[发明专利]一种异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法

说明书

本发明提出了一种异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法，包括：建立金属间化合物演变模拟的概念模型；建立金属间化合物演变模拟的微观相场计算模型；定义金属间化合物演变模拟的初始条件；定义金属间化合物演变模拟的计算域、空间步长和边界条件；建立金属间化合物演变模拟的热力学、动力学和晶体学数据库；求解相场计算模型，获得金属间化合物演变模拟的计算结果。本发明所述模拟方法从微观尺度上研究固相焊界面金属间化合物的演变行为，对掌握焊接工艺对金属间化合物的影响规律，实现多尺度组织特征的一体化预测和调控，丰富和发展异种金属材料在复杂焊接条件下(中低温、高速大变形)的界面、扩散及相变理论具有重要意义。

技术领域

本发明涉及焊接接头微观组织模拟技术领域，尤其涉及一种异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法。

背景技术

铝/镁、铝/钛、铝/钢、铝/铜等异种合金焊接在航空航天、军事装备、轨道交通等制造领域具有大量实际和潜在应用需求。固相焊接满足了轻质合金结构连接对于质量、精度和性能的综合要求，成为产品制造的关键加工手段。当异种材料固相焊界面上有金属间化合物脆性相产生时，接头往往表现出较差的力学性能。因此，研究异种合金固相焊界面金属间化合物的生成规律，进而对其控制，具有非常重要的现实意义。

异种合金焊接界面金属间化合物的生成及长大是一个复杂的界面反应冶金物理过程，涉及热力学、动力学和晶体学问题。从热力学角度讲，只有局部固溶体的原子浓度达到过饱和溶解度时，才能满足金属间化合物相变自由能降低的条件。在过饱和固溶体转变为金属间化合物的过程中，局部共存的两相之间化学势是相等的，因此，金属间化合物演变伴随着原子在两相之间的扩散和再分配，是一个典型的局部动态平衡过程。从动力学角度讲，在金属间化合物演变过程中，原子扩散和界面反应同步耦合进行，因此从数学上准确描述该过程需要全面解析原子扩散、界面反应以及两者之间的耦合关系。从晶体学角度讲，相变过程涉及晶体结构的变化，两相界面上存在晶格畸变引起的界面能，同时原子扩散和相界面迁移具有各向异性特征。

对于异种合金焊接界面金属间化合物，以往大多只考虑热力学、动力学、晶体学的某个方面，进行孤立且简单的研究。比如，异种合金焊接接头金属间化合物(IMC)演变动力学通常采用经验解析公式W＝ktⁿ描述，当指数n为1、1/2、1/3时，演变过程分别受反应速率、体扩散和晶界扩散控制。由于相变热力学、扩散动力学、界面迁移动力学的复杂性以及IMC演变过程的动态变化，同一材料体系不同焊接工艺在不同时间会遵循不同的演变规律，在原子扩散和界面迁移动力学相对大小不确定时，通过有限的试验数据，得出IMC演变受界面或扩散控制在理论逻辑上并不严谨。有些学者为了实现更精确的计算，考虑异种金属互扩散系数、界面IMC层以及晶界原子互扩散系数，对于异种合金互扩散采用有限差分算法建模，获得界面处原子浓度随时间瞬时演变在空间上的连续分布，但仍无法全面描述IMC演变的热力学、动力学规律和微观形貌特征。

近年来，随着计算机技术的快速发展及相变理论的不断完善，相场法在相变微观组织计算机模拟方面取得了蓬勃发展。其主要思想为对于组织状态变量采用连续函数表达，通过能量驱动系统内发生组织演变。基于相场框架，统一地考虑相变热力学、动力学和晶体学特征，能够对界面位置的组织演变进行瞬态、精细表征。在焊接领域，目前已经成功开展了晶粒长大和再结晶、熔化焊接头熔池结晶、搅拌摩擦焊接头焊核区动态再结晶、微连接焊点钎料/铜盘界面金属间化合物演变、粉末床熔融增材过程晶粒演变等的相场模拟，但异种金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟还未见报道。

如上所述，金属间化合物演变涉及原子扩散、有序化转变、晶粒形核和长大。不同材料体系、不同工艺固相焊界面金属间化合物演变过程是复杂的，试验研究数据具有较大分散度且缺乏科学深度，因此，亟需建立统一的相场模拟框架，以模拟为纽带整合金属间化合物演变热力学、动力学和晶体学特征数据库，通过相场模拟获得特定材料、特定工艺条件下界面金属化合物的瞬时演变动力学规律和晶体学形态，阐明IMC演变的主要影响因素和影响规律，从而为异种金属固相焊界面组织调控提供科学指导。

发明内容