和评估γ'相尺寸的粗化规律。根据γ'相强化粗化激活能公式、气膜孔的预设角度和预设温度构建含气膜孔设角度的γ'相强化粗化激活能公式，利用含气膜孔设角度的γ'相强化粗化激活能公式评估γ'相激活能规律，便于对γ'相的激活能规律进行定量评估，有助于理解不同条件下γ'相粗化的难易程度，并为合金的进一步设计和优化提供指导。本发明各个步骤相互关联、相辅相成，共同构成了对镍基单晶合金γ'相粗化行为的全面评估体系。

34、2、本发明通过对进行时效试验后对初始试样的平面进行机械打磨和抛光，去除时效试验后试样表面的氧化层、划痕和其他不平整，使试样表面变得光滑、平整，确保在扫描电子显微镜下观测时能够获得清晰、无干扰的图像。再经硫酸铜腐蚀液对抛光后的初始试样表面腐蚀，从而在试样表面形成清晰的相界，得到金相试样。

35、3、本发明利用sem图像的像素信息对强化相和基体相对微观组织形貌进行二值化分割，通过二值化分割，简化图像信息，提高后续处理的效率和准确性。对二值化分割后的微观组织形貌进行轮廓识别，提取强化相的形状特征，通过轮廓识别，获取强化相的具体形状信息，为尺寸测量提供精确的数据支持。根据强化相的形状特征进行尺寸测量，统计不同时间的时效实验和不同角度的气膜孔条件下的尺寸数据，通过尺寸测量和统计，获取γ'相在不同条件下的尺寸分布和变化趋势，为后续的粗化动力学方程拟合提供数据支持；根据统计的尺寸数据获取平均尺寸，简化数据表示，便于后续的分析和比较。