一种用于计算三元合金元素高温蒸发热力学-动力学的方法与流程

本发明涉及元素蒸发热力学-动力学计算，尤其涉及一种镍基高温合金真空感应熔炼过程中元素蒸发热力学-动力学的计算方法和应用。

背景技术：

1、合金材料，特别是镍基高温合金，既是航空发动机热端部件、航天火箭发动机各种高温部件的关键材料，又是工业燃气轮机、能源、化工等工业部门所需的高温耐蚀部件材料，是国民经济不可缺少的一类重要材料。近年来，熔体过热技术因其操作简单和低成本逐渐成为合金热处理的一种重要手段。在熔体过热处理过程中，由于熔体处在较大的温度下，合金中的元素往往会有不同程度的挥发，当某种元素挥发程度过大时，其成分就不在该合金的名义成分范围内，会严重影响材料性能。所以，在熔体过热处理的过程中一定要保证各元素的挥发量保持在正常的范围内。

2、在现有的公开资料中，很多学者都对元素蒸发的情况进行了计算，例如王大伟等人《金属及合金的电子束蒸发特性的研究》对电子束蒸发特性的研究中，提及了一种不同温度下计算单质的元素蒸发计算方法，但是此方法没有考虑到热力学、多相场等其他因素，对高温合金蒸发模拟过程的复杂情况是不太适用的。同时，虽然已有资料基于牛顿经典力学模型和md模型，对蒸发过程进行了相关的模拟分析，但其普适性还有待提高。在李赫等人的研究《ni-cr-co三元合金电子束精炼过程中挥发行为研究》中，采用了一种三元系元素蒸发模拟计算方法，其在求取三元系活度时取用多个二元系均等的耦合方式，该方法具有简单易算的优点，但其准确度与实际合金体系仍存在一定差距，主要原因在于热力学-动力学耦合计算的准确度不足。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种用于计算多元合金元素高温蒸发热力学-动力学的方法，旨在耦合计算流体力学和蒸发理论模型，可以更为精准地对蒸发过程进行计算和分析，从而指导合金熔炼工艺的高效生产。

2、为实现上述目的，本发明的目的之一在于提供一种用于计算多元合金元素高温蒸发热力学-动力学的方法，一种用于计算三元合金元素高温蒸发热力学-动力学的方法，包括以下步骤：

3、1)基于hertz-knudsen模型、miedema模型、三元系模型以及蒸发模拟理论计算三元合金中各元素的调节系数coeff；

4、2)基于ansys软件，建立真空感应炉二维轴对称几何模型，并进行网格划分；

5、3)在ansys软件设置真空感应炉和合金的物性参数；

6、4)利用步骤1)-3)得到的参数在ansys软件中设置多相流模型，并利用该模型计算真空感应熔炼过程中的元素蒸发过程；

7、5)根据步骤4)获得的元素蒸发过程绘制某时刻下元素含量分布图，并以此得出某一时间段内元素的蒸发速率。

8、进一步的，所述三元合金为镍基高温合金。

9、进一步的，所述步骤1)中各元素的多相流调节系数coeffn的计算方法为：

10、

11、其中，db是气泡粒径；αn是元素的调节参数，n代表三元合金中的元素i、j、k；m是液体组分的摩尔质量；π是圆周率；r是普适气体常数；t是温度；l是潜热；αv是相体积分数；ρv是气体密度；ρl是液体密度。

12、进一步的，所述步骤1)中元素的调节参数αn的计算方法为：αn＝xn·γ，式中，xn为元素的摩尔分数，γ为活度系数。

13、进一步的，所述步骤1)中活度系数γ计算方法为：

14、

15、式中，为二元系的过剩吉布斯自由能，为二元系在三元系中占比，n代表元素i、j、k，m代表元素i、j、k，且n和m不能同时取同种元素，r表示气体常数，取8.314。

16、进一步的，所述步骤1)中二元系的过剩吉布斯自由能计算方法为：

17、

18、其中：

19、

20、

21、上式中，分别是n、m的熔点；xn、xm分别是n、m的摩尔分数；vn、vm分别是n、m摩尔体积；nwsn、nwsm分别是n、m的电子密度；φn、φm分别是n、m的电负性；μ、p、q、r、a均为经验常数，参数p的取值：过渡元素+过渡元素体系为14.20，过渡元素+非过渡元素体系为12.35，非过渡元素+非过渡元素体系为10.70；参数q的取值，可由q/p＝9.4得出；参数r/p的取值：过渡元素+过渡元素体系为0、过渡元素+非过渡元素体系为(r/p)i×(r/p)j、非过渡元素+非过渡元素体系为0；参数a的取值：液态金属为0.73，固态金属为1；参数μ的取值：单价、碱性金属为0.14，双价金属为0.1，三价金属、au、ag、cu为0.07，其他金属为0.04。

22、进一步的，所述步骤2)中的模型计算域包括合金熔液、坩埚、耐火材料、线圈、冷凝水和保护气体。

23、进一步的，所述步骤3)中设置的设置真空感应炉和合金的参数包括壁面温度、炉内温度、炉内压力、表面张力、密度、粘度、标准状态焓、热容、饱和温度。

24、进一步的，所述步骤4)中设置多相流模型包括：打开ansys软件的能量选项，选用vof或mixture模型，打开体积力选项，设置传质两相，设置表面张力，添加传质原理为蒸发冷凝，调取ansys软件中的lee模型，将步骤1)计算得到调节系数coeff输入到modelconstants选项，并且设置壁面温度、炉内温度、炉内压力和计算步长，即完成多相流模型的建立。

25、进一步的，所述步骤4)中的元素蒸发过程定义为合金液体中的合金元素自合金液体内部传递到合金液体表面的过程。

26、进一步的，所述方法还包括模型验证的步骤

27、本发明的目的之二在于提供一种前述的方法在镍基高温合金工艺设计中的应用。

28、与现有技术相比，本发明所述方法具有如下有益效果：

29、基于本发明的方法，采用hertz-knudsen模型、miedema模型、三元系模型计算三元合金的多相流调节系数，并以此建立多相流场，充分结合三元合金元素蒸发过程的热力学和动力学因素，使得计算结果更贴近实际情况，且计算相对简便，结果可视化效果好。

技术特征：

1.一种用于计算三元合金元素高温蒸发热力学-动力学的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三元合金为镍基高温合金。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中各元素的多相流调节系数coeffn可由蒸发模拟理论得其计算方法为：

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的模型计算域包括合金熔液、坩埚、耐火材料、线圈、冷凝水和保护气体。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中设置的设置真空感应炉和合金的参数包括壁面温度、炉内温度、炉内压力、表面张力、密度、粘度、标准状态焓、热容、饱和温度。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中设置多相流模型包括：打开ansys软件的能量选项，选用vof或mixture模型，打开体积力选项，设置传质两相，设置表面张力，添加传质原理为蒸发冷凝，调取ansys软件中的lee模型，将步骤1)计算得到调节系数coeff输入到modelconstants选项，并且设置壁面温度、炉内温度、炉内压力和计算步长，即完成多相流模型的设置。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括模型验证的步骤。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的方法在镍基高温合金工艺设计中的应用。

技术总结本发明提供了一种用于计算三元合金元素高温蒸发热力学‑动力学的方法，包括以下步骤：1)基于Hertz‑Knudsen模型、Miedema模型、三元系模型以及蒸发模拟理论计算三元合金中各元素的多相流调节系数coeff；2)基于ANSYS软件，建立真空感应炉二维轴对称几何模型，并进行网格划分；3)在ANSYS软件设置真空感应炉和合金的物性参数；4)利用步骤1)‑3)得到的参数在ANSYS软件中设置多相流模型，并利用该模型计算真空感应熔炼过程中的元素蒸发过程；5)根据步骤4)获得的元素蒸发过程绘制某时刻下元素含量分布图，并以此得出某一时间段内元素的蒸发速率；采用本方法计算三元合金蒸发过程，更贴近实际情况，且计算相对简便，可视化效果好。技术研发人员：张琼元,方宇,唐嘉励,张江山,杨啊涛,蔡科,李海松受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9